makalah besi

B. BESI

Pengertian Besi

Besi adalah logam transisi yang paling banyak dipakai karena relatif melimpah di alam dan mudah diolah. Besi murni tidak begitu kuat, tetapi bila dicampur dengan logam lain dan karbon didapat baja yang sangat keras. Biji besi biasanya mengandung hematite (Fe₂O₃) yang dikotori oleh pasir (SiO₂) sekitar 10 %, serta sedikit senyawa sulfur, posfor, aluminium dan mangan.(Syukri ,1999 : 623).

Keberadaan Besi di Alam

Besi merupakan salah satu unsur paling biasa di Bumi, membentuk 5% daripada kerak Bumi. Kebanyakan besi ini hadir dalam pelbagai jenis oksida besi, seperti bahan galian hematit,magnetit, dan takonit. Sebahagian besar teras bumi dipercayai mengandungi aloi logam besi-nikel. Sekitar 5% daripada meteorit turut mengandungi aloi besi-nikel. Walaupun jarang, ini merupakan bentuk utama logam besi semulajadi dipermukaan bumi.

Dalam perindustrian, besi dihasilkan daripada bijih, kebanyakannya hematit (sedikit Fe₂O₃) dan magnetit (Fe₃O₄), melalui penurunan oleh karbon dalam relau hembus (blast furnace) pada suhu sekitar 2000 °C. Dalam relau hembus, bijih besi, karbon dalam bentuk kok, dan fluks seperti batu kapur diisikan di bahagian atas relau, sementara semburan udara panas dipaksa untuk masuk ke dalam relau di bahagian bawah.

Dalam relau, kok bertindak balas dengan oksigen dalam hembusan udara untuk menghasilkankarbon monoksida:

2 C + O₂ → 2 CO

Karbon monoksida mengurangkan bijih besi (dalam persamaan kimia di bawah, hematit) kepada besi lebur, menjadi karbon dioksida di dalam proses tersebut:

3 CO + Fe₂O₃ → 2 Fe + 3 CO₂

Fluks ditambah untuk meleburkan bendasing dalam bijih, terutamanya silikon dioksida pasir dan lain-lain silikat. Fluks biasa termasuklah batu kapur (terutamanya kalsium karbonat) dan dolomit (magnesium karbonat).

 Fluks yang lain boleh digunakan bergantung kepada jenis bendasing yang perlu diasingkan daripada bijih. Di bawah kepanasan relau, batu kapur mengurai menjadi kalsium oksida (kapur tohor):

CaCO₃ → CaO + CO₂

Kalsium oksida bergabung dengan silikon dioksida untuk menghasilkan sanga.

CaO + SiO₂ → CaSiO₃

Sanga melebur oleh kerana haba di dalam relau, berbanding dengan silikon dioksida yang tidak akan melebur di bawah haba yang sama. Pada dasar relau, sanga yang melebur terapung atas leburan besi yang lebih tumpat, dan hanyut ke tepi relau yang mungkin akan dibuka untuk mengalirkan sanga keluar daripada leburan besi. Besi ini, apabila disejukkan, akan dipanggil besi mentah, sementara sanga boleh digunakan sebagai bahan untuk pembinaan jalan raya atau untuk menyuburkan tanah yang kurang mineral untuk pertanian.

Anggaran sebanyak 1,100 Jt (juta tan) bijih besi dihasilkan di seluruh dunia dalam tahun 2000, dengan nilai pasaran kasar mencecah lebih kurang 25 bilion dolar Amerika. Pengeluaran bijih berlangsung di 48 negara, dengan lima pengeluar terbesar merupakan China, Brazil,Australia, Rusia dan India, menghasilkan 70% daripada pengeluaran bijih besi dunia. 1100 Jt bijih besi digunakan untuk menghasilkan lebih kurang 572 Jt besi mentah.

Sifat Fisika Besi

Ciri-ciri fisik
Fase	padat
Massa jenis (sekitar suhu kamar)	7,86 g/cm³
Massa jenis cair pada titik lebur	6,98 g/cm³
Titik lebur	1811 K (1538 °C, 2800 °F)
Titik didih	3134 K (2861 °C, 5182 °F)
Kalor peleburan	13,81 kJ/mol
Kalor penguapan	340 kJ/mol
Kapasitas kalor	(25 °C) 25,10 J/(mol·K)
Tekanan uap P/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k pada T/K 1728 1890 2091 2346 2679 3132
Ciri-ciri atom
Struktur kristal	kubus pusat badan
Bilangan oksidasi	2, 3, 4, 6 (oksida amfoter)
Elektronegativitas	1,83 (skala Pauling)
Energi ionisasi	pertama: 762,5 kJ/mol
	ke-2: 1561,9 kJ/mol
	ke-3: 2957 kJ/mol
Jari-jari atom	140 pm
Jari-jari atom (terhitung)	156 pm
Jari-jari kovalen	125 pm

Sifat Kimia Besi

Keterangan Umum Unsur
Nama, Lambang, Nomor atom	besi, Fe, 26
Deret kimia	logam transisi
Golongan, Periode, Blok	8, 4, d
Penampilan	metalik mengkilap keabu-abuan
Massa atom	55,845(2) g/mol
Konfigurasi elektron	[Ar] 3d6 4s2
Jumlah elektron tiap kulit	2, 8, 14, 2

1. Mempunyai daya hantar listrik dan panas yang baik. Karena emiliki ikatan ganda dan ikatan kovalen logam.

2. Besi murni cukup reaktif. Dalam udara lembab cepat teroksidasi membentuk besi (III) oksida hidrat.(Cotton,1989 :462).

Lain-lain
Sifat magnetik	feromagnetik
Resistivitas listrik	(20 °C) 96,1 nΩ·m
Konduktivitas termal	(300 K) 80,4 W/(m·K)
Ekspansi termal	(25 °C) 11,8 µm/(m·K)
Kecepatan suara (pada wujud kawat)	(suhu kamar) (elektrolitik) 5120 m/s
Modulus Young	211 GPa
Modulus geser	82 GPa
Modulus ruah	170 GPa
Nisbah Poisson	0,29
Skala kekerasan Mohs	4,0
Kekerasan Vickers	608 MPa
Kekerasan Brinell	490 MPa
Isotop
iso NA waktu paruh DM DE(MeV) DP 54Fe 5,8% >3,1E22 tahun penangkapan 2ε  ? 54Cr 55Fe syn 2,73 tahun penangkapan ε 0,231 55Mn 56Fe 91,72% Fe stabil dengan 30 neutron 57Fe 2,2% Fe stabil dengan 31 neutron 58Fe 0,28% Fe stabil dengan 32 neutron 59Fe syn 44,503 hari β 1,565 59Co 60Fe syn 1,5E6 tahun β- 3,978 60Co

Ekstraksi Besi

Pada zaman dahulu, manusia telah berhasil mengekstrak besi dari bijihnya yang berupa senyawa seperti hematit (Fe₂O₃). Campuran gilingan besi dan arangnya di biarkan di atas bara sehingga besi meleleh, kemudian besi itu di tampung. Selanjutnya campuran besi dan arang di letakkan di atas tanur kecil dan di hembuskan udara dari dasar tanur. Akan tetapi suhu yang dicapai dengan cara ini masih lebih rendah jika dibandingkan dengan tanur tinggi (tanur hembus) modern yang di kenal masa kini. (Keenan,1992 : 182).

Pengolahan Besi

Besi adalah logam yang paling luas dan paling banyak penggunaanya. Hal tersebut disebabkan tiga alasan berikut yaitu:

a.       Bijih besi relatif malimpah di berbagai penjuru dunia.

b.      Pengolahan besi relatif murah dan mudah.

c.       Sifat – sifat besi yang mudah dimodifikasi.
Besi terdapat di alam dalam bentuk senyawa, antara lain sebagai hematit (Fe2O3), magnetit (Fe3 O4), pirit (FeS2) dan siderit ( FeCO3).

 Tambang bijih besi di Indonesia terdapat di:

1.      Cilacap, Jawa Tengah

2.      Cilegon, Banten

3.      Gunung Tegak, Lampung

4.      Lengkabana, Sulawesi Tengah

5.      Longkana, Sulawesi Tengah

6.      Peg. Verbeek, Sulawesi Tengah

7.      Pulau Demawan, Kalimantan Selatan

8.      Pulau Sebuku, Kalimantan Selatan

9.      Pulau Suwang, Kalimantan Selatan.
Pengolah bijih besi terbesar adalah PT. Krakatau Steel yang berada di Cilegon, Jwa Barat.

Tempat Pengolahan Besi ( Tanur Sembur )
Proses pengolahan bijih besi untuk menghasilkan logam besi dilakukan dalam tanur sembur (blast furnace). Tanur sembur berbentuk menara silinder dari besi atau baja dengan tinggi sekitar 30 meter dan diameter bagian perut sekitar delapan meter. Karena tingginya alat tersebut, alat ini sering juga disebut sebagai tanur tinggi. Bagian – bagian dari tanur tinggi adalah sebagai berikut:

a. Bagian puncak yang disebut dengan Hopper, dirancang sedemikian rupa sehingga bahan – bahan yang akan diolah dapat dimasukkan dan ditambahkan setiap saat.

b. Bagian bawah puncak, mempunyai lubang untuk mengeluarkan hasil – hasil yang berupa gas.

c. Bagian atas dari dasar (kurang lebih 3 meter dari dasar), terdapat pipa – pipa yang dihubungkan dengan empat buah tungku dimana udara dipanaskan (sampai suhunya kurang lebih 1.100o C). udara panas ini disemburkan ke dalam tanur melalui pipa – pipa tersebut.

d. Bagian dasar tanur, mempunyai dua lubang yang masing – masing digunakan untuk mengeluarkan besi cair sebagai hasil utama dan terak (slag) sebagai hasil samping.

Proses Pengolahan Besi
Secara umum proses pengolahan besi dari bijihnya dapat berlangsung dengan urutan sebagai berikut:
a. ) Bahan – bahan dimasukkan ke dalam tanur melalui bagian puncak tanur.
Bahan – bahan ini berupa:
1.) Bahan utama yaitu bijih besi yang berupa hematit (Fe2O3 ) yang bercampur dengan pasir (SiO2) dan oksida – oksida asam yang lain (P2O5 dan Al2O3). Batuan – batuan ini yang akan direduksi.
2.) Bahan – bahan pereduksi yang berupa kokas (karbon).
3.) Bahan tambahan yang berupa batu kapur (CaCO3) yang berfungsi untuk mengikat zat – zat pengotor.

b. Udara panas dimasukkan di bagian bawah tanur sehingga menyebabkan kokas terbakar.
H = - 394 kJDC(s) + O2(g) CO2(g)
Reaksi ini sangat eksoterm (menghasilkan panas), akibatnya panas yang dibebaskan akan menaikkan suhu bagian bawah tanur sampai mencapai 1.900o C.

c. Gas CO2 yang terbentu kekmudian naik melalui lapisan kokas yang panas dan bereaksi dengannya lagi membentuk gas CO.
H = +173 kJDCO2(g) + C(s) 2 CO(g)
Reaksi kali ini berjalan endoterm (memerlukan panas) sehingga suhu tanur pada bagian itu menjadi sekitar 1.300o C.

d. Gas CO yang terbentuk dan kokas yang ada siap mereduksi bijih besi (Fe2O3). Reuksi ini dapat berlangsung dalam beberapa tahap, yaitu:
1.) Pada bagian atas tanur, Fe2O3 direduksi menjadi Fe3O4 pada suhu 500o C.
3 Fe2O3(s) + CO(g) 2 Fe3O4(s) + CO2(g)
2.) Pada bagian yang lebih rendah, Fe3O4 yang terbentuk akan direduksi menjadi FeO pada suhu 850o C.
Fe3O4(s) + CO(g) 3 FeO(s) + CO2(g)
3.) Pada bagian yang lebih bawah lagi, FeO yang terbentuk akan direduksi menjadi logam besi pada suhu 1.000o C.
FeO(s) + CO(g) Fe(l) + CO2(g) 

e. Besi cair yang terbentuk akan mengalir ke bawah dan mengalir di dasar tanur.

f. Sementara itu, di bagian tengah tanur yang bersuhu tinggi menyebabkan batu kapur terurai menurut reaksi:
CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g)
g.Kemudian di dasar tanur CaO akan bereaksi dengan pengotor dan membentuk terak (slag) yang berupa cairan kental. Reaksinya sebagai berikut:
CaO(s) + SiO2(s) CaSiO3(l)
3 CaO(s) + P2O5(g) Ca3(PO4)2(l)
CaO(s) + Al2O3(g) Ca(AlO2)2(l)
h.Selanjutnya, besi cair turun ke dasar tanur sedangkan terak (slag) yang memiliki massa jenis lebih rendah daripaba besi cair akan mengapung di permukaan dan keluar pada saluran tersendiri.

Hasil Pengolahan Besi

1.    Besi Kasar (pig iron) atau Besi Gubal
Besi cair yang keluar dari dasar tanur disebut dengan besi kasar (pig iron). Besi kasar mengandung 95% besi, 34% karbon, sisanya berupa fosfor, silikon dan mangan.

2.    Besi Tuang (cast iron) atau Besi Cor
Jika pig iron dibuat menjadi bentuk cetakan maka disebut besi tuang atau besi cor.

3.    Besi Tempa (wrought iron)
Besi tempam mengandung kadar karbon yang cukup rendah (0,05 – 0,2%). Besi tempa ini cukup lunak untuk dijadikan berbagai perlatan seperti sepatu kuda, roda besi, baut, mur, golok, cangkul dan lain sebagainya.

Kegunaan Besi dalam kehidupan sehari-hari

Besi merupakan logam paling biasa digunakan di antara semua logam, yaitu merangkumi sebanyak 95 peratus daripada semua tan logam yang dihasilkan di seluruh dunia. Gabungan harganya yang murah dengan kekuatannya menjadikan ia amat diperlukan, terutamanya dalam penggunaan seperti kereta, badan kapal bagikapal besar, dan komponen struktur bagi bangunan. Besi waja merupakan aloi besi paling dikenali, dan sebahagian dari bentuk yang dibentuk oleh besi termasuk:

        Besi mentah atau Pig iron yang mengandungi 4% – 5% karbon dengan sejumlah bendasing seperti belerang, silikon dan fosforus. Kepentingannya adalah ia merupakan perantaraan daripada bijih besi kepada besi tuang dan besi waja.

        Besi tuang (Cast iron) mengandungi 2% – 3.5% karbon dan sejumlah kecilmangan. Bendasing yang terdapat di dalam besi mentah yang dapat memberikan kesan buruk kepada sifat bahan, seperti belerang dan fosforus, telah dikurangkan kepada tahap boleh diterima. Ia mempunyai takat lebur pada julat 1420–1470 K, yang lebih rendah berbanding dua komponen utamanya, dan menjadikannya hasil pertama yang melebur apabila karbon dan besi dipanaskan serentak. Sifat mekanikalnya berubah-ubah, bergantung kepada bentuk karbon yang diterap ke dalam aloi. Besi tuang 'putih' mengandungi karbon dalam bentuk cementite, atau besi karbida.

        Besi karbon mengandung antara 0.5% dan 1.5% karbon, dengan sejumlah kecil mangan, belerang, fosforus, dan silikon.

        Besi tempa (Wrought iron) mengandung kurang daripada 0.5% karbon. Ia keras, mudah lentur, dan tidak mudah dilakurkan berbanding dengan besi mentah. Ia mempunyai sejumlah kecil karbon, beberapa persepuluh peratus. Jika ditajamkan menjadi tirus, ia cepat kehilangan ketajamannya.

        Besi aloi (Alloy steel) mengandungi kandungan karbon yang berubah-ubah dan juga logam-logam lain, seperti kromium, vanadium, molibdenum, nikel, tungsten dsb.

        Besi oksida (III) digunakan dalam penghasilan storan magnetik dalam komputer. Ia sering dicampurkan dengan bahan lain, dan mengekalkan ciri-ciri mereka dalam larutan.

DAFTAR PUSTAKA

Cotton, Wilkinson. 1989. Kimia Anorganik Dasar. UI-Press. Jakarta

http://www.wikipedia.com id, Wikipedia.org/wiki/Besi (Situs Ensiklopedi Wikipedia)

Kartini, N, dkk. 2001. Kimia Bumi Aksara. Jakarta

Keenan, Charles. W. 1992. Kimia untuk Universitas Jilid 2. Erlangga : Jakarta.

Oxtoby, David.W. 2003. Prinsip-Prinsip Kimia Modern Jilid II. Erlangga: Jakarta.

Sudjana, Atep. 2004. Sains Kimia. Galaxy Puspa Mega: Bekasi.

Syukri, S. 1999. Kimia Dasar 3. ITB: Bandung.

Purba, Michael. 2003. Kimia 2000 Untuk SMU Kelas 3. Jakarta : Erlangga

Balai Pustaka Jakarta.1997. Jendela Iptek Kimia. Jakarta : Balai Pustaka

Keenan. Kleinferter. Wood. 1993. Kimia untuk Universitas. Jakarta : Erlangga.

Prabawa, Hadi. Jayaprana, Sandya. 1997. ILMU KIMIA untuk SMU. Jakarta : Erlangga.

Dorin, Henry. 1987. Chemistry The Study of Matter. USA: Allyn & Balcon

Nahadi. 2007. Intisari Kimia SMA. Bandung : Pustaka Setia. www.scribd.com

www.wikipedia.org

www.chem-is-try.org

www.scribd.com