Mengapa bintang mati saat mencapai besi?
Sebuah bintang bersinar karena peleburan inti melepaskan energi dan energi itu menghasilkan tekanan yang melawan gravitasi. Prosesnya maju bertahap: hidrogen menjadi helium, helium menjadi karbon, karbon menjadi oksigen dan neon, dan seterusnya menuju unsur yang makin berat.
Energi yang tersedia pada setiap tahap bergantung pada energi ikat per nukleon, yang naik dengan nomor atom sampai satu puncak lalu turun. Puncak itu ada pada nikel 62, dengan besi 56 sangat dekat.
Melebur dua inti di bawah besi melepaskan energi. Melebur besi menghabiskannya. Ketika inti bintang masif telah berubah menjadi besi, sumber energinya padam seketika.
Yang menyusul terjadi dalam waktu kurang dari satu detik. Tanpa tekanan yang menyangganya, materi jatuh ke pusat dengan kecepatan sebagian berarti dari kecepatan cahaya. Intinya termampat sampai kerapatan inti, memantul, dan gelombang kejut yang timbul merobek bintangnya: itulah supernova tipe II.
Dalam ledakan itu, banjir neutron yang dahsyat menyintesis dalam hitungan detik unsur-unsur yang lebih berat daripada besi, yang tidak dapat terbentuk lewat peleburan biasa. Emas dan uranium Bumi berasal dari peristiwa semacam itu.
Apa yang membedakan besi dari baja?
Karbon, dan jumlahnya yang tepat.
Besi murni ternyata lunak: ia tergores koin tembaga dan berubah bentuk dengan mudah. Ia hampir tidak dipakai sebagai bahan struktur.
Baja mengandung antara 0,02 dan 2 % karbon. Atom karbon, yang jauh lebih kecil daripada atom besi, menempati rongga dalam kisi kristal dan menghalangi pergelinciran bidang atom. Halangan itulah kekuatan mekaniknya.
Besi tuang melampaui 2 % sampai 4 %. Kelebihan karbon membentuk grafit atau sementit dalam jumlah yang cukup untuk membuat bahannya rapuh, tetapi juga menurunkan titik leburnya dan memperbaiki kemampuan alirnya: ia mudah dicetak, tidak ditempa.
Tanur tiup menghasilkan besi kasar dengan 4 % karbon. Mengubahnya menjadi baja berarti membakar kelebihannya dengan menghembuskan oksigen murni ke logam cair, dalam konverter oksigen dasar. Reaksinya eksotermik dan tidak memerlukan bahan bakar tambahan.
Yang menjadikan baja unik adalah mikrostrukturnya bergantung pada perlakuan panas. Mendinginkannya cepat dari suhu tinggi memerangkap karbon dalam fase tertekan yang disebut martensit, keras dan rapuh; memanaskannya kembali pada suhu sedang melonggarkan sebagian tegangan itu. Menyepuh dan menemper memungkinkan penyetelan kekerasan dan keuletan secara sinambung, dan itu tidak mungkin pada logam umum lain.
Mengapa karat tidak melindungi seperti patina tembaga?
Kedua logam itu teroksidasi. Perbedaannya ada pada apa yang terjadi sesudahnya.
Aluminium oksida dan patina tembaga membentuk lapisan padat, lekat, dan bervolume sekitar sama dengan logam yang termakan. Mereka menyegel permukaannya dan menghentikan prosesnya.
Karat adalah besi oksida terhidrat, dengan rumus beragam sekitar Fe₂O₃·nH₂O. Ia menempati kira-kira dua kali volume besi asalnya. Pemuaian itu menimbulkan tegangan yang meretakkan dan mengelupaskan lapisannya, sehingga logam baru terpapar udara dan lembap.
Prosesnya elektrokimia dan memerlukan air serta oksigen. Dalam setetes air pada baja, satu daerah berperan sebagai anode dan daerah lain sebagai katode, dan arusnya mengalir lewat logamnya. Garam mempercepat segalanya dengan menaikkan daya hantar elektrolitnya, dan karena itu baja berkarat jauh lebih cepat di dekat laut atau di jalan bergaram.
Pertahanan yang lazim ada tiga: penghalang fisik seperti cat, lapisan logam yang membentuk oksida pelindung seperti pelapisan seng, atau perubahan paduannya. Baja tahan karat mengandung sekurangnya 10,5 % kromium, yang membentuk selaput kromium oksida padat dan dapat memulihkan diri di permukaannya: perlindungan diberikan kromium, bukan besi.
Bagaimana ia mengangkut oksigen dalam darah?
Orang dewasa mengandung 3 sampai 4 gram besi, dan sebagian besar ada dalam hemoglobin.
Molekulnya memiliki empat subunit, masing-masing dengan gugus hem: cincin porfirin dengan ion Fe²⁺ di pusatnya, terkoordinasi oleh empat nitrogen cincin dan satu dari protein. Posisi koordinasi keenam tetap kosong dan di sanalah oksigen terikat.
Yang menonjol adalah bahwa ikatannya berbalik. Besi dalam larutan bereaksi dengan oksigen dan teroksidasi menjadi Fe³⁺ secara tak berbalik. Di dalam hemoglobin itu tidak terjadi, karena struktur proteinnya mencegah dua gugus hem saling mendekat dan bereaksi lewat oksigen.
Ikatannya juga bersifat kooperatif. Ketika subunit pertama menangkap oksigen, ia sedikit berubah bentuk dan memudahkan penangkapan oleh tiga subunit lainnya. Kekooperatifan itu menghasilkan kurva kejenuhan berbentuk S yang memungkinkan pemuatan oksigen secara efektif di paru-paru dan pelepasannya di jaringan.
⚠️ Karbon monoksida terikat pada tempat yang sama sekitar dua ratus kali lebih kuat daripada oksigen dan tidak melepas. Dari sanalah keracunannya: ia tidak meracuni metabolisme, ia sekadar menempati tempatnya.
Di mana besi Bumi berada?
Di inti, terutama. Besi adalah unsur paling melimpah di planet ini secara keseluruhan — sekitar 32 % massanya — tetapi hanya yang kelima di kerak, dengan 5 %.
Pemisahannya terjadi selama pembentukan planet. Bumi purba cukup panas untuk melebur, dan besi, yang rapat dan kurang berafinitas pada oksigen dalam kondisi itu, tenggelam ke pusat sambil menyeret nikel dan unsur sejenis. Peristiwa itu dikenal sebagai bencana besi.
Inti yang terbentuk, dari besi dan nikel, memiliki bagian luar yang cair yang gerakannya menghasilkan medan magnet Bumi lewat efek dinamo. Tanpanya, angin surya sudah lama mengikis atmosfer.
Besi kerak yang ditambang sebagian besar berasal dari formasi besi berpita yang mengendap antara 2 500 dan 1 800 juta tahun lalu, ketika oksigen hasil sianobakteri mengendapkan besi terlarut di lautan. Australia, Brasil, dan Tiongkok memusatkan produksi sekarang.