Besi

Diagram fasa dan alotrop

Besi merupakan contoh alotropi pada logam. Setidaknya ada empat bentuk alotrop besi, yang dikenal sebagai α, γ, δ, dan ε; pada tekanan yang sangat tinggi dengan volume yang rendah, beberapa bukti eksperimental yang kontroversial ada untuk fase β yang stabil pada tekanan dan suhu yang sangat tinggi.
Besi cair dingin mengkristal pada 1538 °C ke alotrop δ, yang memiliki struktur kristal body-centered cubic (bcc). Setelah mendingin lebih lanjut menjadi 1394 °C, berubah menjadi besi alotrop γ, dengan struktur kristal face-centered cubic (fcc), atau austenit. Pada 912 °C atau lebih rendah, struktur kristal berubah kembali menjadi alotrop besi α bcc, atau ferit. Akhirnya, pada 770 °C (titik Curie, Tc) besi menjadi magnet. Ketika besi melewati suhu Curie tidak ada perubahan dalam struktur kristal, tetapi ada perubahan dalam "struktur domain", di mana setiap domain mengandung atom besi dengan spin elektron tertentu. Dalam besi non magnet, semua spin elektron dari atom dalam satu domain berada dalam arah yang sama, namun, domain sekitarnya menunjuk ke berbagai arah lain sehingga dengan demikian secara keseluruhan mereka menetralkan satu sama lain. Hasilnya, besi tidak bersifat magnet. Dalam besi magnet, spin elektron dari semua domain selaras, sehingga efek magnetik domain tetangga saling memperkuat. Meskipun setiap domain mengandung miliaran atom, ukuran mereka sangat kecil, hanya sekitar 10 mikrometer. Pada tekanan di atas sekitar 10 GPa dan suhu beberapa ratus kelvin atau kurang, besi-α berubah menjadi struktur hexagonal close-packed (hcp), yang juga dikenal sebagai besi-ε; fase-γ yang temperaturnya lebih tinggi juga berubah menjadi besi-ε, tetapi tidak terjadi pada tekanan yang lebih tinggi. Fase-β, jika ada, akan muncul pada tekanan minimal 50 GPa dan suhu minimal 1.500 K; telah diperkirakan memiliki struktur ortorombik atau struktur hcp ganda.
Besi sangat penting ketika dicampur dengan logam tertentu lainnya dan dengan karbon untuk membentuk baja. Ada banyak jenis baja, semua dengan sifat yang berbeda, dan pemahaman tentang sifat-sifat alotrop besi adalah kunci untuk pembuatan baja berkualitas baik.
Besi-α, juga dikenal sebagai ferit, adalah bentuk besi paling stabil pada temperatur normal. Ini adalah logam yang cukup lunak yang dapat larut hanya dengan konsentrasi kecil karbon (tidak lebih dari 0,021% massa pada 910 °C).
Di atas 912 °C dan sampai 1400 °C besi-α mengalami transisi fasa dari bcc ke konfigurasi besi-γ fcc, juga disebut austenit. Logam Ini juga lunak tetapi dapat melarutkan jauh lebih banyak karbon (sebanyak 2,04% massa pada 1146 °C). Bentuk besi ini digunakan dalam jenis baja nirkarat yang digunakan untuk membuat peralatan makan, dan rumah sakit serta peralatan jasa layanan makanan.
Besi fasa tekanan tinggi penting sebagai model untuk bagian-bagian padat pada inti planet. Inti dalam planet bumi umumnya diasumsikan terdiri dari paduan besi-nikel dengan struktur ε (atau β).
Titik lebur besi didefinisikan secara eksperimen dengan baik untuk tekanan sampai sekitar 50 GPa. Untuk tekanan yang lebih tinggi, studi yang berbeda menempatkan titik triple γ-ε cair pada tekanan yang berbeda hingga puluhan gigapascal dan menghasilkan perbedaan titik lebur lebih dari 1000 K. Secara umum, simulasi komputer dinamika molekuler pada besi yang sedang meleleh dan percobaan gelombang kejut memberikan titik leleh yang lebih tinggi dan kemiringan kurva lebur yang lebih curam daripada percobaan statis yang dilakukan dalam sel diamond anvil.

Isotop

Besi alami terdiri dari empat isotop stabil: 5,845% ⁵⁴Fe, 91,754% ⁵⁶Fe, 2,119% ⁵⁷Fe dan 0,282% ⁵⁸Fe. Dari empat isotop stabil ini, hanya ⁵⁷Fe yang mempunyai spin inti (−​¹⁄₂). Nuklida ⁵⁴Fe diperkirakan mengalami peluruhan beta ganda, tetapi proses ini belum pernah diteliti untuk nuklei ini, dan hanya batas bawah waktu paruh yang ditetapkan: t1/2>3,1×10²² tahun.
⁶⁰Fe adalah radionuklida yang telah punah dengan waktu paruh panjang (2,6 juta tahun). Ia tidak ditemukan di bumi, namun produk peluruhan utamanya adalah nuklida stabil nikel-60.
Banyak riset masa lalu tentang pengukuran komposisi isotop Fe telah difokuskan pada penentuan variasi ⁶⁰Fe karena proses yang menyertai nukleosintesis (yaitu, studi meteorit) dan formasi bijih. Namun dalam dekade terakhir, perkembangan teknologi spektrometri massa telah memungkinkan untuk melakukan deteksi dan kuantifikasi renik, variasi rasio alami isotop stabil besi. Banyak dari penelitian ini telah didorong oleh komunitas ilmu bumi dan planet, meskipun aplikasi untuk sistem biologis dan industri mulai bermunculan.
Isotop besi yang paling melimpah ⁵⁶Fe merupakan daya tarik tersendiri bagi para ilmuwan nuklir karena merupakan titik akhir nukleosintesis yang paling umum.Hal ini sering dikutip, secara salah, sebagai isotop dengan energi ikatan tertinggi, perbedaan yang sebenarnya dimiliki nikel-62. Karena ⁵⁶Ni mudah dihasilkan dari inti yang lebih ringan dalam proses alfa pada reaksi nuklir di supernova (lihat proses pembakaran silikon), nikel-56 (14 partikel alfa) adalah titik akhir rantai fusi dalam bintang sangat besar, karena penambahan partikel alfa lain akan menghasilkan seng-60, yang membutuhkan lebih banyak energi. Oleh karena itu, nikel-56, dengan waktu paruh sekitar 6 hari, merupakan porsi terbesar dalam bintang-bintang ini, tetapi segera meluruh melalui emisi positron berturutan pada produk peluruhan supernova dalam awan gas sisa supernova. Peluruhan pertama membentuk kobalt-56, dan kemudian besi-56 yang stabil. Nuklida terakhir ini kemudian menjadi relatif mayoritas di jagat raya, dibandingkan dengan logam stabil lainnya dengan berat atom yang mendekati.
Dalam fase meteorit Semarkona dan Chervony Kut korelasi antara konsentrasi ⁶⁰Ni, produk anang ⁶⁰Fe, dan kelimpahan isotop besi yang stabil dapat ditemukan yang merupakan bukti keberadaan ⁶⁰Fe pada saat pembentukan Sistem Tata Surya. Kemungkinan energi yang dilepaskan pada peluruhan ⁶⁰Fe, bersama energi yang dilepaskan pada peluruhan radionuklida ²⁶Al, memberikan kontribusi pada pelelehan kembali dan diferensiasi asteroid setelah pembentukannya 4,6 milyar tahun yang lalu. Kelimpahan 60Ni dalam materi ekstraterestrial juga memberikan wawasan lebih jauh ke dalam asal mula Sistem Tata Surya dan sejarah awalnya.
Inti atom besi memiliki beberapa energi ikatan tertinggi per inti, hanya bisa diimbangi oleh isotop nikel ⁶²Ni. Ini terbentuk melalui fusi nuklir pada bintang. Meskipun penambahan sedikit energi dapat diekstraksi melalui sintesis ⁶²Ni, kondisi dalam bintang tidak cocok untuk proses ini. Distribusi unsur di Bumi lebih didominasi oleh besi daripada nikel, dan juga mungkin dalam produksi elemen supernova.
Besi-56 adalah isotop stabil terberat yang diproduksi melalui proses alfa dalam nukleosintesis stellar; unsur yang lebih berat daripada besi adalah nikel memerlukan supernova untuk pembentukannya. Besi adalah unsur yang paling melimpah dalam inti raksasa merah, dan logam paling melimpah dalam meteorit besi dan dalam inti planet yang berupa logam padat seperti bumi.

Nukleosintesis

Besi dibentuk oleh bintang yang sangat besar dengan inti yang sangat panas (lebih dari 2,5 milyar kelvin) melalui proses pembakaran silikon. Ia merupakan unsur stabil terberat yang diproduksi dengan cara ini. Proses dimulai dari inti stabil kedua terbesar melalui pembakaran silikon, yaitu kalsium. Satu inti stabil kalsium mengalami fusi dengan satu inti helium, membentuk titanium yang tidak stabil. Sebelum titanium meluruh, ia dapat berfusi dengan inti helium lainnya, membentuk kromium yang tak stabil. Sebelum kromium meluruh, ia dapat berfusi dengan inti helium lainnya, membentuk besi yang tak stabil. Sebelum besi meluruh, ia dapat berfusi dengan inti helium lainnya, membentuk nikel-56 yang tak stabil. Fusi nikel-56 lebih jauh memerlukan energi dan bukannya menghasilkan energi, sehingga setelah produksi nikel-56, bintang tidak lagi menghasilkan energi yang dibutuhkan untuk menjaga inti agar tidak runtuh. Akhirnya, nikel-56 meluruh menjadi kobalt-56 yang tak stabil, yang pada gilirannya meluruh menjadi besi-56 yang stabil. Ketika inti bintang runtuh, ia membentuk supernova. Supernova juga menciptakan bentuk-bentuk besi stabil tambahan melalui proses-r.

Keberadaan di planet

Besi adalah unsur paling melimpah keenam di jagat raya, dan merupakan unsur refraktori yang paling umum. Ia terbentuk sebagai tahap eksotermal terakhir nukleosintesis stelar, melalui fusi silikon dalam bintang besar.
Besi asli atau logam jarang ditemukan di permukaan bumi karena cenderung mengalami oksidasi, tetapi oksidanya menandakan dan mewakili bijih utamanya. Sementara kandungan besi pada kerak bumi hanya 5%, inti bumi bagian dalam dan luar diyakini memiliki kandungan paduan besi-nikel yang banyak, diperkirakan 35% dari keseluruhan massa bumi. Oleh karena itu, besi merupakan unsur paling melimpah di bumi, tetapi menduduki tempat keempat kelimpahan unsur di kerak bumi. Sebagian besar besi pada kerak bumi ditemukan bersenyawa dengan oksigen sebagai mineral besi oksida seperti hematit (Fe₂O₃) dan magnetit (Fe₃O₄). Deposit besar besi ditemukan dalam banded iron formations. Formasi geologis ini adalah jenis batuan yang menandung lapisan-lapisan tipis besi oksida yang berulang (seperti pita-pita), dan diseling dengan lapisan serpih (bahasa Inggris: shale) dan rijang (bahasa Inggris: chert) yang miskin kandungan besinya. Banded iron formation terbentuk antara 3.700 juta tahun silam dan 1.800 juta tahun silam.
Sekitar 1 dalam 20 meteorit mengandung mineral unik besi-nikel taenit (35–80% iron) dan kamasit (90–95% iron). Meskipun jarang, meteorit besi adalah bentuk utama besi logam alami di permukaan bumi.
Warna merah permukaan Mars terbentuk dari regolit yang kaya besi oksida. Ini telah dibuktikan berdasarkan spektroskopi Mössbauer.

Cadangan yang digunakan di masyarakat

Menurut Metal Stocks in Society report yang dikeluarkan oleh Panel Sumber Daya Internasional (bahasa Inggris: International Resource Panel), cadangan global besi yang digunakan di masyarakat adalah 2.200 kg (4.850 lb) per kapita. Sebagian besar adalah negara maju (7.000 kg (15.432 lb) – 14.000 kg (30.865 lb) per kapita) sedangkan negara yang kurang berkembang hanya 2.000 kg (4.409 lb) per kapita.

Senyawa koordinasi dan organologam

Telah dikenal beberapa kompleks sianida. Contoh yang paling terkenal adalah biru Prusia, (Fe₄(Fe[CN]₆)₃). Kalium ferisianida dan kalium ferosianida juga telah diketahui; pembentukan biru Prusia pada reaksi dengan besi(II) dan besi(III) merupakan dasar "uji kimia basah". Biru Prusia juga digunakan sebagai antidot pada keracunan talium dan sesium radioaktif. Biru Prusia dapat digunakan untuk mencuci pakaian guna menghilangkan noda kekuningan yang ditinggalkan oleh garam besi dalam air.
Telah dikenal beberapa senyawa karbonil besi. Senyawa besi(0) utama adalah besi pentakarbonil, Fe(CO)₅, yang digunakan untuk memproduksi serbuk karbonil besi, bentuk yang sangat reaktif dari logam besi. Termolisis besi pentakarbonil menghasilkan gugus tiga-inti, triferum dodekakarbonil. Pereaksi Collman, dinatrium tetrakarbonilferat, adalah pereaksi yang digunakan dalam kimia organik. Pereaksi ini mengandung besi dengan tingkat oksidasi −2. Siklopentadienilferum dikarbonil dimer mengandung besi dengan tingkat oksidasi yang langka, yaitu +1.
Ferosen (bahasa Inggris: Ferrocene) adalah kompleks yang sangat stabil. Senyawa sandwich pertama, yang mempunyai pusat besi(II) dengan dua ligan siklopentadienil yang terikat melalui kesepuluh atom karbonnya. Pengaturan ini adalah hal yang mengejutkan ketika pertama kali ditemukan, tetapi penemuan ferosen memicu cabang baru kimia organologam. Ferosen sendiri dapat digunakan sebagai tulang punggung ligan, misalnya dppf. Ferosen dapat dioksidasi menjadi kation ferosenium (Fc⁺). Pasangan ferosen/ferosenium sering digunakan sebagai rujukan dalam elektrokimia.

Besi tempa

Besi telah digarap, atau ditempa, selama beberapa milenium. Namun, objek besi berumur panjang jauh lebih jarang daripada objek yang dibuat dari emas atau perak karena besi mudah berkarat. Manik-manik yang terbuat dari besi meteor di 3500 SM atau sebelumnya ditemukan di Gerzah, Mesir oleh G.A. Wainwright. Manik-manik mengandung 7,5% nikel, yang merupakan tanda bahwa berasal dari meteor karena hanya sedikit besi yang ditemukan pada kerak bumi dan tidak ada kandungan nikelnya. Besi meteorit sangat dihormati karena asal-usulnya di langit dan sering digunakan untuk menempa senjata dan alat-alat atau seluruh spesimen yang ditempatkan di gereja-gereja. Barang-barang yang terbuat dari besi oleh bangsa Mesir bertanggal 2500 hingga 3000 SM. Besi memiliki keuntungan pembeda dibandingkan perunggu untuk peralatan perang. Besi jauh lebih keras dan lebih awet dibandingkan perunggu, meskipun rentan terhadap karat. Namun, hal. ini telah ditentang. Hittitolog Trevor Bryce berargumentasi bahwa sebelum teknik pengolahan besi tingkat lanjut dikembangkan di India, senjata besi meteorit yang digunakan oleh tentara Mesopotamia awal memiliki kecenderungan mudah hancur dalam peperangan, karena kandungan karbonnya yang tinggi.
Produksi besi pertama dimulai sejak Zaman Perunggu tengah tetapi memerlukan beberapa abad sebelum dapat menggantikan perunggu. Contoh leburan besi dari Asmar, Mesopotamia dan Tall Chagar Bazaar di Siria bagian utara dibuat antara 2.700 dan 3.000 SM. Hittites tampaknya adalah yang pertama memahami produksi besi dari bijihnya dan sangat dihormati dalam masyarakat mereka. Mereka mulai melebur besi antara 1.500 dan 1.200 SM dan praktik ini tersebar ke Timur Dekat setelah kekaisaran mereka runtuk pada tahun 1.180 SM. Periode berikutnya disebut Zaman Besi. Peleburan besi, oleh karenanya dinamakan Zaman Besi, mencapai Eropa dua ratus tahun kemudian dan tiba di Zimbabwe, Afrika pada abad ke-8. Di China, besi hanya muncul sekitar tahun 700-500 SM. Peleburan besi telah diperkenalkan kepada China melalui Asia Tengah. Bukti awal penggunaan tanur tinggi di China berpenanggalan abad pertama setelah masehi, dan tungku kubah (bahasa Inggris: cupola furnaces) digunakan pada awal periode perang (403–221 BCE). Penggunaan tanur tinggi dan kubah tetap menyebar selama Dinasti Song dan Tang.
Artifak besi lebur ditemukan di India berpenanggalan antara 1.800 hingga 1.200 SM, dan di Levant sejak sekitar 1.500 SM (menunjukkan peleburan di Anatolia atau Kaukasus).
Pengolahan besi masuk ke Yunani di akhir abad ke-11 SM. Penyebaran pengolahan besi di Eropa Tengah dan Barat dihubungkan dengan ekspansi kaum Kelt. Menurut Gaius Plinius Secundus (Pliny the Elder) penggunaan besi adalah jamak pada era Romawi. Produksi besi tahunan Kekaisaran Romawi diperkirakan 84.750 ton, sementara China Han yang padat penduduk memproduksi sekitar 5.000 ton.
Selama Revolusi Industri di Inggris, Henry Cort mulai memperhalus besi dari besi kasar (bahasa Inggris: pig iron) dan besi tempa (atau besi batang) menggunakan sistem produksi inovatif. Pada tahun 1783, ia mematenkan proses puddling untuk mengolah bijih besi. Proses ini kemudian disempurnakan oleh peneliti lain, termasuk Joseph Hall.

Besi tuang / besi cor

Besi tuang (atau besi cor) (bahasa Inggris: cast iron) pertama kali diproduksi di China selama abad ke-5 SM, tetapi hampir tidak dikenal di Eropa sampai periode abad pertengahan. Artifak besi tuang tertua ditemukan oleh arkeolog di tempat yang sekarang dikenal sebagai Luhe County, Jiangsu, China. Besi tuang digunakan oleh China kuno untuk peralatan perang, pertanian, dan arsitektur. Selama periode abad pertengahan, di Eropa ditemukan sarana produksi besi tempa dari besi cor (dalam konteks ini dikenal sebagai besi kasar) dengan menggunakan finery forge. Pada seluruh proses ini, digunakan batu bara sebagai bahan bakar.
Tanur tinggi abad pertengahan mempunyai tinggi sekitar 10 kaki (3,0 m) dan terbuat dari bata tahan api; udara tekan diperoleh dari penghembus yang digerakkan oleh tangan. Tanur tinggi modern jauh lebih besar.
Pada tahun 1709, Abraham Darby I membentuk tanur tinggi batu bara untuk memproduksi besi tuang. Ketersediaan besi murah adalah salah satu faktor yang menyebabkan Revolusi Industri. Menjelang akhir abad ke-18, besi tuang mulai menggantikan besi tempa untuk tujuan tertentu, karena harganya yang lebih murah. Kandungan karbon dalam besi tidak dilihat sebagai alasan untuk membedakan sifat besi tempa, besi tuang, dan baja hingga abad ke-18.
Karena besi menjadi lebih murah dan lebih banyak, besi juga menjadi bahan struktural utama menyusul pembangunan inovatif jembatan besi pertama pada tahun 1778.

Baja

Baja (dengan kandungan karbon yang lebih kecil daripada besi kasar tetapi lebih banyak daripada besi tempa) pertama kali diproduksi menggunakan bloomery. Pandai besi di Luristan, Iran bagian barat membuat baja yang bagus pada 1.000 SM. Kemudian, versi pengembagannya adalah, baja Wootz oleh India dan baja Damaskus dikembangkan sekitar 300 SM dan 500 setelah masehi. Metode ini adalah spesialisasi, dan oleh karenanya baja tiak menjadi komoditas utama hingga tahun 1850an.
Metode produksi baru adalah melalui karburasi besi batangan dalam proses sementasi ditemukan pada abad ke-17. Pada Revolusi Industri, metode baru memproduksi besi batangan tanpa batu bara ditemukan dan hal ini kemudian digunakan untuk memproduksi baja. Pada akhir 1850an, Henry Bessemer menciptakan proses pembuatan baja baru, melibatkan penghembusan udara melalui lelehan besi kasar untuk memproduksi baja lunak. Hal ini membuat baja jauh lebih ekonomis, oleh karena itu besi tempa tidak lagi diproduksi.

Jalur industri

Produksi besi atau baja adalah suatu proses dengan dua tahapan utama, kecuali produk yang diinginkan adalah besi tuang. Tahap pertama adalah produksi besi kasar (pig iron) dalam tanur tinggi. Cara lain, reduksi langsung. Tahap kedua, besi kasar diubah menjadi besi tempa atau baja.
 
Untuk beberapa fungsi terbatas seperti inti elektromagnet, besi murni diproduksi dengan cara elektrolisis larutan fero sulfat.

Metode laboratorium

Besi logam secara umum diproduksi di laboratorium melalui dua metode. Pertama adalah elektrolisis fero klorida pada katode besi. Metode kedua melibatkan reduksi besi oksida dengan gas hidrogen pada temperatur sekitar 500 °C.

Senyawa besi

Meskipun peran metalurgi dominan dalam hal jumlah, senyawa besi banyak digunakan oleh baik industri maupun kegunaan lainnya. Katalis besi secara tradisional digunakan dalam proses Haber-Bosch untuk produksi amonia dan proses Fischer-Tropsch untuk konversi karbon monoksida menjadi hidrokarbon untuk bahan bakar dan pelumas. Serbuk besi dalam pelarut asam digunakan dalam reduksi Bechamp yaitu reduksi nitrobenzena menjadi anilin.
Besi(III) klorida digunakan untuk pemurnian air dan pengolahan limbah, untuk mewarnai tekstil, sebagai pewarna cat, sebagai aditif pakan ternak, dan sebagai etchant untuk tembaga dalam pabrikasi PCB. Ini bisa juga dilarutkan dalam alkohol untuk membuat besi tincture. Halida lainnya cenderung memiliki penggunaan yang terbatas di laboratorium.
Besi(II) sulfat digunakan sebagai prekursor untuk senyawa besi lainnya. Ini juga digunakan untuk mereduksi kromat dalam semen. Ini digunakan untuk memfortifikasi makanan dan mengobati anemia defisiensi besi. Hal di atas adalah kegunaan utamanya. Besi(III) sulfat digunakan dalam pengendapan partikel limbah dalam air tangki. Besi(II) klorida digunakan sebagai pereduksi flokulator, dalam pembentukan kompleks besi dan besi oksida magnetik, serta sebagai reduktor dalam sintesis organik.

Peran Biologi

Besi melimpah dalam biologi. Besi-protein ditemukan dalam semua organisme mulai dari yang promotif archaea hingga manusia. Warna darah disebabkan oleh hemoglobin, suatu protein yang mengandung besi. Seperti dalam hemoglobin, besi seringkali terikat pada kofaktor, misalnya dalam heme. Gugus besi-belerang adalah penyusun nitrogenase, suatu enzim yang bertanggung jawab pada fiksasi nitrogen biologis. Pengaruh teori evolusi memberikan peran pada besi sulfida dalam teori besi-belerang dunia.
Besi adalah unsur renik penting yang ditemukan di hampir semua organisme hidup. Enzim dan protein mengandung besi, seringkali mengandung gugus prostetik heme, yang berperan besar dalam oksidasi dan transportasi biologis. Contoh protein yang ditemukan dalam organisme tingkat tinggi antara lain hemoglobin, sitokrom (lihat besi valensi tinggi), dan katalase.

Senyawa bioanorganik

Senyawa besi "bioanorganik" (yaitu senyawa besi yang digunakan dalam biologi) yang paling banyak diketahui adalah protein heme: contohnya: hemoglobin, myoglobin, dan sitokrom P450. Senyawa-senyawa ini dapat melakukan transportasi gas, membuat enzim, dan digunakan dalam transfer elektron. Metaloprotein adalah gugus protein dengan ion logam kofaktor. Beberapa contoh besi metaloprotein adalah feritin dan rubredoksin. Banyak enzim vital untuk kehidupan mengandung besi, seperti katalase, lipoksigenase, dan IRE-BP.

Kesehatan dan diet

Besi memang melimpah, tetapi sumber zat besi utama antara lain daging merah, kacang-kacangan, kacang, daging unggas, ikan, sayuran hijau, selada air, tahu, buncis, kacang polong, roti yang difortifikasi, dan sereal yang difortifikasi. Besi dalam jumlah kecil ditemukan dalam molases, teff, dan tepung kentang (farina). Besi dalam daging (besi heme) lebih mudah diserap daripada besi dalam sayuran. Meskipun sejumlah studi menyebutkan bahwa heme/hemoglobin dari daging merah mempunyai efek yang dapat meningkatkan kemungkinan kanker usus besar, tetapi tetap ada sejumlah kontroversi, dan bahkan ada beberapa studi yang menyatakan bahwa tidak ada bukti cukup yang mendukung klaim semacam itu.
Besi yang ada dalam suplemen makanan seringkali ditemukan sebagai besi(II) fumarat, meskipun besi sulfat lebih murah dan dapat diserap cukup baik. Unsur besi, meski efisiensi penyerapannya hanya ​¹⁄₃ relatif dari besi sulfat, sering ditambahkan dalam makanan seperti sereal dan tepung terigu. Besi yang paling mudah diserap tubuh apabila di-khelat-kan dengan asam amino dan juga tersedia sebagai suplemen besi. Seringkali asam amino yang dipilih adalah yang termurah dan paling umum yaitu glisin, dalam bentuk suplemen "besi glisinat". Angka Kecukupan Gizi (AKG) yang dianjurkan (bahasa Inggris: Recommended Dietary Allowance (RDA)) untuk besi beragam sesuai umur, jenis kelamin, dan sumber zat besi (besi berbasis heme memiliki bioavilabilitas yang lebih tinggi). Bayi memerlukan suplemen besi jika mengkonsumsi susu formula. Pendonor darah dan wanita hamil beresiko mengalami kekurangan besi dan seringkali dianjurkan untuk mengkonsumsi suplemen besi.

Penyerapan dan penyimpanan

Akuisisi besi menghadapi masalah bagi organisme aerobik, karena ion feri sukar larut pada pH mendekati netral. Oleh karena itu, bakteri telah melibatkan senyawa sekuestor yang disebut siderofora (bahasa Inggris: siderophore).
Setelah diserap, dalam sel, penyimpanan besi diatur dengan hati-hati; ion besi "bebas" tidak tersedia begitu saja. Komponen utama yang mengatur ini adalah protein transferin, yang mengikat ion besi yang diserap dari duodenum dan mengangkutnya melalui aliran arah menuju sel. Pada hewan, tumbuhan, dan jamur, besi seringkali berupa ion yang berbentuk kompleks heme. Heme adalah komponen esensial protein sitokrom, yang mengatur reaksi redoks, dan komponen esensial protein pengangkut oksigen seperti hemoglobin, myoglobin, dan leghemoglobin.
Besi anorganik berkontribusi pada reaksi redoks dalam gugus besi-belerang enzim, seperti nitrogenase (terlibat dalam sintesis amonia dari nitrogen dan hidrogen) serta hidrogenase. Protein besi non-heme meliputi enzim metana monooksigenase (mengoksidasi metana menjadi metanol), ribonukleotida reduktase (mereduksi ribosa menjadi deoksiribosa; biosintesis DNA), hemertrin (transpor oksigen dan fiksasi dalam invertebrata laut) serta asam fosfatase ungu (hidrolisis ester fosfat).
Distribusi besi sangat diatur dalam mamalia, terutama karena ion besi berpotensi tinggi pada toksisitas biologis.

Pengaturan asupan

Asupan besi diatur ketat oleh tubuh manusia, yang tidak memiliki pengaturan fisiologis ekskresi besi. Hanya sejumlah kecil besi yang hilang setiap hari karena peluruhan sel mukosa dan epitel kulit, sehingga pengendalian level besi sangat diatur dari asupannya. Pengaturan asupan besi tidak berlangsung sempurna pada beberapa orang akibat dari cacat genetik yang memetakan region gen HLA-H pada kromosom 6. Pada orang-orang ini, kelebihan asupan dapat mengakibatkan kelainan akibat kelebihan besi (bahasa Inggris: iron overload disorder), seperti hemokromatosis. Banyak orang memiliki kerentanan genetik terhadap kelebihan zat besi tanpa menyadarinya atau menyadari masalah sejarah keluarga. Berdasarkan alasan tersebut, disarankan untuk tidak mengkonsumsi suplemen besi kecuali mengalami defisiensi besi dan telah berkonsultasi dengan dokter. Hemokromatosis diperkirakan menyebabkan penyakit antara 0,3 dan 0,8% di kalangan ras kaukasia.
MRI menemukan bahwa besi terakumulasi dalam hipokampus otak pada penderita Alzheimer dan dalam substansia nigra pada penderita Parkinson.

Bioremediasi

Bakteri pemakan besi hidup di lambung kapal karam seperti Titanic. Bakteti asidofil Acidithiobacillus ferrooxidans, Leptospirillum ferrooxidans, Sulfolobus spp., Acidianus brierleyi and Sulfobacillus thermosulfidooxidans dapat mengoksidasi enzimatis besi fero. Sample jamur Aspergillus niger ditemukan tumbuh dari larutan penambangan emas, dan ditemukan mengandung kompleks sianologam seperti emas, perak, tembaga, besi dan seng. Jamur juga berperan dalam kemudahlarutan sulfida logam berat.

Hambatan permeabel reaktif

Besi zerovalen adalah materi reaktif utama pada hambatan permeabel reaktif.

Toksisitas

Mencerna besi dalam jumlah besar dapat menyebabkan kelebihan kadar besi dalam darah. Kadar besi fero yang tinggi dalam darah bereaksi dengan peroksida membentuk radikal bebas, yang sangat reaktif dan dapat merusak DNA, protein, lemak, dan komponen sel lainnya. Oleh karena itu, toksisitas besi muncul ketika besi bebas dalam sel, yang biasanya terjadi ketika kadar besi melebihi kemampuan transferin mengikat besi. Kerusakan pada sel saluran pencernaan dapat juga menghambat pengaturan asupan besi yang berakibat pada peningkatan lebih lanjut kadar besi darah. Besi umumnya merusak sel dalam jantung, liver dan lainnya, yang dapat menyebabkan efek parah, termasuk koma, asidosis metabolik, syok, kegagalan liver, koagulopati, sindrom distres pernapasan dewasa (bahasa Inggris: adult respiratory distress syndrome), kerusakan organ jangka panjang, dan bahkan kematian. Manusia mengalami keracunan besi di atas 20 miligram besi per kilogram berat badan, dan 60 miligram per kilogram adalah dosis letal. Asupan besi berlebihan, seringkali akibat dari konsumsi berlebih tablet fero sulfat pada anak-anak tetapi dengan dosis dewasa. Ini adalah salah satu keracunan umum yang menyebabkan kematian pada anak-anak usia di bawah enam tahun. Standar Asupan Gizi (bahasa Inggris: Dietary Reference Intake (DRI)) mencantumkan Batas Atas Toleransi (bahasa Inggris: Tolerable Upper Intake Level (UL)) untuk dewasa adalah 45 mg/hari. Untuk anak-anak di bawah empat belas tahun, UL-nya 40 mg/hari.
Pengelolaan medis keracunan besi adalah rumit, dan dapat berupa penggunaan zat pengkhelat yang disebut deferoksamina untuk mengikat dan mengeluarkan kelebihan besi dari dalam tubuh.