profil besi

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.      1. Pada suhu kamar berwujud padat, mengkilap dan berwarna keabuabuan.

2.      2. Merupakan logam feromagnetik karena memiliki empat electron tidak berpasangan pada orbital d.

3.      3. Penghantar panas yang baik.

4.      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.      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.   1. Unsur besi  bersifat elektropositif (mudah melepaskan elektron) sehingga bilangan oksidasinya bertanda positif. 

2.    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.      3. Logam murni besi sangat reaktif secara kimiawi dan mudah terkorosi, khususnya di udara yang lembab atau ketika terdapat peningkatan suhu.

4.      4. Memiliki bentuk allotroik ferit, yakni alfa, beta, gamma dan omega dengansuhu transisi 700, 928, dan 1530^oC. Bentuk alfa bersifat magnetik, tapi ketika berubah menjadi beta, sifat magnetnya menghilang meski pola geometris molekul tidak berubah.

5.      5. Mudah bereaksi dengan unsur-unsur non logam seperti halogen, sulfur, pospor, boron, karbon dan silikon.

6.      6. Larut dalam asam- asam mineral encer.

7.      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.      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 yangmengandung Fe.

2.      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.

Gambar proses pengolahan bijih besi

D. SENYAWA- SENYAWA BESI 

         1. 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 besibiasanya memberikan warnayang khas.

-Garam-garam terhidrat dengan anion biasanya mengandung [M(H2O)6]^2-,  contoh FeF2.8H2O.

3. Tingkat Oksidasi 3

  Contoh senyawa klorida, bromida, iodida dari besi yangbersifat kovalen,          sedangkan senyawa oksidanya, seperti Fe₂O₃ bersifat ionic.

4.         4. Tingkat Oksidasi 4

      umumnya dikenal sebagai komplek fluoro, dananion okso.

5            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.

1.      *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.

2.      *Pelumuran dengan Oli atau Gemuk.

Cara ini diterapkan untuk berbagai perkakas dan mesin. Oli dan gemuk mencegah kontak dengan air.

3.     * Pembalutan dengan Plastik.

Berbagai macam barang, misalnya rak piring dan keranjang sepeda dibalut dengan plastik. Plastik mencegah kontak dengan udara dan air.

4.      *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.

5.            * 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.

6.      *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.

7.      *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.