PENDAHULUAN
Besi mempunyai simbol Fe dan nomor
atom 26. Besi merupakan logam transisi yang berada pada golongan VIII B dan
periode 4. Besi adalah logam paling melimpah nomor dua setelah alumunium. Besi
adalah logam yang dihasilkan dari bijih besi, dan jarang dijumpai dalam keadaan
unsur bebas.
Besi adalah logam yang berasal dari
bijih besi (tambang) yang banyak digunakan untuk kehidupan manusia sehari-hari.
Besi juga mempunyai nilai ekonomis yang tinggi. Besi adalah logam yang paling
banyak dan paling beragam penggunaannya. Hal itu karena beberapa hal,
diantaranya:
1. Kelimpahan besi di kulit bumi cukup
besar
2. Pengolahannya relatif mudah dan
murah, dan
3. Besi mempunyai sifat-sifat yang
menguntungkan dan mudah dimodifikasi.
A. KELIMPAHAN
Besi merupakan unsur yang ditemukan
berlimpah di alam. Juga ditemukan dalam matahari dan bintang lainnya dalam
jumlah yang seadanya. Inti bumi diyakini mayoritas unsur penyusunnya adalah
besi dan nikel. Besi juga diketahui sebagai unsur yang paling banyak membentuk
bumi, yaitu kira-kira 4,7 - 5 % pada kerak bumi.
Kebanyakan besi terdapat dalam batuan
dan tanah sebagai oksida besi, seperti oksida besi magnetit (Fe3O4) mengandung
besi 65 %, hematite (Fe2O3) mengandung 60 – 75 % besi, limonet (Fe2O3 . H2O)
mengandung besi 20 % dan siderit (Fe2CO3). Dalam kehidupan, besi merupakan
logam paling biasa digunakan dari pada logam-logam yang lain. Hal ini
disebabkan karena harga yang murah dan kekuatannya yang baik serta
penggunaannya yang luas. Bijih besi yang
umum adalah hematit, yang sering terlihat sebagai pasir hitam sepanjang pantai
dan muara aliran.
Besi merupakan campuran dari 4 isotop
stabil yaitu 54Fe, 56Fe, 57Fe and 58Fe. Kelimpahan semua isotop-isotop Fe di
alam adalah 54Fe (5.8%), 56Fe (91.7%), 57Fe (2.2%) dan 58Fe (0.3%). 60Fe adalah
radioaktif yang mempunyai waktu paruh yang panjang (1.5 juta tahun). Ada pula
sepuluh isotop lainnya yang tidak stabil.
B.
SIFAT – SIFAT
Sifat Fisika
1. Pada suhu kamar berwujud padat,
mengkilap dan berwarna keabuabuan.
2. Merupakan logam feromagnetik karena
memiliki empat electron tidak berpasangan pada orbital d.
3. Penghantar panas yang baik.
4. Kation logam besi Fe berwarna hijau
(Fe2+) dan jingga (Fe3+). Hal ini disebabkan oleh adanya elektron tidak
berpasangan dan tingkat energi orbital tidak berbeda jauh. Akibatnya, elektron
mudah tereksitasi ke tingkat energi lebih tinggi menimbulkan warna tertentu.
Jika senyawa transisi baik padat maupun larutannya tersinari cahaya maka
senyawa transisi akan menyerap cahaya pada frekuensi tertentu, sedangkan
frekuensi lainnya diteruskan. Cahaya yang diserap akan mengeksitasi elektron ke
tingkat energi lebih tinggi dan cahaya yang diteruskan menunjukkan warna
senyawa transisi pada keadaan tereksitasi.
5. Sifat – sifat besi yang lain:
titik didih
3134 K
titik lebur
1811 K
massa atom
55,845(2) g/mol
konfigurasi
electron
[Ar] 3d6 4s2
massa jenis fase
padat
7,86 g/cm³
massa jenis fase
cair pada titik lebur
6,98 g/cm³
kalor peleburan
13,81 kJ/mol
kalor penguapan
340 kJ/mol
Elektronegativitas
1,83 (skala
Pauling)
jari-jari atom
140 pm
Besi merupakan unsur transisi yang
mempunyai sifat logam sebagaimana semua unsur transisi lainnya. Sifat logam ini
dipengaruhi oleh kemudahan unsur tersebut untuk melepas elektron valensi.
Selain itu, keberadaan electron pada blok d yang belum penuh menyebabkan unsur
Fe memiliki banyak elektron tidak berpasangan. Elektron- elektron tidak
berpasangan tersebut akan bergerak bebas pada kisi kristalnya sehingga membentuk
ikatan logam yang lebih kuat dibandingkan dengan unsur golongan utama. Adanya
ikatan logam ini menyebabkan titik leleh dan titik didih serta densitas unsur
Fe cukup besar sehingga bersifat keras dan kuat.
Pergerakan elektron- elektron yang
tidak berpasangan pada kisi kristal juga menyebabkan logam besi bersifat
konduktor atau penghantar panas yang baik. Apabila logam besi diberikan kalor
atau panas, energy kinetik elektron akan meningkat. Dengan demikian, elektron
memindahkan energinya ke elektron yang lain sehingga panas merambat ke seluruh
bagian logam besi tersebut.
Sifat Kimia
1.
Unsur besi bersifat elektropositif (mudah melepaskan
elektron) sehingga bilangan oksidasinya bertanda positif.
2.
Fe dapat memiliki biloks 2,
3, 4, dan 6. Hal ini disebabkan karena perbedaan energy elektron pada subkulit
4s dan 3d cukup kecil, sehingga elektron pada subkulit 3d juga terlepas ketika
terjadi ionisasi selain electron pada subkulit 4s.
3.
Logam murni besi sangat
reaktif secara kimiawi dan mudah terkorosi, khususnya di udara yang lembab atau
ketika terdapat peningkatan suhu.
4.
Memiliki bentuk allotroik
ferit, yakni alfa, beta, gamma dan omega dengan suhu transisi 700, 928, dan
1530oC. Bentuk alfa bersifat magnetik, tapi ketika berubah menjadi beta, sifat
magnetnya menghilang meski pola geometris molekul tidak berubah.
5.
Mudah bereaksi dengan
unsur-unsur non logam seperti halogen, sulfur, pospor, boron, karbon dan
silikon.
6.
Larut dalam asam- asam
mineral encer.
7. Oksidanya bersifat amfoter.
C.
PEMBUATAN BESI
Bijih besi adalah bahan baku utama
untuk pembuatan besi kasar, sedangkan besi kasar tersebut adalah bahan baku
untuk pembuatan besi tempa, besi tuang dan baja. Bijih besi didapat dari hasil
penambangan bijih besi. Sedangkan bahan-bahan lain yang bercampur dengan bijih
tersebut selain kotoran yang merugikan antara lain belerang ,pospor silika ,
tanah liat juga ada kotoran yang menguntungkan antara lain emas, platina,
perak. Bijih besi yang umum dijumpai yaitu : Haematit (Fe2O3), Magnetit
(Fe3O4), Pyrities (FeS2), Limonite (2Fe2O3.3H2O), Siderite (FeCO3). Beberapa
cara pembuatan besi antara lain:
1.
Dalam industri, besi
dihasilkan dari bijih, kebanyakan hematit (Fe2O3), melalui reduksi oleh karbon
pada suhu 20000C.
2 C + O2 → 2 CO
3 CO + Fe2O3 → 2 Fe + 3 CO2
Besi yang dihasilkan dapat digunakan
dalam sintesis senyawa-senyawa yang mengandung Fe.
2.
Melalui proses
Pirometalurgi Besi
Sejumlah besar proses metalurgi
menggunakan suhu tinggi untuk mengubah bijih logam menjadi logam bebas dengan
cara reduksi. Penggunaan kalor untuk proses reduksi disebut pirometalurgi.
Pirometalurgi diterapkan dalam pengolahan bijih besi. Reduksi besi oksida
dilakukan dalam tanur sembur (blast furnace), yang merupakan reaktor kimia dan
beroperasi secara terus-menerus. Campuran material (bijih besi, kokas, dan
kapur) dimasukkan ke dalam tanur melalui puncak tanur. Kokas berperan sebagai
bahan bakar dan sebagai reduktor. Batu kapur berfungsi sebagai sumber oksida untuk
mengikat pengotor yang bersifat asam. Udara panas yang mengandung oksigen
disemburkan ke dalam tanur dari bagian bawah untuk membakar kokas. Di dalam
tanur, oksigen bereaksi dengan kokas membentuk gas CO.
2C(s) + O2(g) → 2CO(g) ΔH = –221 kJ
Reaksinya melepaskan kalor hingga suhu
tanur sekitar 2.300°C. Udara panas juga mengandung uap air yang turut masuk ke
dalam tanur dan bereaksi dengan kokas membentuk gas CO dan gas H2.
C(s) + H2O(g) → CO(g) + H2(g) ΔH =
+131 kJ
Reaksi kokas dan oksigen bersifat
eksoterm, Kalor yang dilepaskan dipakai untuk memanaskan tanur, sedangkan
reaksi dengan uap air bersifat endoterm. Oleh karena itu, uap air berguna untuk
mengendalikan suhu tanur agar tidak terlalu tinggi (1.900°C). Pada bagian atas
tanur ( 1.000°C), bijih besi direduksi oleh gas CO dan H2 (hasil reaksi udara
panas dan kokas) membentuk besi tuang. Persamaan reaksinya:
Fe3O4(s) + 4CO(g) → 3Fe(l) + 4CO2(g)
ΔH = –15 kJ
Fe3O4(s) + 4H2(g) → 3Fe(l) + 4H2O(g)
ΔH = +150 kJ
Batu kapur yang ditambahkan ke dalam
tanur, pada 1.000oC terurai menjadi kapur tohor. Kapur ini bekerja mereduksi
pengotor yang ada dalam bijih besi, seperti pasir atau oksida fosfor.
CaCO3(s) ⎯Δ⎯→ CaO(l) + CO2(g)
CaO(l) + SiO2(l) →CaSiO3(l)
CaO(l) + P2O5(l) →Ca3(PO4)2(l)
Gas CO2 yang dihasilkan dari
penguraian batu kapur pada bagian bawah tanur (sekitar 1.900°C) direduksi oleh
kokas membentuk gas CO. Persamaan reaksinya:
CO2(g) + C(s) → CO(g) ΔH = +173 kJ
Oleh karena bersifat endoterm, panas
di sekitarnya diserap hingga mencapai suhu ± 1.500°C. Besi tuang hasil olahan
berkumpul di bagian dasar tanur, bersama-sama terak (pengotor). Oleh karena
terak lebih ringan dari besi tuang, terak mengapung di atas besi tuang dan
mudah dipisahkan, juga dapat melindungi besi tuang dari oksidasi.
D.
SENYAWA- SENYAWA BESI
Tingkat oksidasi < 2
Umumnya membentuk senyawa-senyawa
dengan ligan-ligan :
Berinteraksi dengan hidrogen dengan
ikatan M-HContoh : H2Fe(PF3)4.
2.Tingkat Oksidasi 2
Biasanya membentuk senyawaan biner
dengan sifat :
-Biasanya bersifat ionik
-Oksidanya (contoh : FeO), bersifat
basa
-Mampu membentuk kompleks Aquo, dengan
jalan mereaksikan logam,oksida, karbonat dalam larutan asam dan melalui reduksi
katalitik. Kompleks aquo dari logam besi biasanya memberikan warnayang khas.
-Garam-garam terhidrat dengan anion
biasanya mengandung [M(H2O)6]2-, contoh
FeF2.8H2O.
Tingkat Oksidasi 3
Contoh senyawa klorida, bromida,
iodida dari besi yang bersifat kovalen,
sedangkan senyawa oksidanya, seperti Fe2O3 bersifat ionic.
4. Tingkat Oksidasi 4
umumnya dikenal sebagai komplek
fluoro, dananion okso.
5.
Tingkat Oksidasi ≥5
Dikenal dalamkompleks flouro, amin
okso, misalnya : CrF5, dan K2FeO4yang semuanya merupakan zat pengoksidasi yang
kuat.
E.
MANFAAT BESI
Besi merupakan logam paling biasa
digunakan di antara semua logam, yaitu mengandung 95% dari semua logam yang
dihasilkan di seluruh dunia. Besi amat diperlukan, terutama dalam penggunaan
seperti: Rel kereta, Perabotan, Alat-alat pertukangan, Alat transportasi,
peralatan perang, peralatan mesin, tiang listrik, penangkal petir, pipa
saluran,rumah/ gedung menggunakan besi baja sebagai tiang-tiang penahannya, dan
Badan kapal untuk kapal besar.
Manfaat besi ternyata tidak terbatas
sebagai bahan pembuatan perlengkapan yang sangat membantu kehidupan manusia,
tetapi besi juga memainkan peranan yang istimewa dalam daur kehidupan organisme
hidup. Besi merupakan salah satu mikronutrien penting bagi makhluk hidup. Besi
sebagian besar terikat dengan stabil dalam logam protein (metalloprotein),
karena besi dalam keadaan bebas dapat menyebabkan terbentuknya radikal bebas
yang bersifat toksik pada sel. Besi adalah penyusun utama kelangsungan makhluk
hidup dan bekerja sebagai pembawa oksigen dalam hemoglobin. FeSO4 digunakan sebagai
sumber mineral besi untuk terapidefisiensi/kekurangan zat besi dan digunakan
untuk membuat tinta bubuk. Fe3SO4 digunakan untuk pewarnaan tekstil dan
pengetesan aluminium.
F.
KOROSI BESI
Salah satu kelemahan besi adalah mudah
mengalami korosi. Korosi menimbulkan banyak kerugian karena mengurangi umur
pakai berbagai barang atau bangunan yang menggunakan besi atau baja. Sebenarnya
korosi dapat dicegah dengan mengubah besi menjadi baja tahan karat (stainless
steel), akan tetapi proses ini terlalu mahal untuk kebanyakan penggunaan besi.
Korosi besi memerlukan oksigen dan
air. Berbagai jenis logam contohnya Zink dan Magnesium dapat melindungi besi
dari korosi. Cara-cara pencegahan korosi besi yang akan dibahas berikut ini
didasarkan pada dua sifat tersebut.
*Pengecatan.
Jembatan, pagar, dan railing biasanya
dicat. Cat menghindarkan kontak dengan udara dan air. Cat yang mengandung
timbel dan zink (seng) akan lebih baik, karena keduanya melindungi besi
terhadap korosi.
*Pelumuran dengan Oli atau Gemuk.
Cara ini diterapkan untuk berbagai
perkakas dan mesin. Oli dan gemuk mencegah kontak dengan air.
* Pembalutan dengan Plastik.
Berbagai macam barang, misalnya rak
piring dan keranjang sepeda dibalut dengan plastik. Plastik mencegah kontak
dengan udara dan air.
*Tin Plating (pelapisan dengan timah).
Kaleng-kaleng kemasan terbuat dari
besi yang dilapisi dengan timah. Pelapisan dilakukan secara elektrolisis, yang
disebut tin plating. Timah tergolong logam yang tahan karat. Akan tetapi,
lapisan timah hanya melindungi besi selama lapisan itu utuh (tanpa cacat).
Apabila lapisan timah ada yang rusak, misalnya tergores, maka timah justru
mendorong/mempercepat korosi besi. Hal itu terjadi karena potensial reduksi
besi lebih negatif daripada timah. Oleh karena itu, besi yang dilapisi dengan
timah akan membentuk suatu sel elektrokimia dengan besi sebagai anode. Dengan
demikian, timah mendorong korosi besi. Akan tetapi hal ini justru yang
diharapkan, sehingga kaleng-kaleng bekas cepat hancur.
* Galvanisasi (pelapisan dengan Zink).
Pipa besi, tiang telepon dan berbagai
barang lain dilapisi dengan zink. Berbeda dengan timah, zink dapat melindungi
besi dari korosi sekalipun lapisannya tidak utuh. Hal ini terjadi karena suatu
mekanisme yang disebut perlindungan katode. Oleh karena potensial reduksi besi
lebih positif daripada zink, maka besi yang kontak dengan zink akan membentuk
sel elektrokimia dengan besi sebagai katode. Dengan demikian besi terlindungi
dan zink yang mengalami oksidasi (berkarat). Badan mobil-mobil baru pada
umumnya telah digalvanisasi, sehingga tahan karat.
*Cromium Plating (pelapisan dengan
kromium). Besi atau baja juga dapat dilapisi dengan kromium untuk memberi
lapisan pelindung yang mengkilap, misalnya untuk bumper mobil. Cromium plating
juga dilakukan dengan elektrolisis. Sama seperti zink, kromium dapat memberi
perlindungan sekalipun lapisan kromium itu ada yang rusak.
*Sacrificial
Protection (pengorbanan anode).
Magnesium adalah logam yang jauh lebih aktif (berarti lebih mudah berkarat)
daripada besi. Jika logam magnesium dikontakkan dengan besi, maka magnesium itu
akan berkarat tetapi besi tidak. Cara ini digunakan untuk melindungi pipa baja
yang ditanam dalam tanah atau badan kapal laut. Secara periodik, batang
magnesium harus diganti.
Besi merupakan salah satu unsur paling
banyak di Bumi, membentuk 5% daripada kerak Bumi. Kebanyakan besi ini hadir
dalam berbagai jenis oksida besi, seperti bahan galian hematit Fe2O3, magnetit
, dan takonit. Dalam perindustrian, besi dihasilkan daripada bijih,
kebanyakannya hematit (sedikit Fe2O3) dan magnetit (Fe3O4), melalui penurunan
oleh karbon pada suhu sekitar 2000°C.
0 komentar :