BESI (UNSUR): KARAKTERISTIK, STRUKTUR KIMIA, KEGUNAAN - KIMIA - 2025

The besi adalah logam transisi milik Grup 8 atau VIIIB dari tabel periodik dan diwakili oleh simbol kimia Fe. Apakah abu-abu logam, ulet, mudah dibentuk dan tinggi kekuatan, digunakan dalam berbagai aplikasi yang berguna bagi manusia dan masyarakat.

Ini merupakan 5% dari kerak bumi, dan juga logam paling melimpah kedua setelah aluminium. Juga, kelimpahannya dilampaui oleh oksigen dan silikon. Namun, sehubungan dengan inti bumi, 35% darinya terdiri dari besi logam dan cair.

Alchemist-hp (bicara) (www.pse-mendelejew.de)

Di luar inti bumi, besi tidak ditemukan dalam bentuk logam karena teroksidasi dengan cepat saat terkena udara lembab. Itu terletak di batuan basal, sedimen karbon dan meteorit; umumnya dicampur dengan nikel, seperti pada mineral kamacite.

Mineral besi utama yang digunakan untuk pertambangan adalah sebagai berikut: hematit (oksida besi, Fe ₂ O ₃ ), magnetit (oksida ferrosomerik, Fe ₃ O ₄ ), limonit (hidrat oksida besi hidroksida), dan siderit (besi karbonat, FeCO ₃ ).

Rata-rata manusia memiliki kandungan 4,5 g zat besi, dimana 65% nya berupa hemoglobin. Protein ini terlibat dalam pengangkutan oksigen dalam darah dan dalam distribusinya ke berbagai jaringan, untuk selanjutnya diambil oleh mioglobin dan neuroglobin.

Meskipun zat besi memiliki banyak manfaat bagi manusia, kelebihan logam dapat menyebabkan tindakan toksik yang sangat serius, terutama pada hati, sistem kardiovaskular, dan pankreas; seperti kasus penyakit keturunan hemochromatosia.

Besi identik dengan konstruksi, kekuatan, dan perang. Di sisi lain, karena kelimpahannya, itu selalu menjadi alternatif untuk dipertimbangkan dalam hal pengembangan bahan baru, katalis, obat atau polimer; dan meskipun warna karatnya merah, ini adalah logam yang ramah lingkungan.

Sejarah

Jaman dahulu

Besi telah diproses selama ribuan tahun. Namun, sulit untuk menemukan benda-benda besi dari zaman kuno tersebut karena sifatnya yang rentan terhadap korosi, yang menyebabkan kehancurannya. Benda besi tertua yang diketahui terbuat dari yang ditemukan di dalam meteorit.

Begitulah kasus sejenis manik-manik yang dibuat pada 3500 SM, ditemukan di Gerzah, Mesir, dan belati yang ditemukan di makam Tutankhamun. Meteorit besi dicirikan dengan kandungan nikel yang tinggi, sehingga asalnya dapat diketahui pada benda-benda tersebut.

Bukti besi cor juga ditemukan di Asmar, Mesopotamia, dan Tail Chagar Bazaar, di Syria, dari 3000 hingga 2700 SM. Meskipun pengecoran besi dimulai pada Zaman Perunggu, butuh waktu berabad-abad untuk menggantikan perunggu.

Selain itu, artefak besi tuang ditemukan di India, 1800 hingga 1200 SM, dan di Levant, sekitar 1500 SM. Zaman Besi diperkirakan dimulai pada 1000 SM, karena biaya produksinya berkurang.

Itu muncul di Cina antara 700 dan 500 SM, mungkin diangkut melalui Asia Tengah. Benda besi pertama ditemukan di Luhe Jiangsu, China.

Eropa

Besi tempa diproduksi di Eropa melalui penggunaan yang disebut gala forges. Proses tersebut membutuhkan penggunaan batubara sebagai bahan bakar.

Tanur sembur abad pertengahan setinggi 3,0 m, terbuat dari batu bata tahan api dan udara dipasok oleh bellow manual. Pada 1709, Abraham Darby mendirikan tanur sembur kokas untuk menghasilkan besi cair, menggantikan arang.

Ketersediaan besi murah menjadi salah satu faktor penyebab terjadinya Revolusi Industri. Pada periode ini dimulailah pemurnian pig iron menjadi besi tempa, yang digunakan untuk membangun jembatan, kapal, gudang, dll.

Baja

Baja menggunakan konsentrasi karbon yang lebih tinggi daripada besi tempa. Baja diproduksi di Luristan, Persia, pada 1000 SM. Metode baru untuk memproduksi batang besi tanpa karbon telah ditemukan dalam Revolusi Industri, yang kemudian digunakan untuk memproduksi baja.

Pada akhir 1850-an, Henry Bessemer merancang hembusan udara ke pig iron cair untuk menghasilkan baja ringan, yang membuat produksi baja lebih ekonomis. Hal tersebut mengakibatkan penurunan produksi besi tempa.

Properti

Penampilan

Kilau metalik dengan semburat keabu-abuan.

Berat atom

55,845 u.

Nomor atom (Z)

26

Titik lebur

1.533 ºC

Titik didih

2.862 ºC

Massa jenis

-Suhu lingkungan: 7,874 g / mL.

-Titik leleh (cair): 6.980 g / mL.

Panas fusi

13,81 kJ / mol

Panas penguapan

340 kJ / mol

Kapasitas kalori molar

25,10 J / (mol K)

Energi ionisasi

-Tingkat ionisasi pertama: 762,5 kJ / mol (Fe ⁺ gas)

-Tingkat ionisasi kedua: 1.561,9 kJ / mol (Fe ²⁺ gas)

-Tingkat ionisasi ketiga: 2.957, kJ / mol (Fe ³⁺ gas)

Elektronegativitas

1,83 pada skala Pauling

Radio atom

126 empiris

Konduktivitas termal

80,4 W / (mK)

Resistivitas listrik

96,1 Ω · m (pada 20 ºC)

Titik curie

Sekitar 770 ° C. Pada suhu ini, besi tidak lagi bersifat feromagnetik.

Isotop

Isotop stabil: ⁵⁴ Fe, dengan kelimpahan 5,85%; ⁵⁶ Fe, dengan kelimpahan 91,75%; ⁵⁷ Fe, dengan kelimpahan 2,12%; dan ⁵⁷ Fe, dengan kelimpahan 0,28%. Karena ⁵⁶ Fe adalah isotop yang paling stabil dan melimpah, tidak mengherankan bahwa berat atom besi sangat mendekati 56 u.

Sedangkan isotop radioaktifnya adalah: ⁵⁵ Fe, ⁵⁹ Fe dan ⁶⁰ Fe.

Struktur dan konfigurasi elektronik

-Alropa

Besi pada suhu kamar mengkristal dalam struktur kubik berpusat tubuh (bcc), yang juga dikenal sebagai α-Fe atau ferit (dalam jargon metalurgi). Karena dapat mengadopsi struktur kristal yang berbeda sebagai fungsi suhu dan tekanan, besi dikatakan sebagai logam alotropik.

Alotrop bcc adalah besi biasa (feromagnetik), yang sangat dikenal orang dan tertarik pada magnet. Ketika dipanaskan di atas 771 ºC, ia menjadi paramagnetik, dan meskipun kristalnya hanya mengembang, "fase baru" ini sebelumnya dianggap sebagai β-Fe. Alotrop besi lainnya juga bersifat paramagnetik.

Antara 910ºC dan 1,394ºC, besi ditemukan sebagai austenit atau alotrop γ-Fe, yang strukturnya kubik berpusat muka, fcc. Konversi antara austenit dan ferit berdampak besar pada pembuatan baja; karena atom karbon lebih larut dalam austenit daripada di ferit.

Dan kemudian, di atas 1394 ºC sampai titik lelehnya (1538 ºC), besi kembali mengadopsi struktur bcc, δ-Fe; tetapi tidak seperti ferit, alotrop ini bersifat paramagnetik.

Besi epsilon

Dengan meningkatkan tekanan hingga 10 GPa, pada suhu beberapa ratus derajat celcius, alotrop α atau ferit berevolusi menjadi alotrop ε, epsilon, yang ditandai dengan pengkristalan dalam struktur heksagonal kompak; yaitu, dengan atom Fe paling kompak. Ini adalah bentuk alotropik keempat dari besi.

Beberapa penelitian berteori tentang kemungkinan adanya alotrop besi lain di bawah tekanan seperti itu, tetapi pada suhu yang lebih tinggi.

-Tautan logam

Terlepas dari alotrop besi dan suhu yang "mengguncang" atom Fe-nya, atau tekanan yang memadatkannya, mereka berinteraksi satu sama lain dengan elektron valensi yang sama; Ini adalah, yang ditampilkan dalam konfigurasi elektroniknya:

3d ⁶ 4s ²

Oleh karena itu, terdapat delapan elektron yang berpartisipasi dalam ikatan logam, baik itu melemah atau diperkuat selama transisi alotropik. Demikian pula, delapan elektron inilah yang menentukan sifat-sifat besi seperti konduktivitas termal atau listriknya.

Nomor -Oksidasi

Bilangan oksidasi terpenting (dan umum) untuk besi adalah +2 (Fe ²⁺ ) dan +3 (Fe ³⁺ ). Faktanya, nomenklatur konvensional hanya mempertimbangkan dua angka atau status ini. Namun, ada senyawa di mana besi dapat memperoleh atau kehilangan sejumlah elektron; Artinya, keberadaan kation lain diasumsikan.

Misalnya, besi juga dapat memiliki bilangan oksidasi +1 (Fe ⁺ ), +4 (Fe ⁴⁺ ), +5 (Fe ⁵⁺ ), +6 (Fe ⁶⁺ ) dan +7 (Fe ^{7 +} ). Spesies ferrat anionik, FeO ₄ ^2- , memiliki besi dengan bilangan oksidasi +6, karena empat atom oksigen telah mengoksidasi sedemikian rupa.

Demikian pula, besi dapat memiliki bilangan oksidasi negatif; seperti: -4 (Fe ^4- ), -2 (Fe ^2- ) dan -1 (Fe ^- ). Namun, senyawa dengan pusat besi dengan perolehan elektron ini sangat jarang. Itulah sebabnya, meskipun dalam hal ini melebihi mangan, mangan membentuk senyawa yang jauh lebih stabil dengan kisaran bilangan oksidasi.

Hasilnya, untuk tujuan praktis, cukup mempertimbangkan Fe ²⁺ atau Fe ³⁺ ; kation lain dicadangkan untuk ion atau senyawa yang agak spesifik.

Bagaimana cara mendapatkannya?

Ornamen baja, paduan besi terpenting. Sumber: Pxhere.

Koleksi bahan baku

Kita harus melanjutkan ke lokasi bijih mineral yang paling tepat untuk penambangan besi. Mineral yang paling banyak digunakan untuk memperolehnya adalah sebagai berikut: hematit (Fe ₂ O ₃ ), magnetit (Fe ₃ O ₄ ), limonit (FeO · OH · nH ₂ O) dan siderit (FeCO ₃ ).

Kemudian langkah pertama dalam ekstraksi adalah mengumpulkan batuan dengan bijih besi. Batuan ini dihancurkan untuk dipecah menjadi potongan-potongan kecil. Selanjutnya dilakukan tahapan pemilihan fragmen batuan dengan bijih besi.

Dua strategi diikuti dalam pemilihan: penggunaan medan magnet dan sedimentasi di air. Fragmen batuan terkena medan magnet dan fragmen mineral berorientasi di dalamnya, sehingga dapat dipisahkan.

Cara kedua, pecahan batuan dibuang ke dalam air dan yang mengandung besi, karena lebih berat, mengendap di dasar air, meninggalkan gangue di bagian atas air karena lebih ringan.

Tanur tinggi

Tanur sembur tempat baja diproduksi. Sumber: Pixabay.

Bijih besi diangkut ke tanur sembur, di mana mereka dibuang bersama dengan batubara kokas, yang berperan sebagai pemasok bahan bakar dan karbon. Selain itu, ditambahkan batugamping atau batugamping, yang memenuhi fungsi fluks.

Tanur sembur, dengan campuran sebelumnya, diinjeksikan udara panas pada suhu 1.000 ºC. Besi dilebur oleh pembakaran batu bara yang membawa suhu menjadi 1.800 ºC. Setelah cair, ini disebut besi kasar, yang terakumulasi di bagian bawah oven.

Besi kasar dikeluarkan dari tungku dan dituangkan ke dalam wadah untuk diangkut ke pengecoran baru; sedangkan slag, suatu pengotor yang terletak di permukaan pig iron, dibuang.

Besi kasar dituangkan melalui penggunaan sendok ke dalam tungku konverter, bersama dengan batu kapur sebagai fluks, dan oksigen dimasukkan pada suhu tinggi. Dengan demikian, kandungan karbon berkurang, pig iron disuling untuk diubah menjadi baja.

Selanjutnya, baja dilewatkan melalui tungku listrik untuk produksi baja khusus.

Aplikasi

-Setrika logam

Jembatan besi di Inggris, salah satu dari sekian banyak konstruksi yang dibuat dengan besi atau paduannya. Sumber: Tidak ada penulis yang dapat dibaca mesin. Jasonjsmith diasumsikan (berdasarkan klaim hak cipta).

Karena ini adalah logam berbiaya rendah, mudah dibentuk, dan ulet yang telah menjadi tahan terhadap korosi, logam ini telah menjadi logam yang paling berguna bagi manusia, dalam berbagai bentuknya: ditempa, ditempa, dan baja dari berbagai jenis.

Besi digunakan untuk konstruksi:

-Bridges

-Dasar untuk bangunan

-Pintu dan jendela

-Lambung perahu

-Alat yang berbeda

-Pipa untuk air minum

-Tabung untuk mengumpulkan air limbah

-Perabot untuk taman

-Grille untuk keamanan rumah

Ini juga digunakan dalam produksi peralatan rumah tangga, seperti panci, wajan, pisau, garpu. Selain itu, digunakan dalam pembuatan lemari es, kompor, mesin cuci, mesin pencuci piring, blender, oven, pemanggang roti.

Singkatnya, besi hadir di semua benda yang mengelilingi manusia.

Nanopartikel

Besi logam juga dibuat sebagai partikel nano, yang sangat reaktif dan mempertahankan sifat magnetik padatan makroskopis.

Bidang Fe ini (dan beberapa morfologi tambahannya) digunakan untuk memurnikan air dari senyawa organoklorin, dan sebagai pembawa obat yang dikirim ke beberapa bagian tubuh melalui penerapan medan magnet.

Mereka juga dapat berfungsi sebagai pendukung katalitik dalam reaksi di mana ikatan karbon, CC, diputus.

Senyawa besi

Oksida

Ferrous oxide, FeO, digunakan sebagai pigmen untuk kristal. Ferric oxide, Fe ₂ O ₃ , adalah dasar dari sejumlah pigmen mulai dari kuning hingga merah, yang dikenal sebagai merah Venesia. Bentuk merah, yang disebut rouge, digunakan untuk memoles logam mulia dan berlian.

Ferro-ferric oxide, Fe ₃ O ₄ , digunakan dalam ferit, zat dengan aksesibilitas magnetis tinggi dan resistivitas listrik, dapat digunakan dalam memori komputer tertentu dan dalam pelapisan pita magnetik. Ini juga telah digunakan sebagai pigmen dan agen pemoles.

Sulfat

Ferrous sulfate heptahydrate, FeSO ₄ · 7H ₂ O, adalah bentuk paling umum dari ferrous sulfate, yang dikenal sebagai vitriol hijau atau coppera. Ini digunakan sebagai agen pereduksi dan dalam pembuatan tinta, pupuk dan pestisida. Ia juga digunakan dalam elektroplating besi.

Ferric sulfate, Fe ₂ (SO ₄ ) ₃ , digunakan untuk memperoleh besi tawas dan senyawa besi lainnya. Ini berfungsi sebagai koagulan dalam pemurnian air limbah, dan sebagai mordan dalam pewarnaan tekstil.

Klorida

Ferrous chloride, FeCl ₂ , digunakan sebagai mordan dan reduktor. Sedangkan besi klorida, FeCl ₃ , digunakan sebagai klorinasi logam (perak dan tembaga) dan beberapa senyawa organik.

Perlakuan Fe ³⁺ dengan ion hexocyanoferrate ^-4 menghasilkan endapan biru, yang disebut biru Prusia, digunakan dalam cat dan pernis.

Makanan zat besi

Kerang adalah makanan yang kaya akan zat besi. Sumber: Pxhere.

Secara umum, dianjurkan asupan zat besi 18 mg / hari. Di antara makanan yang menyediakannya dalam makanan sehari-hari adalah sebagai berikut:

Kerang menyediakan zat besi dalam bentuk heme, sehingga tidak ada hambatan dalam penyerapannya di usus. Kerang menyediakan hingga 28 mg zat besi per 100 g-nya; Oleh karena itu, jumlah kerang ini cukup untuk memenuhi kebutuhan zat besi harian.

Bayam mengandung 3,6 mg zat besi per 100 g. Daging organ sapi, misalnya hati sapi, mengandung 6,5 mg zat besi per 100 g. Kontribusi sosis darah cenderung lebih tinggi. Sosis darah terdiri dari bagian-bagian usus kecil, diisi dengan darah sapi.

Kacang-kacangan, seperti lentil, mengandung 6,6 mg zat besi per 198 g. Daging merah mengandung 2,7 mg zat besi per 100 g. Biji labu mengandung 4,2 mg per 28 g. Quinoa mengandung 2,8 mg zat besi per 185 g. Daging kalkun gelap mengandung 2,3 mg per 100 g. Brokoli mengandung 2,3 mg per 156 mg.

Tahu mengandung 3,6 mg per 126 g. Sedangkan dark chocolate mengandung 3,3 mg per 28 g.

Peran biologis

Fungsi yang dipenuhi zat besi, terutama pada makhluk hidup vertebrata, tidak terhitung banyaknya. Diperkirakan lebih dari 300 enzim membutuhkan zat besi untuk fungsinya. Di antara enzim dan protein yang menggunakannya, berikut ini dinamai:

-Protein yang memiliki golongan heme dan tidak memiliki aktivitas enzimatis: hemoglobin, mioglobin dan neuroglobin.

-Enzim dengan gugus heme yang terlibat dalam transpor elektron: sitokrom a, b, dan f, dan aktivitas sitokrom oksidase dan / atau oksidase; sulfit oksidase, sitokrom P450 oksidase, myeloperoksidase, peroksidase, katalase, dll.

-Protein yang mengandung besi-belerang, terkait dengan aktivitas oksreduktase, terlibat dalam produksi energi: suksinat dehidrogenase, isositrat dehidrogenase dan aconitase, atau enzim yang terlibat dengan replikasi dan perbaikan DNA: DNA-polimerase dan DNA-heliklas.

Enzim -Non-heme yang menggunakan besi sebagai kofaktor untuk aktivitas katalitiknya: fenilalanin hidrolase, tirosin hidrolase, hidrolase triptofan dan hidrolase lisin.

-Protein non-heme yang bertanggung jawab untuk pengangkutan dan penyimpanan zat besi: feritin, transferin, haptoglobin, dll.

Resiko

Toksisitas

Risiko paparan zat besi berlebih bisa bersifat akut atau kronis. Salah satu penyebab keracunan zat besi akut dapat berupa asupan tablet zat besi yang berlebihan, dalam bentuk glukonat, fumarat, dll.

Zat besi dapat menyebabkan iritasi pada mukosa usus, ketidaknyamanan yang terwujud segera setelah konsumsi dan menghilang setelah 6 hingga 12 jam. Besi yang diserap disimpan di berbagai organ. Akumulasi ini dapat menyebabkan gangguan metabolisme.

Jika jumlah zat besi yang tertelan beracun, dapat menyebabkan perforasi usus dengan peritonitis.

Dalam sistem kardiovaskular, menghasilkan hipovolemia yang dapat disebabkan oleh perdarahan gastrointestinal, dan pelepasan zat vasoaktif oleh zat besi, seperti serotonin dan histamin. Akhirnya, nekrosis besar-besaran pada hati dan gagal hati dapat terjadi.

Hemochromatosia

Hemochromatosia adalah penyakit keturunan yang menunjukkan perubahan dalam mekanisme regulasi zat besi tubuh, yang dimanifestasikan dalam peningkatan konsentrasi zat besi dalam darah dan penumpukannya di berbagai organ; termasuk hati, jantung dan pankreas.

Gejala awal penyakit ini adalah sebagai berikut: nyeri sendi, sakit perut, kelelahan dan kelemahan. Dengan gejala dan tanda penyakit berikut: diabetes, kehilangan gairah seksual, impotensi, gagal jantung dan gagal hati.

Hemosiderosis

Hemosiderosis ditandai, seperti yang tersirat dari namanya, dengan akumulasi hemosiderin di jaringan. Ini tidak menyebabkan kerusakan jaringan, tetapi dapat berkembang menjadi kerusakan yang mirip dengan yang terlihat pada hemochromatosia.

Hemosiderosis dapat disebabkan oleh penyebab berikut: peningkatan penyerapan zat besi dari makanan, anemia hemolitik yang melepaskan zat besi dari sel darah merah, dan transfusi darah yang berlebihan.

Hemosiderosis dan hemochromatosia bisa jadi karena fungsi hormon hepcidin yang tidak memadai, hormon yang disekresikan oleh hati yang terlibat dalam pengaturan zat besi tubuh.

Referensi

1. Menggigil & Atkins. (2008). Kimia anorganik. (Edisi keempat). Mc Graw Hill.
2. Foist L. (2019). Alotrop Besi: Jenis, Kepadatan, Kegunaan & Fakta. Belajar. Diperoleh dari: study.com
3. Jayanti S. (nd). Alotropi Besi: Termodinamika dan Struktur Kristal. Metalurgi. Diperoleh dari: engineeringenotes.com
4. Nanoshel. (2018). Besi nano power. Diperoleh dari: nanoshel.com
5. Wikipedia. (2019). Besi. Dipulihkan dari: en.wikipedia.org
6. Sejarah Shropshire. (sf). Sifat besi. Diperoleh dari: shropshirehistory.com
7. Dr Dough Stewart. (2019). Fakta unsur besi. Diperoleh dari: chemicool.com
8. Franziska Spritzler. (2018, 18 Juli). 11 makanan sehat kaya zat besi. Diperoleh dari: healthline.com
9. Lenntech. (2019). Tabel periodik: Besi. Diperoleh dari: lenntech.com
10. Editor Encyclopaedia Britannica. (13 Juni 2019). Besi. Encyclopædia Britannica. Diperoleh dari: britannica.com