Tabel periodik

Besi (Fe)

Howard Birdsong Disusun dari sumber primer IUPAC, NIST, dan PubChem

Besi adalah unsur nomor 26, berlambang Fe, dengan konfigurasi elektron [Ar] 3d⁶ 4s² dan massa atom standar 55,845 u. Ia unsur paling melimpah di Bumi secara keseluruhan, meski sebagian besar berada di inti dan bukan di kerak.

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.

Fakta utama

Z
26
Atomic weight
55.845 u
Category
logam transisi
State at 298 K
Solid
Occurrence
primordial
Discovered
5000 BCE
CAS
7439-89-6

Sifat terukur

PropertyValueSource
Electronegativity 1.83 National Center for Biotechnology Information (NIH)
Melting point 1,811 K National Center for Biotechnology Information (NIH)
Boiling point 3,134 K National Center for Biotechnology Information (NIH)
Density stp 7.874 g/cm³ National Center for Biotechnology Information (NIH)
Atomic radius empirical 194 pm National Center for Biotechnology Information (NIH)
Ionization energy 1st 762.4 kJ/mol National Center for Biotechnology Information (NIH)
Electron affinity 15.7 kJ/mol National Center for Biotechnology Information (NIH)

Konfigurasi elektron

2 8 14 2 Fe
Noble gas notation
[Ar] 3d⁶ 4s²
Full notation
1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁶ 4s²
Electrons per shell
2, 8, 14, 2

Isotop

Pertanyaan umum

Mengapa dikatakan besi adalah akhir peleburan bintang?

Karena nikel 62 dan besi 56 memiliki energi ikat per nukleon terbesar di antara semua inti. Melebur unsur yang lebih ringan melepaskan energi; melebur besi menghabiskannya. Ketika inti bintang masif berubah menjadi besi, ia berhenti menghasilkan tekanan yang menyangganya dan runtuh dalam hitungan detik. Keruntuhan itulah supernova, dan di dalamnya unsur-unsur terberat disintesis.

Mengapa besi berkarat dan aluminium tidak, padahal aluminium lebih reaktif?

Karena sifat lapisan oksidanya. Aluminium oksida membentuk selaput padat dan lekat yang menyegel logamnya. Besi oksida terhidrat, yaitu karat, menempati volume lebih besar daripada logam asalnya, retak, dan mengelupas, sehingga logam baru terpapar. Aluminium lebih reaktif secara termodinamika tetapi terlindungi secara kinetik; besi tidak punya perlindungan itu.

Apa beda besi, besi tuang, dan baja?

Kadar karbonnya. Besi murni hampir tidak mengandungnya dan bersifat lunak. Baja mengandung antara 0,02 dan 2 %, yang memberinya kekuatan dan memungkinkan perlakuan panas. Besi tuang melampaui 2 % sampai 4 %: lebih mudah dicetak, lebih murah, tetapi rapuh. Seluruh proses baja pada dasarnya adalah pengendalian angka itu.

Mengapa besi mengangkut oksigen dalam darah?

Karena ia dapat mengikat oksigen secara berbalik, sesuatu yang jarang. Ion Fe²⁺ pada gugus hem mengikat satu molekul O₂ tanpa teroksidasi secara tetap, berkat lingkungan protein di sekelilingnya yang mencegah reaksi tak berbalik. Di luar lingkungan itu, besi akan teroksidasi menjadi Fe³⁺ dan tidak melepaskan oksigennya. Hemoglobin pada dasarnya adalah alat untuk menjaga besi dalam keadaan yang tepat.

Sumber