Besi

Ciri-ciri jelas

Atom besi biasa mempunyai 56 ganda jisim atom hidrogen biasa. Besi adalah logam paling banyak, dan dipercayai unsur kimia kesepuluh paling banyak di alam sejagat. Besi juga merupakan unsur paling banyak (menurut jisim, 34.6%) membentuk Bumi; penumpuan besi pada lapisan berlainan di Bumi berbeza antara tinggi peratusannya pada lapisan dalam sehingga 5% pada kerak bumi; terdapat kemungkinan bahawa teras dalam Bumi mengandungi hablur besi tunggal walaupun ia berkemungkinan sebatian besi dan nikel; jumlah besar besi dalam Bumi dijangka menyumbang kepada medan magnet Bumi. Simbolnya adalah Fe ringkasan kepada ferrum, perkataan Latin bagi besi.
Besi adalah logam yang dihasilkan dari bijih besi, dan jarang dijumpai dalam keadaan unsur bebas. Untuk mendapatkan unsur besi, campuran lain mesti disingkir melalui pengurangan kimia. Besi digunakan dalam penghasilan besi waja, yang bukannya unsur tetapi aloi, sebatian logam berlainan (dan sebahagian bukan-logam, terutamanya karbon).
Nukleus besi adalah antara nukleus-nukleus yang mempunyai tenaga pengikat tertinggi per nukleon, dan hanya diatasi oleh isotop nikel ⁶²Ni. Nukleid stabil yang paling banyak di dalam alam semesta adalah ⁵⁶Fe. Ini merupakan hasil daripada pelakuran nuklear pada bintang. Walaupun perolehan tenaga yang lebih tinggi boleh didapati dengan mensintesis ⁶²Ni, namun proses ini tidak digemari kerana keadaan yang kurang sesuai pada bintang-bintang. Apabila bintang gergasi mengecut pada penghujung hayatnya, tekanan dalaman dan suhu akan meningkat, membolehkan bintang seterusnya menghasilkan unsur yang lebih berat, walaupun keadaan ini adalah kurang stabil berbanding dengan unsur-unsur pada sekitar nombor jisim 60 ("kumpulan besi"). Ini menjurus kepada berlakunya supernova.
Model kosmologi dengan alam sejagat terbuka meramalkan bahawa terdapatnya fasa di mana semua benda akan bertukar menjadi besi, hasil daripada tindak balas pembelahan dan pelakuran yang perlahan.

Sejarah

Tanda-tanda pertama kegunaan besi datangnya dari Sumeria dan Mesir, di mana sekitar 4000 SM, benda kecil, seperti mata lembing dan perhiasan, dihasilkan dari besi yang didapati dari meteor. Oleh kerana meteor jatuh dari langit sebahagian ahli bahasa menjangkakan bahawa perkataan Inggeris iron, yang which has cognates in many northern and bahasa Eropah barat, terhasil dari perkataan Etruska aisar yang bererti "Dewa-dewa".
Sekitar 3000 SM hingga 2000 SM, semakin banyak objek besi yang dikerjakan dihasilkan (dibezakan dengan besi meteor melalui ketiadaan nikel dalam barangan besi tersebut) di Mesopotamia, Anatolia, dan Mesir. Bagaimanapun, kegunaannya kemungkinannya untuk upacara tertentu, dan besi merupakan logam yang mahal, lebih mahal berbanding emas. Dalam epik Iliad, kebanyakan senjata merupakan gangsa, tetapi ketulan besi digunakan untuk perdagangan. Sebahagian sumber (lihat rujukan What Caused the Iron Age? di bawah) mencadangkan bahawa besi dihasilkan sebagai hasil sampingan dari penyucian tembaga ketika itu, sebagai besi span, dan tidak dihasilkan oleh pakar logam masa itu. Pada 1600 SM hingga 1200 SM, besi digunakan secara lebih meluas di Timur Tengah, tetapi tidak menggantikan kegunaan gangsa.
Dari tempoh abad ke-12 SM hingga abad ke-10 SM, terdapat peralihan pantas di Timur Tengah dari segi peralatan dan senjata gangsa kepada besi. Faktor utama peralihan ini tidak kelihatannya sebagai kelebihan teknologi kerjabesi, tetapi sebaliknya disebabkan gangguan bekalan timah. Tempoh peralihan ini, yang berlaku pada tempoh berlainan ditempat berlainan di dunia, mengorak langkah ke zaman tamadun yang dikenali sebagai Zaman Besi.
Serentak dengan peralihan dari gangsa kepada besi adalah jumpaan proses pengkarbonan, yang merupakan proses menambah karbon kepada besi masa itu. Besi yang dihasilkan adalah besi span, campuran besi dan sanga dengan karbon dan karbida, yang kemudiannya diketuk dan dilipat untuk membebaskan jismi slag dan mengoksidakan kandungan karbon, dengan itu menghasilkan besi tempa. Besi tempa amat kurang kandungan karbon dan tidak mudah dikeraskan melalui celupan. Orang-orang Timur Tengah mendapati bahawa hasil yang lebih keras boleh dihasilkan dengan memanaskan objek besi tempa dalam campuran arang untuk tempoh yang lama, dan kemudiannya dicelup dalam air atau minyak. Barangan yang terhasil, yang mempunyai permukaan besi waja, adalah lebih keras dan tahan berbanding gangsa yang digantikannya.
Di negara China besi pertama digunakan juga adalah besi meteor, dengan bukti arkeologi mengenai barangan besi tempa muncul di barat laut, berhampiran Xinjiang, pada abad ke-8 SM. Barangan ini dibuat dengan besi tempa, dicipta melalui proses yang sama dengan yang digunakan di Timur Tengah dan Eropah, dan dipercayai diimport oleh penduduk bukan Cina.
Pada tahun-tahun terakhir Dinasti Zhou (ca 550 BC), keupayaan penghasilan barangan besi bermula disebabkan teknologi tanur yang berkembang tinggi. Menghasilkan rerelau bagas (blast furnace) yang berupaya menghasilkan suhu melebihi 1,300 K, negara Cina telah memajukan penghasilan besi tuang, atau besi mentah
Jika bijih besi dipanaskan serentak dengan karbon sehingga 1420–1470 K, cecair likat terbentuk, satu aloi sekitar 96.5% besi dan 3.5% karbon. Hasil ini kuat, boleh dibentuk menjadi bentuk halus, tetapi terlalu rapuh untuk dibentuk, kecuali ia dinyahkarbon (decarburized) untuk menyingkir kebanyakan karbon. Sebahagian besar penghasilan besi zaman Dinasti Zhou berikut, adalah besi tuang. Besi, bagaimanapun, kekal sebagai penghasilan orang bawahan, digunakan oleh peladang selama beberapa ratus tahun, dan tidak menarik minat kaum bangsawan China sehingga Sinasti Qin (sekitar 221 SM).
Besi tuang mundur di Eropah, disebabkan pelebur Eropah hanya mampu mencapai suhu sekitar 1000 K. Sebahagian besar Abad Pertengahan, di Eropah Barat, besi masih dihasilkan dengan menggunakan besi sponge menjadi besi tempa. Contoh besi tuang yang terawal di Eropah dijumpai dua tempat di Sweden, Lapphyttan dan Vinarhyttan, antara 1150 hingga 1350. Terdapat cadangan oleh para penyelidik bahawa ia mungkin diperkenalkan oleh puak Mongol menyeberangi Russia ketapak tersebut, tertapi tidak terdapat bukti kepada hipothesis ini. Bagaimanapun, menjelang akhir abad ke empat belas, pasaran bagi besi tuang mulai terbentuk, sebagai permintaan bagi peluru meriam yang diperbuat daripada besi tuang.
Peleburan besi awal (sebagaimana proses ini dikenali) menggunakan arang sebagai sumber haba dan agen penurun. Pada abad ke-18 bekalan kayu di England kehabisan dan kok(arang), bahanapi fosil, digunakan sebagai ganti. Innovasi ini oleh Abraham Darby membekalkan tenaga untuk Revolusi Perindustrian di England.

Peranan biologi

Besi dalam bentuk zat besi amat penting bagi semua organisma, kecuali bagi sebahagian kecil bakteria. Ia kebanyakannya disisipkan dengan stabil dalam logamprotein (metalloprotein), kerana sekiranya terdedah atau dalam bentuk bebas ia menyebabkan penghasilan radikal bebas yang kebiasaannya toksik kepada sel. Mengatakan bahawa besi bergerak bebas tidaklah bermaksud ia diangkut secara bebas dalam bendalir badan, sebaliknya besi terikat ketat dengan hampir kesemua biomolekul-biomolekul agar ia dapat melekap secara tak khusus kepada membran sel, asid nukleik, protein dsb.
Haiwan menerapkan besi ke dalam kompleks hem, sejenis komponen penting dalam sitokrom, iaitu protein yang terlibat dalam tindakbalas redoks (termasuk respirasi tetapi tidak terhad kepada respirasi sahaja), dan juga protein-protein pengangkut oksigen, iaitu hemoglobin dan mioglobin. Besi tak organik yang terlibat dalam tindakbalas redoks juga terdapat dalam kelompok besi-sulfur dalam kebanyakan enzim, seperti nitrogenase (terlibat dalam sintesis ammonia daripada nitrogen dan hidrogen) dan juga hidrogenase. Satu kelas yang bernama protein besi bukan hem berperanan dalam pelbagai fungsi dalam hidupan, protein-protein ini termasuklah enzim metana monooksigenase (mengoksidakan metana kepada metanol), ribonukeotida reduktase (menurunkan ribose kepada dioksiribose; biosintesis DNA), hemeritrin (pengangkutan dan pengikatan oksigen dalam invertebrat marin) dan asid fosfatase ungu (hidrolisis ester fosfate). Apabila tubuh menentang jangkitan bakteria, tubuh menyorokkan (sequester) besi dalam pengangkut protein transferrin supaya tidak dapat digunakan oleh bakteria.
Taburan besi dikawalatur secara ketat di dalam badan haiwan mamalia. Besi yang diserap dalam duodenum akan melekat pada transferrin, dan diangkut oleh darah sehingga tiba ke sel-sel. Di situ besi diterap ke dalam protein sasaran melalui mekanisme yang belum lagi diketahui.
Sumber-sumber gizi besi termasuklah daging, ikan, ayam, kacang dal, kacang, bayam, tauhu, kacang kuda, kacang bol, strawberi dan farina.
Besi yang dibekalkan dalam makanan tambahan selalunya dalam bentuk Besi (II) fumarate. RDA untuk besi berbeza-beza bergantung kepada umur, jantina, dan sumber gizi besi (besi berasaskan hem mempunyai keterbiosediaan yang lebih tinggi). Lihat nota langkah berhati-hati di bawah.

Isotop

Besi mempunyai empat isotop stabil yang wujud secara semula jadi, ⁵⁴Fe, ⁵⁶Fe, ⁵⁷Fe and ⁵⁸Fe. Kelimpahan semulajadi isotop-isotop Fe dalam alam sekitar adalah lebih kurang ⁵⁴Fe (5.8%), ⁵⁶Fe (91.7%), ⁵⁷Fe (2.2%) dan ⁵⁸Fe (0.3%). ⁶⁰Fe adalah radionuklida yang telah pupus dan mempunyai separuh hayat yang panjang (1.5 juta tahun). Kebanyakan hasil penyelidikan terdahulu dalam pengiraan komposisi Fe bertumpu kepada penentuan variasi ⁶⁰Fe akibat daripada nukleosintesis (iaitu, kajian meteorit) dan pembentukan bijih. Isotop ⁵⁶Fe menimbulkan minat saintis nuklear kerana ia merupakan nukleus yang paling stabil yang boleh dikecapi. Adalah mustahil untuk menjalankan proses pelakuran atau pembelahan ke atas ⁵⁶Fe untuk membebaskan tenaga. Ini tidak sama dengan lain-lain unsur.
Dalam fasa-fasa meteorit Semarkona und Chervony Kut perkaitan antara kepekatan ⁶⁰Ni, dan hasil reputan ⁶⁰Fe, dan kelimpahan isotop stabil besi boleh ditemui dan ini menjadi bukti kepada kewujudan isotop ⁶⁰Fe sejak saat pembentukan sistem solar. Kemungkinan tenaga yang dibebaskan dalam reputan ⁶⁰Fe, bersama dengan tenaga yang dibebaskan dalam penguraian radionuklida ²⁶Al, membantu dalam peleburan semula dan pembezaan asteroid selepas pembentukannya 4.6 bilion tahun yang lalu. Kelimpahan ⁶⁰Ni yang hadir pada bahan luar daratan dapat memberikan petunjuk yang lebih lanjut mengenai asal sistem solar dan sejarah awalnya.
Di antara isotop-isotop yang stabil ini, hanya ⁵⁷Fe mempunyai spin (−1/2). Oleh sebab itu, ⁵⁷Fe mempunyai kegunaan sebagai isotop spin dalam bidang kimia dan biokimia.

Langkah berhati-hati

Pemakanan zat besi berlebihan adalah toksik, kerana besi ferus berlebihan bertindak balas dengan peroksida dalam badan, menghasilkan radikal bebas. Besi dalam jumlah normal, mekanisma antioksida dalam badan mampu mengawal proses ini. Sekiranya berlebihan, sejumlah radikal bebas yang luar kawal akan terhasil.
Sukatan zat besi yang boleh membawa maut bagi budak berumur dua tahun adalah lebih kurang tiga gram besi. Satu gram boleh mengakibatkan keracunan berat. Terdapat kes-kes yang dilaporkan mengenai kanak-kanak yang mengalami keracunan setelah memakan 10-50 tablet ferus sulfat dalam tempoh beberapa jam. Lebihan dos zat besi merupakan punca kematian kanak-kanak tertinggi antara lain-lain keracunan akibat pemakanan farmaseutikal secara tidak sengaja. DRI menyenaraikan paras tinggi pengambilan yang boleh diterima untuk orang dewasa adalah 45 mg/hari. Untuk kanak-kanak di bawah 14 tahun, paras tinggi ialah 40 mg/hari.
Jika besi diambil secara berlebihan, berbagai-bagai jenis gangguan akibat lebihan zat besi boleh berlaku, seperti hemokromatosis. Oleh sebab itu, makanan tambahan besi tidak patut diambil kecuali jika seseorang itu mengalami gangguan kekurangan besi dan telah mendapat nasihat doktor. Penderma darah adalah antara yang berisiko tinggi menghidap gangguan kekurangan besi dan selalunya akan disyorkan untuk mengambil makanan tambahan besi.