Le fer est l'élément chimique de numéro atomique 26, de symbole Fe.
Le corps simple dévoile plusieurs formes allotropiques selon la pression et la température. Le fer pur est un métal tenace, ductile et relativement malléable, magnétique dans les conditions ambiantes. Mais l'élément Fe se retrouve aussi sous forme d'alliages, solutions solides ou composés d'insertion divers, car l'adjonction de très faibles quantités d'éléments additionnels modifie considérablement les propriétés mécaniques. Mais les matériaux ferreux restent sensibles à l'oxydation, comme le prouve l'affinité du métal Fe pour l'oxygène ou le soufre, qui le rendent cassant et difficile à travailler, voire peuvent le désagréger.
Outre ses propriétés physiques et chimiques remarquables et sa présence naturelle dans d'innombrables composés chimiques et biochimiques, par son implication dans un grand nombre de matériaux d'importance économique majeure ou son rôle biologique crucial, le fer représente le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus courant dans la vie quotidienne. Allié au carbone et avec d'autres éléments d'addition, il permet d'obtenir les aciers, plus durs et résistants, dont la sensibilité aux traitements thermomécaniques permet de diversifier encore plus les propriétés du matériau.
Le fer possédant la structure électronique suivante (couches stables de l'argon) 3d⁶ 4s² fait partie du groupe des éléments d dits métaux de transition, il montre des analogies caractéristiques avec le ruthénium, l'osmium dans sa rangée verticale, le cobalt et le nickel dans sa rangée horizontale, Fe, Co et Ni formant le classique « groupe du fer » ou « triade des métaux ferreux », à grande similarité chimique.
Étymologie et origine du mot, vocabulaire
Le mot français « fer », attesté déjà au Xe siècle en ancien français, est issu du mot latin neutre ferrum,i signifiant le métal fer ainsi que dans un sens élargi, les armes (épée, glaive etc.) et autres objets en fer, associés aux choses apportant le goût et la saveur caractéristique du fer, et à l'insensibilité et la cruauté au sens figuré, etc.. Le mot qui désigne à la fin de l'époque moderne l'élément ou le corps chimique, le métal au sens abstrait est « indénombrable » au sens où il ne s'utilise pas au pluriel ni directement avec un numéral. Le mot neutre allemand das Eisen (die Eisen au pluriel) provient probablement du celtique continental isarnon.
Le mot ferrum, qui a laissé tardivement ses deux initiales au symbole chimique international Fe, est associé à l'adjectif ferrĕus,-a,-um signifiant « de fer, en fer », les deux termes latins colportant déjà les nombreuses allusions imagées et classiques relatives au fer, marquant l'insensibilité et la dureté (cœur de fer), l'inflexibilité et la détermination, la résolution guerrière, la cruauté et l'absence de pitié (ferro ignique, par le fer et le feu), comme la force (ferrea vox ou voix de fer, ferrea mano à la fois main de fer et grappin), la robustesse (anticipant une « santé de fer »), l'âpreté, la permanence, la lourdeur (ferreus somnus ou sommeil de plomb) et anticipant l'emploi générique de l'adjectif « ferreux » attesté au XVIIIe siècle. L'adjectif ferrātus,a,um signifie « garni de fer, ferré, armé de fer », le substantif masculin pluriel ferrati rappelle les soldats bardés de fer. L'adjectif ferrārĭus,a,um concerne aussi le fer, et a fini par désigner aussi le faber ou febvre médiéval, c'est-à-dire le forgeron, ouvrier par excellence, travailleur du fer ainsi que, au pluriel, les mines de fer par « ferrārĭa (metalla) ».
Le mot latin était traditionnellement rattaché à la famille de sens de firmus (« ferme, solide »). Mais aujourd'hui on voit dans l’espagnol hierro et l’anglais iron (même sens) un emprunt celtique et on le rattache plutôt au radical de aes (« airin » et autres métaux) et sa racine indo-européenne reconstruite : *ḫeṷis ou encore *ai̯os- au sens générique de « métal » (cuivre, bronze ou fer).
Notons que l'alchimie la plus ancienne fait correspondre le fer à la planète rouge Mars, autrefois associée au terrible et sanguinaire dieu romain de la guerre, Mars, qui patronne, après la courte période dévolue au culte des morts en février, l'usage par les jeunes gens des armes d'attaque et autres protections défensives, en fer ou en airain. L'anémie ferriprive, causée par une carence en fer dans le corps, se nomme aussi « carence martiale », dans la lignée des appellations de médecine alchimiste. La pyrite ou bisulfure de fer FeS2, composé minéral ferreux considéré autrefois comme dimorphe, se présente souvent en cristaux cubique jaune d'or, d'un très bel éclat, sous l'appellation de « pyrite martiale ». Le mot grec πύρ, πύρός associé au « feu profane », domestique ou guerrier (racine pyro-) se retrouve dans les anciens noms du « fer pulvérulent » ou de maints composés soufrés du fer, formant les premiers « briquets » paléolithiques transportables il y a minima 80 000 ans : la frappe sèche d'un silex sur un minerai de fer, type marcassite, ou le choc entre deux pyrites, produit une étincelle de feu, initiant la combustion de matières sèches.
L'adjectif ferrugineux, euse signifiant en français ce « qui contient du fer ou l'un de ses composés » provient de l'évolution des adjectifs latins ferrūgĭnus,-a,-um, ferrūgǐnōsus,-a,-um ou ferrūgǐněus,-a,-um au sens de « ferrugineux, couleur de fer », associés au mot féminin ferrūgo, au génitif ferrugĭnis désignant la rouille du fer, mais aussi une palette de couleurs, de brun foncé à la couleur de rouille plus rougeâtre, voire pourpre foncé ou bleu sombre. Le mot latin de genre neutre, ferrūmen,ĭnis signifie d'après l'usage de Pline, la soudure, la substance pour souder. Il est associé au verbe transitif ferrūmǐno, ferrūmǐnāre correspondant à notre verbe souder.
Physico-chimie nucléaire, isotopes, fréquence
Le fer 56 est le nucléide stable le plus lourd issu de la fusion du silicium par réactions α lors de la nucléosynthèse stellaire, qui produit en fait du nickel 56, lequel est instable et donne du 56Fe par deux désintégrations β+ successives ; les éléments de numéro atomique plus élevé sont synthétisés par des réactions plus énergétiques intervenant plutôt lors de l'explosion de supernovas.
Le noyau de fer 56 possède la masse par nucléon la plus faible de tous les nucléides mais pas l'énergie de liaison la plus élevée, en raison d'une proportion de protons un peu plus élevée que le nickel 62 qui, lui, a l'énergie de liaison la plus élevée par nucléon.
Le fer 56 résulte de la désintégration naturelle du nickel 56, isotope instable produit au cœur d'étoiles massives par fusion du silicium 28 au cours de réactions alpha en cascade qui s'arrêtent au nickel précisément parce que ce dernier possède l'énergie de liaison nucléaire par nucléon la plus élevée : poursuivre la fusion, pour produire par exemple du zinc 60, consommerait de l'énergie au lieu d'en libérer.
Le fer possède 28 isotopes connus, de nombre de masse variant de 45 à 72, ainsi que six isomères nucléaires. Parmi ces isotopes, quatre sont stables, 54Fe, 56Fe, 57Fe et 58Fe. 56Fe est largement le plus abondant (91,754 %), suivi de 54Fe (5,845 % possiblement légèrement radioactif avec une demi-vie supérieure à 3,1 × 1022 années), 57Fe (2,119 %) et 58Fe (0,282 %). La masse atomique standard du fer est de 55,845(2) u.
Le plus stable des radioisotopes du fer est 60Fe avec une demi-vie de 1,5 million d'années, suivi de 55Fe (2,7 années), 59Fe (un peu moins de 44,5 jours) et de 52Fe (8,5 heures).
Occurrence et abondance naturelle
Cet élément jugé le plus stable de l'Univers, définissant le creux de la vallée de stabilité des éléments, est aussi le plus abondant dans les météorites ainsi que dans les noyaux des planètes intérieures du système solaire. Environ une météorite sur vingt comprend de la taénite, unique alliage de minéral de fer-nickel (fer 35-80 %), et de la kamacite (fer 90-95 %). Rares dans l'espace, les météorites de fer sont une source de fer nickelé.