BESI (UNSUR): CIRI, STRUKTUR KIMIA, KEGUNAAN - KIMIA - 2025

The besi adalah logam peralihan yang dimiliki oleh Kumpulan 8 atau VIIIB dalam jadual berkala dan diwakili dengan simbol kimia Fe. Adakah kelabu logam, mulur, kekuatan mudah dibentuk dan tinggi, yang digunakan dalam pelbagai aplikasi berguna untuk lelaki dan masyarakat.

Ini merupakan 5% kerak bumi, dan ia juga merupakan logam kedua paling banyak setelah aluminium. Kelimpahannya melebihi oksigen dan silikon. Namun, berkenaan dengan inti bumi, 35% daripadanya terdiri dari besi logam dan cecair.

Alchemist-hp (bincang) (www.pse-mendelejew.de)

Di luar teras bumi, besi tidak dijumpai dalam bentuk logam, kerana cepat teroksidasi ketika terkena udara lembap. Ia terletak di batuan basalt, sedimen berkarbon dan meteorit; umumnya disatukan dengan nikel, seperti pada kamacit mineral.

Mineral besi utama yang digunakan untuk perlombongan adalah seperti berikut: hematit (ferric oxide, Fe ₂ O ₃ ), magnetite (ferrosomeric oxide, Fe ₃ O ₄ ), limonite (hydrated ferrous oxide hydroxide), dan siderite (besi karbonat, FeCO ₃ ).

Rata-rata, manusia mempunyai kandungan zat besi 4.5 g, di mana 65% adalah dalam bentuk hemoglobin. Protein ini terlibat dalam pengangkutan oksigen dalam darah dan pengedarannya ke tisu yang berlainan, untuk pengambilannya oleh myoglobin dan neuroglobin.

Walaupun banyak khasiat zat besi bagi manusia, lebihan logam boleh mempunyai tindakan toksik yang sangat serius, terutama pada hati, sistem kardiovaskular dan pankreas; begitulah kes hemochromatosia penyakit keturunan.

Besi sinonim dengan pembinaan, kekuatan dan perang. Sebaliknya, kerana banyaknya, selalu menjadi alternatif untuk dipertimbangkan ketika menyangkut pengembangan bahan baru, pemangkin, ubat atau polimer; dan walaupun warna merah karatnya, ia adalah logam hijau persekitaran.

Sejarah

Zaman dahulu

Besi telah diproses selama ribuan tahun. Walau bagaimanapun, sukar untuk mencari benda besi pada zaman kuno ini kerana kerentanannya untuk menghakis, yang menyebabkan kehancurannya. Objek besi tertua yang diketahui dibuat dari benda yang terdapat di dalam meteorit.

Begitulah kes sebilangan manik yang dibuat pada tahun 3500 SM, dijumpai di Gerzah, Mesir, dan sebilah keris yang terdapat di makam Tutankhamun. Meteorit besi dicirikan oleh kandungan nikel yang tinggi, sehingga asal-usulnya dapat dikenal pasti dalam benda-benda ini.

Bukti besi tuang juga ditemukan di Asmar, Mesopotamia, dan Tail Chagar Bazaar, di Syria, antara tahun 3000-2700 SM. Walaupun pengecoran besi bermula pada Zaman Gangsa, butuh berabad-abad untuk menggantikan perunggu.

Di samping itu, artifak besi tuang ditemukan di India, 1800 hingga 1200 SM dan di Levant, sekitar 1500 SM. Diperkirakan bahawa Zaman Besi bermula pada tahun 1000 SM, karena biaya produksi mereka dikurangkan.

Ia muncul di China antara 700 dan 500 SM, mungkin diangkut melalui Asia Tengah. Objek besi pertama dijumpai di Luhe Jiangsu, China.

Eropah

Besi tempa dihasilkan di Eropah melalui penggunaan tempa gala. Proses tersebut memerlukan penggunaan arang batu sebagai bahan bakar.

Tungku letupan abad pertengahan setinggi 3.0 m, terbuat dari batu bata tahan api, dan udara dibekalkan oleh bellow manual. Pada tahun 1709, Abraham Darby mendirikan tungku letupan kok untuk menghasilkan besi cair, menggantikan arang.

Ketersediaan besi murah adalah salah satu faktor yang mendorong kepada Revolusi Industri. Pada periode ini mulai penapisan besi babi menjadi besi tempa, yang digunakan untuk membangun jembatan, kapal, gudang, dll.

Keluli

Keluli menggunakan kepekatan karbon yang lebih tinggi daripada besi tempa. Baja dihasilkan di Luristan, Parsi, pada tahun 1000 SM Kaedah baru untuk menghasilkan batang besi tanpa karbon dirancang dalam Revolusi Industri, yang kemudian digunakan untuk menghasilkan baja.

Pada akhir tahun 1850-an, Henry Bessemer merancang meniup udara menjadi besi babi cair untuk menghasilkan baja ringan, yang menjadikan pengeluaran baja lebih ekonomik. Ini mengakibatkan penurunan produksi besi tempa.

Hartanah

Penampilan

Kilauan logam dengan warna kelabu.

Berat atom

55,845 awak.

Nombor atom (Z)

26

Takat lebur

1,533 ºC

Takat didih

2,862 ºC

Ketumpatan

-Suhu suhu: 7.874 g / mL.

Titik lebur (cecair): 6.980 g / mL.

Panas pelakuran

13.81 kJ / mol

Haba pengewapan

340 kJ / mol

Kapasiti kalori molar

25.10 J / (mol K)

Tenaga pengionan

- Tahap pengionan pertama: 762.5 kJ / mol (Fe ⁺ gas)

- Tahap pengionan kedua: 1,561.9 kJ / mol (Fe ²⁺ gas)

- Tahap pengionan ketiga: 2.957, kJ / mol (Fe ³⁺ gas)

Elektronegativiti

1.83 pada skala Pauling

Radio atom

Empayar 126 petang

Kekonduksian terma

80.4 W / (mK)

Ketahanan elektrik

96.1 Ω · m (pada 20 ºC)

Titik curie

770 ° C, lebih kurang. Pada suhu ini, besi tidak lagi bersifat feromagnetik.

Isotop

Isotop stabil: ⁵⁴ Fe, dengan kelimpahan 5.85%; ⁵⁶ Fe, dengan kelimpahan 91.75%; ⁵⁷ Fe, dengan kelimpahan 2.12%; dan ⁵⁷ Fe, dengan kelimpahan 0,28%. Oleh kerana ⁵⁶ Fe adalah isotop yang paling stabil dan melimpah, tidak menghairankan bahawa berat atom besi sangat dekat dengan 56 u.

Manakala isotop radioaktif adalah: ⁵⁵ Fe, ⁵⁹ Fe dan ⁶⁰ Fe.

Struktur dan konfigurasi elektronik

-Allropes

Besi pada suhu bilik mengkristal dalam struktur kubik berpusat badan (bcc), yang juga dikenal sebagai α-Fe atau ferit (dalam jargon metalurgi). Oleh kerana ia dapat menggunakan struktur kristal yang berlainan sebagai fungsi suhu dan tekanan, besi dikatakan sebagai logam allotropik.

Allotrope bcc adalah besi biasa (feromagnetik), yang sangat dikenali orang dan tertarik pada magnet. Apabila dipanaskan di atas 771 ºC, ia menjadi paramagnetik, dan walaupun kristalnya hanya mengembang, "fasa baru" ini sebelumnya dianggap β-Fe. Alotrop besi yang lain juga bersifat paramagnetik.

Antara 910ºC dan 1394ºC, besi dijumpai sebagai allotrope austenit atau γ-Fe, yang strukturnya adalah kubik berpusat muka, fcc. Penukaran antara austenit dan ferit mempunyai kesan besar pada pembuatan keluli; kerana atom karbon lebih larut dalam austenit daripada ferit.

Dan kemudian, di atas 1394 untilC hingga titik leburnya (1538 ºC), besi kembali mengadopsi struktur bcc, δ-Fe; tetapi tidak seperti ferit, allotrope ini bersifat paramagnetik.

Besi Epsilon

Dengan meningkatkan tekanan ke 10 GPa, pada suhu beberapa ratus darjah selsius, allotrope α atau ferit berkembang menjadi allotrope ε, epsilon, yang dicirikan oleh penghabluran dalam struktur heksagon ringkas; iaitu, dengan atom Fe yang paling padat. Ini adalah bentuk besi allotropik keempat.

Beberapa kajian berteori mengenai kemungkinan adanya alotrop besi lain di bawah tekanan sedemikian, tetapi pada suhu yang lebih tinggi.

-Pautan logam

Tidak kira allotrope besi dan suhu yang "menggegarkan" atom Fe, atau tekanan yang memampatkannya, mereka berinteraksi satu sama lain dengan elektron valensi yang sama; Ini adalah, yang ditunjukkan dalam konfigurasi elektronik mereka:

3d ⁶ 4s ²

Oleh itu, terdapat lapan elektron yang mengambil bahagian dalam ikatan logam, sama ada ia dilemahkan atau diperkuat semasa peralihan allotropik. Begitu juga, lapan elektron inilah yang menentukan sifat besi seperti kekonduksian terma atau elektriknya.

-Bilangan oksidasi

Nombor pengoksidaan yang paling penting (dan biasa) bagi besi ialah +2 (Fe ²⁺ ) dan +3 (Fe ³⁺ ). Sebenarnya, tatanama konvensional hanya mempertimbangkan dua nombor atau negeri ini. Walau bagaimanapun, terdapat sebatian di mana besi dapat memperoleh atau kehilangan bilangan elektron yang lain; iaitu, kewujudan kation lain dianggap.

Sebagai contoh, besi juga boleh mempunyai nombor pengoksidaan +1 (Fe ⁺ ), +4 (Fe ⁴⁺ ), +5 (Fe ⁵⁺ ), +6 (Fe ⁶⁺ ) dan +7 (Fe ^{7 +} ). Spesies ferat anionik, FeO ₄ ^2- , mempunyai besi dengan bilangan pengoksidaan +6, kerana keempat-empat atom oksigen telah mengoksidakannya sedemikian rupa.

Begitu juga, besi boleh mempunyai bilangan pengoksidaan negatif; seperti: -4 (Fe ^4- ), -2 (Fe ^2- ) dan -1 (Fe ^- ). Walau bagaimanapun, sebatian dengan pusat besi dengan keuntungan elektron ini sangat jarang berlaku. Itulah sebabnya, walaupun melebihi mangan dalam hal ini, yang terakhir membentuk sebatian yang lebih stabil dengan julat keadaan pengoksidaannya.

Hasilnya, untuk tujuan praktikal, sudah cukup untuk mempertimbangkan Fe ²⁺ atau Fe ³⁺ ; kation lain disediakan untuk ion atau sebatian yang agak spesifik.

Bagaimana ia diperoleh?

Hiasan keluli, aloi besi terpenting. Sumber: Pxhere.

Pengumpulan bahan mentah

Kita mesti menuju ke lokasi bijih mineral yang paling sesuai untuk perlombongan besi. Mineral yang paling banyak digunakan untuk memperolehnya adalah berikut: hematit (Fe ₂ O ₃ ), magnetit (Fe ₃ O ₄ ), limonit (FeO · OH · nH ₂ O) dan siderite (FeCO ₃ ).

Kemudian langkah pertama dalam pengekstrakan adalah mengumpulkan batu dengan bijih besi. Batu-batu ini dihancurkan untuk memecahnya menjadi kepingan kecil. Selepas itu, terdapat fasa pemilihan serpihan batuan dengan bijih besi.

Dua strategi diikuti dalam pemilihan: penggunaan medan magnet dan pemendapan di dalam air. Serpihan batuan dikenakan medan magnet dan serpihan mineral berorientasi di dalamnya, sehingga dapat dipisahkan.

Dalam kaedah kedua, serpihan batu dibuang ke dalam air dan yang mengandungi besi, kerana lebih berat, menetap di dasar air, meninggalkan gangue di bahagian atas air kerana lebih ringan.

Relau letupan

Relau letupan di mana keluli dihasilkan. Sumber: Pixabay.

Bijih besi diangkut ke tungku letupan, di mana mereka dibuang bersama-sama dengan arang batu kok, yang berperan sebagai pembekal bahan bakar dan karbon. Di samping itu, batu kapur atau batu kapur ditambahkan, yang memenuhi fungsi fluks.

Tungku letupan, dengan campuran sebelumnya, disuntik udara panas pada suhu 1,000 ºC. Besi dicairkan oleh pembakaran arang batu yang membawa suhu hingga 1,800 ºC. Setelah cair, ia disebut besi babi, yang terkumpul di bahagian bawah oven.

Besi babi dikeluarkan dari tungku dan dituangkan ke dalam bekas untuk diangkut ke pengecoran baru; sementara sanga, kekotoran yang terletak di permukaan besi babi, dibuang.

Besi babi dituangkan melalui penggunaan ladang pemutus ke dalam relau penukar, bersama dengan batu kapur sebagai fluks, dan oksigen diperkenalkan pada suhu tinggi. Oleh itu, kandungan karbon dikurangkan, menyempurnakan besi babi untuk mengubahnya menjadi baja.

Selepas itu, keluli dilewatkan melalui tungku elektrik untuk pengeluaran keluli khas.

Permohonan

-Setrika logam

Jambatan besi di England, salah satu daripada banyak pembinaan yang dibuat dengan besi atau aloi. Sumber: Tidak ada pengarang yang boleh dibaca mesin. Jasonjsmith menganggap (berdasarkan tuntutan hak cipta).

Kerana ia adalah logam mulur yang murah, mudah ditempa dan tahan terhadap kakisan, logam ini menjadi logam yang paling berguna bagi manusia, dalam bentuk yang berbeza: ditempa, dilemparkan dan keluli dari pelbagai jenis.

Besi digunakan untuk pembinaan:

-Jambatan

- Asas untuk bangunan

- Pintu dan tingkap

-Lambung kapal

-Alat yang berbeza

-Paip untuk minum air

-Alat untuk mengumpul air buangan

- Perabot untuk kebun

-Grille untuk keselamatan rumah

Alat ini juga digunakan dalam pembuatan peralatan rumah tangga, seperti periuk, kuali, pisau, garpu. Selain itu, digunakan dalam pembuatan peti sejuk, kompor, mesin basuh, mesin pencuci pinggan, pengisar, ketuhar, pembakar roti.

Ringkasnya, besi terdapat di semua objek yang mengelilingi manusia.

Nanopartikel

Besi logam juga disusun sebagai nanopartikel, yang sangat reaktif dan mengekalkan sifat magnetik pepejal makroskopik.

Sfera Fe ini (dan morfologi tambahannya) digunakan untuk membersihkan perairan sebatian organoklorin, dan sebagai pembawa ubat dihantar ke daerah-daerah tubuh yang terpilih melalui penerapan medan magnet.

Mereka juga boleh berfungsi sebagai penyokong pemangkin dalam tindak balas di mana ikatan karbon, CC, pecah.

-Bahan sebatian besi

Oksida

Ferrous oxide, FeO, digunakan sebagai pigmen untuk kristal. Ferric oxide, Fe ₂ O ₃ , adalah dasar bagi sejumlah pigmen mulai dari kuning hingga merah, yang dikenal sebagai merah Venesia. Bentuk merah, disebut rouge, digunakan untuk menggilap logam mulia dan berlian.

Ferro-ferric oxide, Fe ₃ O ₄ , digunakan dalam ferit, zat dengan kebolehcapaian magnetik tinggi dan ketahanan elektrik, dapat digunakan dalam ingatan komputer tertentu dan dalam lapisan pita magnetik. Ia juga digunakan sebagai agen pigmen dan penggilap.

Sulfat

Ferrat sulfat heptahidrat, FeSO ₄ · 7H ₂ O, adalah bentuk feros sulfat yang paling biasa, yang dikenali sebagai vitriol hijau atau coppera. Ia digunakan sebagai agen pengurang dan dalam pembuatan dakwat, baja dan racun perosak. Ia juga dapat digunakan dalam penyaduran besi.

Ferric sulfate, Fe ₂ (SO ₄ ) ₃ , digunakan untuk mendapatkan tawas besi dan sebatian ferrik lain. Ini berfungsi sebagai koagulan dalam pemurnian air buangan, dan sebagai pembantu dalam pencelupan tekstil.

Klorida

Ferrous chloride, FeCl ₂ , digunakan sebagai agen mordant dan pengurang. Sementara itu, besi klorida, FeCl ₃ , digunakan sebagai agen pengklorinan untuk logam (perak dan tembaga) dan sebilangan sebatian organik.

Rawatan Fe ³⁺ dengan ion heksocyanoferrate ^-4 menghasilkan endapan biru, yang disebut biru Prusia, digunakan dalam cat dan lakuer.

Makanan besi

Kerang adalah sumber makanan yang kaya dengan zat besi. Sumber: Pxhere.

Secara amnya, pengambilan zat besi sebanyak 18 mg / hari adalah disyorkan. Antara makanan yang menyediakannya dalam diet harian adalah seperti berikut:

Kerang memberikan zat besi dalam bentuk heme, jadi tidak ada penghambatan penyerapan usus dari itu. Kerang menyediakan hingga 28 mg zat besi setiap 100 g daripadanya; oleh itu, kuantiti kerang ini cukup untuk memenuhi keperluan besi setiap hari.

Bayam mengandungi 3.6 mg zat besi setiap 100 g. Daging organ daging sapi, misalnya hati sapi, mengandungi 6.5 mg zat besi per 100 g. Sumbangan sosej darah mungkin agak tinggi. Sosej darah terdiri daripada bahagian usus kecil, diisi dengan darah daging sapi.

Kekacang, seperti lentil, mengandungi 6.6 mg zat besi setiap 198 g. Daging merah mengandungi 2.7 mg zat besi setiap 100 g. Biji labu mengandungi 4.2 mg setiap 28 g. Quinoa mengandungi 2.8 mg zat besi setiap 185 g. Daging ayam belanda gelap mengandungi 2,3 mg per 100 g. Brokoli mengandungi 2,3 mg setiap 156 mg.

Tahu mengandungi 3.6 mg setiap 126 g. Sementara itu, coklat gelap mengandungi 3.3 mg setiap 28 g.

Peranan biologi

Fungsi yang dipenuhi oleh besi, terutama pada makhluk hidup vertebrata, tidak terkira banyaknya. Dianggarkan lebih daripada 300 enzim memerlukan zat besi untuk berfungsi. Di antara enzim dan protein yang menggunakannya, berikut dinamakan:

-Protein yang mempunyai kumpulan heme dan tidak mempunyai aktiviti enzimatik: hemoglobin, myoglobin dan neuroglobin.

-Enzim dengan kumpulan heme yang terlibat dalam pengangkutan elektron: sitokrom a, b, dan f, dan aktiviti sitokrom oksidase dan / atau oksidase; sulfida oksidase, sitokrom P450 oksidase, myeloperoxidase, peroxidase, catalase, dll.

-Protein yang mengandungi besi-sulfur, yang berkaitan dengan aktiviti oxyreductase, yang terlibat dalam pengeluaran tenaga: suksinat dehidrogenase, isositrat dehidrogenase dan aconitase, atau enzim yang terlibat dengan replikasi dan pembaikan DNA: DNA-polimerase dan DNA-heliklas.

Enzim bukan-heme yang menggunakan zat besi sebagai kofaktor untuk aktiviti pemangkinnya: hidrolase fenilalanin, hidrolase tirosin, hidrolase triptofan dan hidrolase lisin.

-Protein bukan-heme yang bertanggungjawab untuk pengangkutan dan penyimpanan zat besi: ferritin, transferrin, haptoglobin, dll.

Risiko

Ketoksikan

Risiko daripada terkena besi berlebihan boleh menjadi akut atau kronik. Salah satu penyebab keracunan zat besi akut ialah pengambilan tablet besi yang berlebihan, dalam bentuk glukonat, fumarat, dll.

Zat besi boleh menyebabkan kerengsaan pada mukosa usus, ketidakselesaan yang timbul segera setelah tertelan dan hilang setelah 6 hingga 12 jam. Zat besi yang diserap disimpan dalam organ yang berlainan. Pengumpulan ini boleh menyebabkan gangguan metabolik.

Sekiranya jumlah zat besi yang dimakan beracun, ia boleh menyebabkan perforasi usus dengan peritonitis.

Dalam sistem kardiovaskular, ia menghasilkan hipovolemia yang disebabkan oleh pendarahan gastrointestinal, dan pembebasan zat vasoaktif zat besi, seperti serotonin dan histamin. Pada akhirnya, nekrosis hati dan hati yang besar boleh berlaku.

Hemokromatosia

Hemochromatosia adalah penyakit keturunan yang menunjukkan perubahan dalam mekanisme peraturan besi tubuh, yang dimanifestasikan dalam peningkatan kepekatan darah zat besi dan pengumpulannya di organ yang berlainan; termasuk hati, jantung dan pankreas.

Gejala awal penyakit ini adalah seperti berikut: sakit sendi, sakit perut, keletihan dan kelemahan. Dengan gejala berikut dan tanda-tanda penyakit berikut: diabetes, kehilangan keinginan seksual, mati pucuk, kegagalan jantung dan kegagalan hati.

Hemosiderosis

Hemosiderosis dicirikan, seperti namanya, oleh pengumpulan hemosiderin dalam tisu. Ini tidak menyebabkan kerosakan tisu, tetapi boleh berkembang menjadi kerosakan yang serupa dengan yang dilihat di hemochromatosia.

Hemosiderosis boleh disebabkan oleh sebab-sebab berikut: peningkatan penyerapan zat besi dari makanan, anemia hemolitik yang melepaskan zat besi dari sel darah merah, dan pemindahan darah yang berlebihan.

Hemosiderosis dan hemochromatosia mungkin disebabkan oleh fungsi hormon hepcidin yang tidak mencukupi, hormon yang dikeluarkan oleh hati yang terlibat dalam pengaturan zat besi tubuh.

Rujukan

1. Shiver & Atkins. (2008). Kimia bukan organik. (Edisi keempat). Bukit Mc Graw.
2. Foist L. (2019). Allotrop of Iron: Jenis, Ketumpatan, Kegunaan & Fakta. Kaji. Dipulihkan dari: study.com
3. Jayanti S. (nd). Allotropy Besi: Termodinamik dan Struktur Kristal. Metalurgi. Dipulihkan dari: engineeringenotes.com
4. Nanoshel. (2018). Kuasa nano besi. Dipulihkan dari: nanoshel.com
5. Wikipedia. (2019). Besi. Dipulihkan dari: en.wikipedia.org
6. Sejarah Shropshire. (sf). Sifat besi. Dipulihkan dari: shropshirehistory.com
7. Dough Stewart Dr. (2019). Fakta unsur besi. Dipulihkan dari: chemicool.com
8. Franziska Spritzler. (2018, 18 Julai). 11 makanan sihat yang kaya dengan zat besi. Dipulihkan dari: healthline.com
9. Lenntech. (2019). Jadual berkala: Besi. Dipulihkan dari: lenntech.com
10. Penyunting Encyclopaedia Britannica. (13 Jun 2019). Besi. Encyclopædia Britannica. Dipulihkan dari: britannica.com