Le sang contient du fer : pourquoi ne colle-t-il pas à un aimant ?
― Les atomes de fer sont enfermés un par un, et le sang repousse même très légèrement l'aimant
« Le sang est rouge parce qu'il contient du fer. » C'est vrai. Mais en conclure qu'un aimant assez fort pourrait attirer le sang est une erreur. Si le fer colle aux aimants, ce n'est pas une propriété de l'« élément » fer. C'est une propriété de la façon dont les atomes sont rangés : serrés les uns contre les autres, tous orientés dans le même sens.
Vous vous coupez le doigt avec une feuille de papier. Une petite goutte de sang perle. Son goût vous semble un peu métallique, comme du fer.
À l'école, on vous a appris qu'il y a du fer dans le sang. Si vous approchez un aimant puissant du frigo, la goutte sera-t-elle attirée et se mettra-t-elle en mouvement ?
Vous essayez : rien ne se passe. Pourtant, si du fer circule dans tout le corps, que se passe-t-il dans le gros appareil à aimant de l'hôpital ? Le sang n'est-il pas tiré dans tous les sens ?
Il n'y a que deux raisons à cela
Dans un clou, les atomes de fer se touchent, serrés, et orientent leurs minuscules aimants tous ensemble dans le même sens. Dans le sang, le fer est enfermé, un atome à la fois, au cœur d'une grosse protéine. Sans voisins à qui donner la main, les atomes ne peuvent pas s'aligner.
L'eau a la propriété de repousser très, très légèrement un aimant. La petite attraction exercée sur le fer du sang est vaincue par cette répulsion. Au total, le sang a tendance à s'éloigner un tout petit peu de l'aimant.
Ces deux explications apparaissent dès qu'on abandonne l'idée reçue selon laquelle « le fer colle forcément aux aimants ». Prenons-les dans l'ordre.
Le fer colle à l'aimant parce que ses atomes forment une « équipe »
Chaque atome peut être un aimant si petit qu'on ne le voit pas. C'est le cas des atomes de fer. Mais l'aimant d'un seul atome est très faible, et son orientation se brouille facilement.
Dans un clou ou une plaque de fer, les atomes sont rangés sans le moindre vide. Les atomes voisins exercent les uns sur les autres une forte force qui les pousse à s'orienter de la même façon. Il se forme ainsi des « zones » où des milliers de milliards d'atomes pointent dans le même sens. Quand on approche un aimant, ces zones s'orientent d'un seul bloc. Voilà pourquoi le clou est fortement attiré.
Le fer du sang se trouve dans une grosse protéine, l'hémoglobine. Chaque molécule d'hémoglobine ne contient que 4 atomes de fer, et ces 4 atomes sont éloignés les uns des autres. Impossible de s'aligner avec le voisin : pas d'« équipe ». Comparez la gauche et la droite de la figure 1.
Chez un adulte, le fer du corps pèse en tout 3 à 4 grammes. Environ les deux tiers se trouvent dans l'hémoglobine du sang. En quantité, c'est à peu près un petit clou. Même cette quantité de fer collerait à un aimant si elle était façonnée en clou. La différence décisive, c'est qu'elle est dissoute dans 5 litres de sang, séparée en atomes isolés.
L'eau repousse légèrement l'aimant
L'autre raison, c'est que le sang est surtout de l'eau. Et l'eau ne se contente pas de ne pas coller à l'aimant : face à un aimant puissant, elle est très légèrement repoussée. Cette propriété n'est pas propre à l'eau, elle est commune à presque toutes les substances. Elle vient de ce que les électrons des atomes réagissent en changeant de mouvement, dans le sens qui s'oppose à la force de l'aimant.
Alors, le fer du sang n'est-il pas du tout attiré ? En fait, l'hémoglobine qui a lâché son oxygène (plus abondante dans le sang des veines) est très légèrement attirée par l'aimant. Tant qu'elle tient l'oxygène, elle ne l'est pas. Mais dans les deux cas, la répulsion de l'eau est bien plus grande. Au total, le sang des artères comme celui des veines a donc tendance à s'éloigner un tout petit peu de l'aimant.
Pour mesurer à quel point c'est faible, manipulez la figure 2. Le curseur change la puissance de l'aimant, et vous comparez le « poids » d'un litre de sang à la force de « répulsion » de l'aimant.
Même avec un aimant de frigo puissant, la force de répulsion n'est que d'environ 1 % du poids du sang. C'est pourquoi la goutte au bout de votre doigt ne bouge pas d'un poil. Pour faire flotter du sang, il faudrait un appareil à aimant environ 90 fois plus puissant. Avec un tel appareil, on a réalisé une expérience où une grenouille vivante, riche en eau, flotte dans les airs (Est-il vrai que l'eau repousse les aimants ?).
Le sang chargé d'oxygène et le sang qui l'a lâché réagissent un peu différemment à l'aimant. Les premiers à l'avoir mesuré sont des chimistes, dont Linus Pauling, en 1936. Une cinquantaine d'années plus tard, le Japonais Seiji Ogawa et ses collègues ont repéré cette différence. Ils ont montré que l'IRM (le grand appareil à aimant des hôpitaux) pouvait visualiser où le cerveau consomme de l'oxygène. C'est aujourd'hui la méthode de référence pour savoir « quelle région du cerveau travaille ».
Le puissant aimant de l'IRM ne tire pas sur votre sang. Ce qui est dangereux, ce sont les petits objets en fer aux atomes serrés, comme les clés dans une poche ou les épingles à cheveux. Ils peuvent foncer vers l'appareil à grande vitesse. C'est pour cela qu'on vous demande d'ôter tout métal avant l'examen.
En résumé
Le sang contient bien du fer. Mais ce fer est enfermé, atome par atome, à l'écart des autres, dans l'hémoglobine. Les atomes ne peuvent pas se donner la main pour s'aligner : le sang ne colle donc pas à un aimant comme un clou. De plus, le sang est surtout de l'eau, qui repousse légèrement l'aimant. Au total, le sang a tendance à s'éloigner un tout petit peu de l'aimant.
Ce qui décide si un objet colle à l'aimant,
ce n'est pas la présence de fer, mais la façon dont il est rangé.
Pour en savoir plus sur l'eau repoussée par les aimants, lisez aussi Est-il vrai que l'eau repousse les aimants ?. Pour voir comment les atomes s'alignent dans un aimant, rendez-vous dans Si l'on coupe un aimant en deux, obtient-on un aimant avec seulement un pôle nord ?.
- Piquez un raisin à chaque bout d'une paille. Suspendez-la par son milieu avec un fil, ou posez-la sur le fond d'un verre retourné, de façon à l'équilibrer à l'horizontale.
- Placez-vous à l'abri du vent et attendez que les raisins soient parfaitement immobiles.
- Approchez doucement un aimant puissant au néodyme d'un des raisins, sans le toucher. Le raisin se met lentement à tourner, comme pour fuir l'aimant.
L'intérieur d'un raisin est presque entièrement de l'eau : comme le sang, il repousse très légèrement l'aimant. Le mouvement est très lent, soyez patient. Les aimants au néodyme s'attirent si fort qu'ils peuvent pincer les doigts : n'en approchez pas deux l'un de l'autre. Rangez-les hors de portée des jeunes enfants, qui pourraient les avaler.
Pour aller plus loin ― termes, formules, lien avec les manuelsDu collège à l'université, chaque passage indique à quel niveau il se situe
- CollègeAu programme de sciences du collège
- LycéeAu programme de physique, chimie ou biologie du lycée
- Lycée+Approfondissement du lycée, ou encadré de manuel
- UniversitéHors programme du lycée : cours universitaires (électromagnétisme, physique de la matière, biophysico-chimie)
- RecherchePas encore enseigné comme acquis, même à l'université : sujet que les chercheurs étudient en ce moment
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Ferromagnétisme : propriété des métaux comme le fer, le nickel et le cobalt, dont les petits aimants atomiques s'alignent avec leurs voisins et sont fortement attirés par un aimant.
- Paramagnétisme : propriété d'une substance dont chaque atome est un petit aimant, mais sans voisins pour s'aligner ; elle n'est que très faiblement attirée par un aimant. C'est le cas de l'hémoglobine qui a lâché son oxygène (hémoglobine désoxygénée).
- Diamagnétisme : propriété d'être très faiblement repoussé par un aimant. C'est le cas de l'eau, du raisin et de la plus grande partie du corps humain.
- Hémoglobine : protéine des globules rouges qui transporte l'oxygène. Chaque molécule porte 4 atomes de fer, qui saisissent l'oxygène.
CollègeLycéeVérifier par le calcul : avec quelle force l'aimant repousse-t-il le sang ?
On estime d'abord la quantité de fer dans un litre de sang. Puis on compare la force de répulsion d'un aimant puissant au poids du sang.
| En symboles | f ＝ ( |χ| ÷ μ0 ) × B × ( dB/dz ) , condition de flottaison : f ＝ ρ × g |
| En mots | Force de répulsion par unité de volume ＝ valeur de la susceptibilité magnétique ÷ perméabilité du vide × intensité du champ × gradient du champ. Si elle atteint « masse volumique × accélération de la pesanteur » (le poids par unité de volume), l'objet flotte. |
| D'où vient cette formule ? | Un objet placé dans un aimant voit son énergie baisser quand il va vers la zone de champ fort (ou de champ faible, s'il est diamagnétique). La force est la dérivée de cette énergie par rapport à la position. Si le champ est uniforme, le gradient est nul : même très fort, il n'exerce aucune force. |
| Signification des symboles et unités | χ : susceptibilité magnétique (sans unité), μ0 : perméabilité du vide (tesla × mètre ÷ ampère), B : intensité du champ (tesla), dB/dz : gradient du champ (tesla par mètre), ρ : masse volumique (kilogramme par mètre cube), g : accélération de la pesanteur (mètre par seconde carrée) |
| Valeur de la susceptibilité magnétique du sang (quasi identique à celle de l'eau) | 0.000009 |
| Perméabilité du vide | 0.00000126 |
| Champ près de la surface d'un puissant aimant au néodyme (ordre de grandeur) | 0.4 tesla |
| Gradient du champ au même endroit (en supposant 0,4 tesla de baisse sur 1 cm) | 40 tesla par mètre |
| Masse volumique du sang | 1060 kilogrammes par mètre cube |
| Masse d'une molécule d'hémoglobine (par mole) | environ 64500 grammes |
| Masse d'une mole de fer | 55.8 grammes |
| Hémoglobine dans 1 litre de sang (ordre de grandeur) | 150 grammes |
| Fer dans une mole d'hémoglobine | 4 × 55.8 ＝ 223.2 grammes |
| Part du fer dans la masse de l'hémoglobine | 223.2 ÷ 64500 ≒ 0.00346 |
| Fer dans 1 litre de sang | 150 × 0.00346 ≒ 0.52 gramme |
| Fer dans tout le sang du corps (5 litres) | 0.52 × 5 ＝ 2.6 grammes |
| Champ × gradient du champ | 0.4 × 40 ＝ 16 |
| Multiplication par la susceptibilité | 16 × 0.000009 ＝ 0.000144 |
| Division par la perméabilité du vide (force de répulsion, en newtons par mètre cube) | 0.000144 ÷ 0.00000126 ≒ 114 |
| Poids d'un mètre cube de sang (newtons) | 1060 × 9.8 ＝ 10388 |
| Force de répulsion ÷ poids | 114 ÷ 10388 ≒ 0.011 |
| « Champ × gradient » nécessaire pour flotter (étape 1) | 10388 × 0.00000126 ≒ 0.01309 |
| « Champ × gradient » nécessaire pour flotter (étape 2) | 0.01309 ÷ 0.000009 ≒ 1454 |
| Combien de fois l'aimant de frigo ? | 1454 ÷ 16 ≒ 91 |
Un litre de sang contient environ 0,5 gramme de fer ; dans tout le corps, cela fait à peu près un petit clou. Même avec un puissant aimant au néodyme, la force de répulsion reste à environ 1,1 % du poids du sang. Pour le faire flotter, il faut un « champ × gradient » environ 90 fois plus grand, ce que seuls atteignent les électroaimants spéciaux des laboratoires.
LycéeLycée+Le « spin » de l'électron et la formation de paires
LycéeL'origine des petits aimants atomiques, ce sont les électrons. Chaque électron a les propriétés d'un minuscule aimant. En général, deux électrons d'orientations opposées forment une paire, et leurs effets magnétiques s'annulent. S'il reste un électron sans partenaire, l'atome devient un petit aimant.
Lycée+Le fer de l'hémoglobine est un ion fer(II). Dans l'état sans oxygène, il possède 4 électrons non appariés, d'où son paramagnétisme. Quand il saisit l'oxygène, la répartition des électrons change et les aimants des électrons restants deviennent invisibles de l'extérieur. En 1936, Pauling et Coryell ont montré cette différence par des mesures magnétiques.
UniversitéInteraction d'échange et susceptibilité magnétique
Le ferromagnétisme naît d'une interaction d'échange entre les électrons d'atomes voisins : leur énergie est plus basse lorsqu'ils sont alignés. Il se forme alors des régions aux orientations alignées, appelées domaines magnétiques. Les atomes de fer de l'hémoglobine sont trop éloignés, et l'interaction d'échange y est presque nulle. On a donc un paramagnétisme, ensemble d'aimants indépendants qui suit la loi de Curie. En susceptibilité volumique, le sang veineux est simplement un peu moins diamagnétique que le sang artériel. Cette différence se retrouve dans le signal de l'IRM : c'est l'effet BOLD (signal dépendant de l'oxygénation du sang), à la base de l'IRM fonctionnelle.
📖 Démonstration des formules et suites : Paramagnétisme (Wikipédia, en japonais) ／ Ferromagnétisme (Wikipédia, en japonais)
RechercheCe que l'on ne sait pas encore bien
- Le lien entre signal cérébral et activité des neurones. L'IRM fonctionnelle visualise les variations de l'oxygène du sang. À quel point elles correspondent exactement à l'activité des neurones fait encore l'objet de recherches.
- Le « capteur magnétique » des êtres vivants. Comment les oiseaux migrateurs et d'autres animaux perçoivent le champ magnétique terrestre n'est pas tranché : certains avancent des réactions de molécules dans l'œil, d'autres des particules magnétiques dans le corps.
- La circulation du sang dans un champ intense. Dans un champ très fort, on sait que le sang en mouvement produit de l'électricité, ce qui modifie légèrement son écoulement. Jusqu'où cela affecte le corps avec des IRM plus puissantes est en cours d'étude.
Le contenu de cet article est donc, lui aussi, « une explication valable dans l'état actuel des connaissances ». Cependant, la conclusion selon laquelle « le sang ne colle pas à un aimant » a été confirmée par des mesures répétées pendant des décennies.
Lien avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière · chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : « champ magnétique », « rôle du sang » | Ce qui colle ou non à l'aimant ; les globules rouges transportent l'oxygène |
| Lycée | Physique : « champ magnétique » ; chimie : « configuration électronique » ; biologie : « transport de l'oxygène » | Paires d'électrons et propriétés magnétiques ; fer de l'hémoglobine |
| Lycée+ | Chimie approfondie : « complexes » | Changement de configuration électronique du fer selon la présence d'oxygène |
| Université | Électromagnétisme · physique de la matière · biophysico-chimie | Interaction d'échange, domaines magnétiques, loi de Curie, effet BOLD |
| Recherche | Neurosciences · magnétoception des êtres vivants | Interprétation de l'IRM fonctionnelle, capteur magnétique des oiseaux migrateurs |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Pourquoi on ôte ses métaux avant une IRM ; l'examen qui étudie le travail du cerveau |
- Pauling, L. & Coryell, C. D. (1936) The Magnetic Properties and Structure of Hemoglobin, Oxyhemoglobin and Carbonmonoxyhemoglobin. PNAS 22, 210–216.
- Ogawa, S., Lee, T. M., Kay, A. R. & Tank, D. W. (1990) Brain magnetic resonance imaging with contrast dependent on blood oxygenation. PNAS 87, 9868–9872.
- Berry, M. V. & Geim, A. K. (1997) Of flying frogs and levitrons. European Journal of Physics 18, 307–313.
- Chikazumi Sōshin (近角聰信), 『強磁性体の物理（上）』 (Physique des corps ferromagnétiques, tome 1), Shōkabō (裳華房), ouvrage en japonais
- 常磁性 (Paramagnétisme) – Wikipédia en japonais
※ Cet article est une explication scientifique grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur et des estimations destinés à comprendre le mécanisme. La quantité de fer dans le corps et la composition du sang varient d'une personne à l'autre. Pour une IRM, suivez les consignes de l'établissement de santé.