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Fiche explicative de la leçon : Propriétés et réactions du fer et des oxydes de fer Chimie

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à décrire les propriétés et les réactions du fer et de ses oxydes.

Le fer est l’élément de transition le plus abondant dans la croûte terrestre et un métal extrêmement important pour la société. Bien qu’il soit en apparence omniprésent, c’est très rarement le fer pur qui est utilisé dans ce qui nous entoure, une quantité énorme de fer extrait de son minerai est utilisée pour fabriquer de nombreux alliages différents. Les alliages de fer les plus courants comprennent différentes formes d’acier avec une variété de propriétés et un grand nombre d’utilisations. Toutefois, le fer pur a peu d’importance industrielle car il est relativement doux et de faible dureté.

Le fer pur est malléable et ductile et possède des propriétés magnétiques. Il fond à 1538C et a une masse volumique de 7,87 g/cm3 à l’état solide. Les propriétés physiques exactes du fer pur dépendent de la pureté finale du métal. Toutes les impuretés restantes du minerai dont il a été extrait affecteront ses propriétés physiques.

Exemple 1: Identification des propriétés physiques du fer métallique

Laquelle des propriétés suivantes n’est pas correcte pour le fer pur?

  1. Le fer pur est facilement tiré ou étiré en un fil fin.
  2. Le fer pur est brillant.
  3. Le fer pur est très doux avec une faible dureté.
  4. Le fer pur a un point de fusion bas.
  5. Le fer pur a des propriétés magnétiques.

Réponse

Alors que certaines propriétés du fer sont bien connues telles que son magnétisme, des propriétés moins connues peuvent être imaginées à partir des propriétés générales des métaux;de plus, certaines d’entre elles sont spécifiques au fer et doivent être gardées en mémoire. Comme beaucoup de métaux, le fer est ductile et peut être étiré pour former un fil, ce qui élimine la réponse A. En outre, comme de nombreux métaux, le fer peut être poli pour lui donner de l’éclat, ce qui élimine la réponse B.

Les propriétés physiques spécifiques du fer incluent le fait qu’il est magnétique, éliminant ainsi la réponse E, et qu’il s’agit d’un métal mou avec une faible dureté, ce qui élimine la réponse C.

Cela nous amène à la réponse D, qui affirme que le fer pur a un point de fusion bas. Cependant, le fer pur fond à 1538C, une température qui n’est pas considérée comme basse, ce qui signifie que D est la bonne réponse.

Le fer partage certaines propriétés physiques et chimiques avec d’autres métaux du bloc d de la même période. Les états d’oxydation du fer sont pourtant différents. Les atomes de fer ne forment pas d’état d’oxydation +8 correspondant à la perte de tous les électrons des orbitales 3d et 4s. En revanche, l’élément adjacent - le manganèse - peut perdre tous ses électrons 3d et 4s pour former un état d’oxydation +7. Même si le fer peut avoir des états d’oxydation allant de 4 à +7, ses états d’oxydation les plus courants sont +2 et +3.

Lors de la formation d’ions, le fer perd deux électrons de la sous-couche 4s, mais il peut aussi perdre un troisième électron – un des deux électrons appariés - de l’orbitale 3d, ce qui donne un état d’oxydation +3.

Exemple 2: Identification de la configuration électronique d’un ion fer

En étudiant la configuration électronique du fer métallique représentée sur la figure, quelle est la configuration électronique de l’ion Fe2+?

Réponse

De la même manière que les autres métaux de transition, les atomes de fer perdront préférentiellement les électrons de la sous-couche 4s avant de perdre les électrons des orbitales 3d. Plus précisément, nous cherchons des réponses montrant que les deux électrons ont été perdus à partir de la sous-couche 4s. Cela nous laisse avec la réponse B et la réponse C comme possibilités. Un atome de l’élément fer a 26 protons, alors un ion Fe2+ aura 24 électrons. L’argon a 18 électrons, ce qui signifie que la sous-couche 3d doit contenir 6 électrons pour retrouver 24 électrons au total. Une autre façon d’éliminer C serait de comparer le schéma initial de l’exercice et de noter que 3 électrons ont été perdus sur le schéma C. Avec C éliminé, la réponse correcte est B.

Le fer réagit de la même manière que la plupart des métaux, mais il faut veiller à ce que les espèces de fer produites aient l’état d’oxydation souhaité.

L’une des réactions les plus simples consiste à faire réagir du fer chauffé à blanc avec de l’air sec ou du dioxygène pour produire de l’oxyde de fer(II, III) magnétique:3Fe()+2O()FeO()sgs234

Le fer chauffé à blanc, à environ 500C, réagira également avec la vapeur d’eau pour produire de l’oxyde de fer(II, III) magnétique ainsi que du dihydrogène gazeux:3Fe()+4HO()FeO()+4H()sgsg2342C

Le fer peut aussi réagir avec des non-métaux pour produire le composé binaire correspondant;mais encore une fois, il faut prendre soin d’identifier correctement l’état d’oxydation du composé du fer:2Fe()+3Cl()2FeCl()Fe()+S()FeS()sgssss23

Nous devrions prendre note à ce stade de quelques noms qui peuvent être utilisés pour décrire des composés du fer. Le chlorure formé ci-dessus, qui serait formellement désigné comme chlorure de fer(III), peut aussi être appelé chlorure ferrique. Le terme ferrique désigne le fer dans un état d’oxydation +3. En revanche, le sulfure de fer(II) (FeS) peut également être appelé sulfure ferreux. Ici, le terme ferreux concerne un composé du fer où le fer a un état d’oxydation +2.

Lorsque le fer métallique est oxydé par des acides minéraux dilués, on obtient des sels de fer(II):Fe()+HSO()FeSO()+H()Fe()+2HCl()FeCl()+H()saqaqgsaqaqg244222

Mais, lors de la réaction du fer métallique avec de l’acide sulfurique concentré, certains ions de fer(II) sont davantage oxydés en ions de fer(III), ce qui donne un mélange de produits qui comprend du sulfate ferreux, du sulfate ferrique, du dioxyde de soufre gazeux et de la vapeur d’eau:3Fe()+8HSO()FeSO()+Fe(SO)()+4SO()+8HO()slaqaqgg24424322HSOconc.24

Exemple 3: Rappel sur les produits de la réaction entre le fer métallique et les acides minéraux dilués

Laquelle des affirmations suivantes est correcte?

  1. Le fer peut être dissous dans de l’acide chlorhydrique dilué, produisant du chlorure de fer(III) et de l’eau.
  2. Le fer peut être dissous dans de l’acide chlorhydrique dilué, produisant du chlorure de fer(II) et du dihydrogène gazeux.
  3. Le fer peut être dissous dans de l’acide chlorhydrique dilué, produisant du chlorure de fer(II) et de l’eau.
  4. Le fer peut être dissous dans de l’acide chlorhydrique dilué, produisant du chlorure de fer(III) et du dihydrogène gazeux.

Réponse

L’une des propriétés chimiques que le fer partage avec la plupart des métaux est de pouvoir réagir avec un acide dilué. Quand ils réagissent avec des acides, les métaux forment des sels et du dihydrogène gazeux, donc les réponses A et C, où l’eau est l’un des produits, sont toutes les deux incorrectes.

Lorsque fer métallique réagit avec des acides dilués on obtient des sels de fer(II). Les sels de fer(III) ne sont produits que par des réactions avec des acides minéraux concentrés. Cela nous indique que la bonne réponse est B.

Le processus de chimie physique et d’ingénierie connu sous le nom de passivation est un exemple particulièrement intéressant de réaction impliquant le fer et l’acide nitrique. Lorsque de l’acide nitrique concentré réagit avec le fer métallique, une fine couche d’oxyde de fer se forme à la surface du métal. Cette couche d’oxyde empêche alors toute autre molécule d’acide d’atteindre la surface du fer en fournissant ainsi une protection contre la corrosion. Ce revêtement d’oxyde peut, toutefois, être éliminé par l’ajout d’acide chlorhydrique dilué ou par abrasion avec du papier de verre.

L’un des groupes les plus intéressants de composés du fer sont les oxydes. Le fer forme trois oxydes différents avec des propriétés physiques et chimiques différentes.

Fer II, FeO
Poudre d'oxyde de fer III dans une boîte de Petri en verre
Oxyde de fer noir, magnétite, Fe3O4

On trouve l’oxyde de fer(II) dans la wustite minérale, mais il peut être obtenu chimiquement à partir de la décomposition de l’oxalate de fer en l’absence d’air:

CCOOOOFe2+

FeCO()FeO()+CO()+CO()242ssgg(absencedair)

L’oxyde de fer(II) peut également être obtenu en réduisant les oxydes de fer à l’état d’oxydation plus élevé tels que l’oxyde de fer(III) et l’oxyde de fer(II, III):FeO()+H()2FeO()+HO()FeO()+H()3FeO()+HO()23223422sgsgsgsgCC

Il convient toutefois de remarquer que, bien que ces réactions pour obtenir FeO ont lieu en théorie, en pratique, le FeO produit est instable en-dessous de 570C et s’oxyde facilement pour revenir au FeO34 ou peut être oxydé d’oxyde de fer(II) en oxyde de fer(III) selon l’équation suivante:4FeO()+O()2FeO()sgs223

L’oxyde de fer(II) peut réagir avec un acide minéral pour former le sel correspondant et de l’eau:FeO()+HSO()FeSO()+HO()saqaql2442

Le minerai d’hématite, FeO23, est un oxyde de fer courant qui se trouve dans la croûte terrestre. De couleur brun rougeâtre, le FeO23 peut être utilisé comme pigment rouge dans la peinture. L’oxyde peut également être isolé chimiquement par la réaction entre des solutions de chlorure ferrique et d’hydroxyde pour former l’hydroxyde de fer(III) insoluble, qui peut ensuite se décomposer thermiquement pour former de l’oxyde de fer(III). Par exemple, le chlorure ferrique peut réagir avec l’hydroxyde d’ammonium:FeCl()+3NHOH()Fe(OH)()+3NHCl()2Fe(OH)()FeO()+3HO()34343232aqaqsaqssgaudessusC

L’oxyde de fer(III) peut aussi être obtenu en chauffant du sulfate de fer(II);mais, en laboratoire, il faut être prudent avec cette réaction car elle produit des gaz du soufre nocifs:2FeSO()FeO()+SO()+SO()42323ssgg

Un dernier exemple des propriétés chimiques de l’oxyde de fer(III) implique sa réaction avec des acides minéraux concentrés chauds, tels que l’acide sulfurique, conduisant à des sels de fer(III) et de la vapeur:FeO()+3HSO()Fe(SO)()+3HO()23242432slaqg

Exemple 4: Identification de l’oxyde de fer produit par la réaction d’un sel inconnu avec une solution alcaline

Le précipité brun-rougeâtre présenté sur cette image est obtenu par la réaction entre un sel de fer et une solution alcaline diluée. Lorsque le précipité est isolé et séché, puis chauffé dans un tube d’allumage, on constate la présence de vapeur d’eau et d’un autre composé du fer, X. Quelle est l’identité possible de X?

Poudre d'oxyde de fer III dans une boîte de Petri en verre

Réponse

Les sels de fer réagissent avec les solutions alcalines diluées, en particulier les ions hydroxyde, en formant de l’hydroxyde de fer(II) ou de l’hydroxyde de fer(III) en fonction du sel de fer de départ. Le chauffage de l’hydroxyde de fer entraîne la déshydratation de l’hydroxyde pour former de l’oxyde de fer et, dans ce cas, nous savons que le précipité résultant est l’oxyde de fer(III), FeO23, en raison de la couleur brun-rougeâtre qu’on voit sur la photo.

Le dernier oxyde dont nous parlerons dans cette fiche explicative est l’oxyde noir magnétique, également connu sous le nom de tétroxyde de trifer. Cet oxyde se trouve principalement dans la magnétite et peut être considéré comme un mélange d’oxyde de fer(II) et d’oxyde de fer(III). Il peut être préparé en laboratoire par réduction de l’oxyde de fer(III) par le monoxyde de carbone ainsi que par oxydation du fer métallique:3FeO()+CO()2FeO()+CO()3Fe()+4HO()FeO()+4H()233422342sgsgsgsgCC

Comme dans le cas du fer métallique, lorsque l’oxyde de fer(II, III) réagit avec l’acide sulfurique concentré, on obtient un mélange de sels de fer(II) et fer(III), raison pour laquelle nous considérons cet oxyde comme étant un mélange d’oxydes de fer(II) et de fer(III):FeO()+4HSO()FeSO()+Fe(SO)()+4HO()342442432slaqaqgHSOconc.24

Cela peut être encore illustré par les réactions de réduction que nous venons de présenter et par le fait que l’oxyde de fer(II, III) peut aussi être oxydé en oxyde de fer (III):FeO()+H()3FeO()+HO()2FeO()+O()3FeO()342234223sgsgsgsC12

En résumé, le fer et ses oxydes ont un large éventail de propriétés physiques et chimiques que les chimistes ont intérêt à comprendre en raison de l’importance de cet élément dans notre société. L’oxyde de fer(II) est un solide noir insoluble dans l’eau et facilement oxydable par l’air chaud. L’oxyde de fer(III) est également insoluble dans l’eau et réagit avec les acides minéraux concentrés chauds pour former des sels de fer(III) et de l’eau. Le dernier oxyde que nous avons étudié dans cette fiche explicative est l’oxyde de fer(II, III), qui réagit également avec les acides concentrés chauds et qui est un aimant puissant.

Résumons ce qui nous avons appris dans cette fiche explicative.

Points clés

  • Le fer pur a peu d’importance industrielle;mais, les alliages tels que l’acier sont très importants.
  • Le fer a des propriétés générales semblables à celles de la plupart des métaux.
  • Les réactions chimiques courantes du fer concernent le fer à l’état d’oxydation +2 ou +3.
  • Le fer métallique réagit avec l’air, la vapeur d’eau, les non-métaux et les acides.
  • Le fer forme trois oxydes différents:l’oxyde de fer(II), l’oxyde de fer(III) et l’oxyde de fer(II, III).
  • L’oxyde de fer(II) peut être formé par décomposition de l’oxalate de fer ou par réduction de l’oxyde de fer(III) ou de l’oxyde de fer(II, III).
  • L’oxyde de fer(III) peut être obtenu par décomposition thermique de l’hydroxyde de fer(III) et du sulfate de fer(II).
  • L’oxyde de fer(II, III) peut être obtenu à partir de la réaction entre l’oxyde de fer(III) et le monoxyde de carbone, ainsi qu’en faisant réagir du fer métallique avec de l’eau.
  • L’oxyde de fer(II, III) peut être considéré comme un mélange d’oxyde de fer(II) et d’oxyde de fer(III), pouvant être à la fois oxydé et réduit pour produire respectivement de l’oxyde de fer(III) et de l’oxyde de fer(II).

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