Besi

Besi adalah unsur dalam jadual berkala yang mempunyai simbol Fe dan nombor atom 26. Besi merupakan logam yang berada dalam kumpulan 8 dan kala (period) 4.

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.

Kegunaan 
Besi merupakan logam paling biasa digunakan di antara semua logam, iaitu 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 bagi kapal 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 kecil mangan. 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. Sebatian keras dan rapuh ini mendominasi sifat-sifat utama besi tuang 'putih', menyebabkannya keras, tetapi tidak tahan kejutan. Dalam besi tuang 'kelabu', karbon hadir dalam bentuk serpihan halus grafit, dan ini juga menyebabkan bahan menjadi rapuh kerana ciri-ciri grafit yang mempunyai pinggir-pinggir tajam yang merupakan kawasan tegasan tinggi. Jenis besi kelabu yang baru, yang dinamakan 'besi mulur', adalah dicampur dengan kandungan surih magnesium untuk mengubah bentuk grafit menjadi sferoid, atau nodul, lantas meningkatkan ketegaran dan kekuatan besi.
 Besi karbon mengandungi antara 0.5% dan 1.5% karbon, dengan sejumlah kecil mangan, belerang, fosforus, dan silikon.
 Besi tempa (Wrought iron) mengandungi 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.

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. 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 menyingkirkan sanga sambil mengoksidakan kandungan karbonmenghasilkan 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), bahan api fosil, digunakan sebagai ganti. Innovasi ini oleh Abraham Darby membekalkan tenaga untuk Revolusi Perindustrian di England.

Ragam Kewujudan 

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 menghasilkan karbon 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.

Sebatian 

Keadaan pengoksidaan biasa untuk besi termasuk:
 Bentuk Ferum(II), Fe2+, dahulunya dinamakan ferus amat biasa.
 Bentuk Ferum(III), Fe3+, dahulunya dinamakan ferik, juga biasa, sebagai contoh dalam karat.

 Bentuk Ferum(IV), Fe4+, dahulunya dinamakan feril, stabil dalam sebahagian enzim (contoh. peroksidase).
 Ferum(VI) juga ada, walaupun jarang dalam Kalium ferat.
 karbide besi Fe3C juga dikenali sebagai cementite.
 Lihat juga besi oksida

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.

Rujukan 
 Los Alamos National Laboratory – Iron

Pautan luar 

 WebElements.com – Iron
 It's Elemental – Iron
 iron manufacturers directory 

 
Bahan bakar piroteknik
Bahan bangunan
Bahan feromagnet
Logam peralihan
Mineral diet
Unsur kimia