Fierul este un element chimic metalic, notat cu simbolul Fe (din limba latină: ferrum), ce are numărul atomic 26 și masa atomică 56. Este un metal aflat în prima grupă a metalelor tranziționale. Este elementul chimic cel mai întâlnit pe Terra, formând cea mai mare parte a nucleului acestei planete și este al patrulea element ca abundență în scoarța terestră. Este produs în cantitate mare ca rezultat de fuziune în stelele cu masă mare, unde producerea de nichel-56 (care se dezintegrează în fier) este ultima reacție fuziune nucleară ce este exotermă, devenind ultimul element care se produce înaintea stingerii unei supernove ce duce la reacții ce împrăștie precursorii radionuclizilor fierului în spațiu.
La fel ca și alte elemente ale grupei 8 (ruteniu, osmiu, etc.), fierul prezintă numeroase stări de oxidare, de la -2 la +6, deși cele mai comune sunt +2 și +3. Fierul elementar este întâlnit în meteoriți și unele medii sărace în oxigen, dar este reactiv cu oxigenul și apa. Suprafețele proaspăt tăiate ale fierului au o culoare gri-argintie, sunt lucioase, dar se oxidează în aer, produsul de reacție fiind oxizii de fier, cunoscuți de asemenea sub denumirea de rugină. Spre deosebire de alte metale care realizează pasivarea prin straturi de oxid, oxizii de fier ocupă un volum mai mare ca al volumului de fier, iar astfel oxizii de fier pot fi îndepărtați și să expună suprafețe proaspete pentru coroziune.
Fierul metalic a fost utilizat încă din Antichitate, deși aliajele cu punct scăzut de topire al cuprului au fost folosite primele în istorie. Fierul pur este moale (mai moale decât aluminiul), însă nu se poate obține prin topire. Materialul este întărit de impurități din procesul de topire, precum carbonul. O anumită proporție de carbon (între 0,2% și 2,1%) produce oțelul, care poate fi de 1000 de ori mai rezistent decât fierul pur. Fierul metalic brut este obținut în furnale, unde minereul este redus de către cocs la fonta. O prelucrare ulterioară cu oxigen reduce conținutul de carbon pentru a se obține oțel. Oțelurile și aliajele din fier cu conținut scăzut de carbon, în combinație cu alte metale, sunt de departe cele mai comune metale în industrie, datorită numărului mare de proprietăți dezirabile.
Compușii chimici ai fierului, care includ compuși feroși și ferici, au multe utilizări. Oxidul de fier amestecat cu pudră de aluminiu poate fi aprins pentru a crea termitul, folosit în prelucrarea minereurilor. Formează compuși binari cu halogenii și calcogenii. Printre compușii organometalici, ferocenul a fost primul compus-sandwich descoperit.
Fierul joacă un rol important în biologie, formând substanțe compuse cu oxigen molecular în hemoglobina și mioglobina; acești doi compuși sunt proteine comune ce au rol în transportul oxigenului la vertebrate. De asemenea, fierul este metalul cel mai utilizat în enzimele redox cele mai importante, care sunt implicate în respirația celulară, procesele de oxidare și reducere la organismele vegetale și animale.
Istorie Începuturile prelucrării fierului Primul tip de fier cunoscut și utilizat de oameni provenea din meteoriți. În Egipt și Mesopotamia s-au descoperit vărfuri de suliță și obiecte decorative cu această origine, datând din jurul anului 4000 î.Hr.Tylecote, R. F., A History of Metallurgy, 2nd Ed., The Institute of Materials, Brookfield, VT, (1992) 2000 de ani mai târziu a apărut și fierul prelucrat din minereu (la început cel numit fier de mlaștină - în engleză bog iron sau limonit), folosit însă doar pentru obiecte de cult și considerat mai valoros decât aurul. Între 1600 î.Hr. și 1200 î.Hr. a început obținerea fierului în topitorii primitive, în Imperiul Hitit (Anatolia și Caucaz). Dispariția acestui imperiu a permis răspândirea cunoștințelor despre prelucrarea fierului în toată regiunea, facilitând trecerea de la Epoca Bronzului la Epoca Fierului.
În China 250px|right|thumb|Procesul purificării minereului de fier (în stânga) și doi oameni care folosesc un furnal (în dreapta) În jurul anului 550 î.Hr., în China a fost inventat furnalul și s-a obținut prima fontă turnată. Prima menționare a unui obiect de fier turnat datează din 513 î.Hr., ceea ce implică faptul că în acea epocă tehnica topirii fierului era cunoscută foarte bine. Vestigii de obiecte de fier turnate (topoare, sape, cuțite, săbii, ...), datând din Perioada Statelor Combatante, au fost descoperite într-o cantitate mare în siturile descoperite după 1950. În situl fostei capitale a statului Yan, în apropiere de Beijing, au fost dezgropate matrițe pentru turnarea unor obiecte de fier. Fonta, mai casantă și mai puțin tăioasă ca bronzul, avea asupra acestuia un avantaj de a putea fi produsă în cantități mari, mai ales în regiunile bogate în minereuri, ca Shanxi sau Shaanxi. Se pare, de altfel, că, datorită combinării între topire și forjare, armele de fier au început, încă din timpul Perioadei Statelor Combatante, să rivalizeze cu armele de bronz, de uz totuși mai general.
Acest avans al Chinei în domeniul siderurgiei a putut să stârnească uimire: chinezii puteau să producă oțel încă din secolul al II-lea î.Hr., în vreme ce Europa, doar la sfârșitul Evului Mediu asistă la primele încercări de turnare a fierului, și după încă ceva timp începe producerea oțelului. Acest decalaj, care mai mult decât un avans sau o rămânere în urmă relevă originalitatea tradițiilor tehnice ale diferitelor civilizații, se explică foarte bine prin experiența acumulată de lumea chineză în turnarea bronzului și prin perfecționarea foalelor, în Perioada Statelor Combatante.
În India 200px|thumb|left|Coloana de fier din Delhi
Oțelul, aliaj al fierului cu relativ puțin carbon, a fost produs, se pare, pentru prima dată în India, în secolul al III-lea. Un exemplu al măiestriei indiene în domeniul metalurgiei este și faimoasa coloană de fier din Delhi, care este constituită în proporție de 98% din fier forjat și a fost ridicată la sfârșitul secolului al IV-lea sau începutul secolului al V-lea.
În Europa În Europa, primele șarje de fontă turnată au fost obținute în Suedia, în secolul al XV-lea (Lapphyttan și Vinarhyttan). Ghiulele de tun din fontă au permis apoi răspândirea acestui material și a metodelor de obținere în toată lumea. Combustibilul de bază pentru aceste procese era cărbunele de lemn (mangalul).
Dispariția accentuată a pădurilor din Marea Britanie a dus în secolul al XVIII-lea la înlocuirea mangalului cu cocsul, de către Abraham Darby. Acest lucru, împreună cu inventarea mașinii cu abur, a dus la Revoluția industrialăA. Raistrick, A dynasty of Ironfounders (1953; 1989); N. Cox, 'Imagination and innovation of an industrial pioneer: The first Abraham Darby' Industrial Archaeology Review 12(2) (1990), p.127-144.
La sfârșitul anilor 1850, Henry Bessemer a inventat un nou procedeu de fabricare a oțelului cu conținut foarte scăzut de carbon, la care se sufla aer prin fonta brută topită. Acest progres a dus la diminuarea treptată a producției de fier forjat.
200px|thumb|right|Meteoritul feros Sihote Alin Simbolistică În Evul Mediu, fierul era asociat cu planeta Marte, cu masculinitatea și cu soliditatea, rezistența. De altfel, în alchimie, simbolul fierului era identic cu cel folosit și în prezent pentru a indica genul masculin și cu cel pentru Marte în astrologie: ♂. Termenul "de fier" a ajuns să fie folosit pentru a indica ceva de neclintit, de netrecut (de exemplu Cortina de fier), o încercare, provocare deosebită (de exemplu triatlonul "Ironman", om de fier desfășurat în Hawaii) sau, în cazul unor persoane, o voință deosebită (persoane care conduceau "cu o mână de fier", sau "doamna de fier", supranumele fostului prim-ministru al Marii Britanii, Margaret Thatcher). "Fier" este și denumirea celei de-a patra povestiri din volumul "Sistemul periodic" publicat în 1975 de Primo Levi.
Structură atomică thumb|150px|Structura atomică a fierului Izotopi Fierul prezintă patru izotopi naturali. În ordinea abundenței relative, aceștia sunt: 56Fe (91,7 %), 54Fe (5,8 %), 57Fe (2,2 %) și 58Fe (0,3 %). De asemenea, se cunosc alți 10 izotopi sintetici ai fierului. S-a demonstrat (prin corelația existentă între abundența izotopului 60Ni, un produs de dezintegrare al 60Fe, și abundențele izotopilor stabili ai fierului în unii meteoriți) că 60Fe a existat în stare naturală în perioada de formare a sistemului solar.
thumb|150px|Bucată de fier cu puritate 99,7% Proprietăți Proprietăți fizice Proprietăți mecanice + Valori caracteristici ale tracțiunii și durității Brinell ale diferitelor forme de fierMaterialT (MPa)BH (Brinell)Iron whiskers11000Oțel întărit2930850–1200Martensitic steel2070600Bainitic steel1380400Oțel perlitic1200350Cold-worked iron690200Small-grain iron340100Fier ce conține carbon14040Cristal de fier pur103
Proprietățile mecanice ale fierului și ale aliajelor sale sunt evaluate prin teste variate, precum scala Brinell, scala Rockwell sau teste de tracțiune, printre altele; rezultatele fierului sunt atât de consistente încât fierul este des folosit pentru calibrarea măsurătorilor sau pentru a compara rezultatele unui test cu ale altuia. Acele măsurători dezvăluie că aceste proprietăți mecanice ale fierului depind de puritate: cele mai pure cristale de fier sunt mult mai moi decât cele de aluminiu. Adiția a doar 10 părți per milion de carbon le poate dubla duritatea. Duritatea crește rapid cu un conținut de carbon de 0,2% și este saturată la ~0.6%. Fierul produs industrial, care este cel mai pur (aproape 99,99% puritate), are o duritate de 20-30 Brinell. Proprietăți chimice Compușii elementului Fierul formează cu oxigenul combinații divalente și trivalente. Fenomenul de oxidare a fierului se mai numește ruginire.
Oxidul feros, FeO (II), se obține prin arderea directă a fierului. El este stabil doar la temperaturi de peste 833 K (560oC) și este de culoare neagră.
Oxidul feric, Fe2O3 (III), numit și hematit, este un mineral de culoare maronie, obținut prin oxidarea fierului în condițiile existenței unui surplus de oxigen. El reprezintă principala sursă de obținere a fierului.
Oxidul feric-feros, Fe3O4 (II,III), numit și magnetit, este materialul natural cu cele mai bune proprietăți magnetice.
Deși acești oxizi formează straturi protectoare la suprafața pieselor, porozitatea acestor straturi este atât de mare încât obiectele din fier expuse efectelor atmosferei ruginesc continuu până la distrugerea lor completă.
Oxidul feric este opac la radiații ultraviolete și infraroșii, proprietate ce își gasește aplicații la fabricarea geamurilor termoabsorbante.
În combinație cu carbonul, fierul poate forma soluții solide sau carbura de fier Fe3 (numită și cementită). În funcție de temperatură și de conținutul de carbon, soluțiile solide sunt ferita, austenita și ferita δ.
Pentacarbonilul de fier, Fe(CO)5 se obține prin reacția, sub presiune, a fierului cu monoxidul de carbon. Prin descompunerea sa se obține fierul carbonil cu o puritate de 97,5 %. De asemenea, el se folosește pentru obținerea a numeroși compuși ai fierului cu utilizare în sinteza organică.
Tiocianatul de fier, Fe(SCN)3 are o culoare roșie caracteristică și servește la punerea în evidență a ionilor Fe3+. Diagrama fazelor si alotropia Fierul este un exemplu de alotropie la un metal, cunoscându-se cel puțin patru forme alotropice ale acestuia, numite α, γ, δ și ε; la presiuni foarte mari, există unele dovezi experimentale considerate controversale pentru o formă β stabilă la temperaturi și presiuni inalte. thumb|left|Diagrama fazei pentru fier pur la joasa presiune Pe măsură ce fierul topit se răcește, acesta se cristalizează la 1538°C în forma sa alotropica δ, care are un cristal cu structura centrată cubic. Continuarea răcirii acestei structuri cristaline, se schimbă la 1394°C, când structura este cunoscută drept fier-γ sau austenit. Forme alotropice În funcție de domeniile de temperatură la care sunt stabile și de structura cristalină, este acceptată astăzi existența a 3 stări alotropice ale fierului solid: