UNSUR TRANSISI PERIODE KEEMPAT (BESI Fe)

LEMBAR KERJA SISWA

UNSUR TRANSISI PERIODE KEEMPAT

Diajukan dalam Rangka Memenuhi Tugas Mata Pelajaran Kimia di Kelas XII Semester 1 Tahun Pelajaran 2014/2015

Nama Kelompok      :

1.      Ajeng Eka Yuliana P.       (04)

2.      Dewi Sofoiani                   (09)

3.      Diana Fransiska S.           (10)

Hari/tanggal : Selasa, 11 November 2014

Kelas : XII IPA 3

Judul : Besi (Fe)

DINAS PENDIDIKAN KABUPATEN PEKALONGAN

SMA 1 KAJEN

Jln. Mandurorejo Kajen Pekalongan  *  51161  ( (0285) 381708

e-mail : sma1kajen@yahoo.com, website : http://www.sma1kajen.sch.id/.

Besi mempunyai simbol Fe dan nomor atom 26. Besi merupakan logam transisi yang berada pada golongan VIII B dan periode 4. Besi adalah logam paling melimpah nomor dua setelah alumunium. Besi adalah logam yang dihasilkan dari bijih besi, dan jarang dijumpai dalam keadaan unsur bebas.

A. KELIMPAHAN

Besi merupakan unsur yang ditemukan berlimpah di alam. Besi juga diketahui sebagai unsur yang paling banyak membentuk bumi, yaitu kira-kira 4,7 - 5 % pada kerak bumi.

Kebanyakan besi terdapat dalam batuan dan tanah sebagai oksida besi, seperti oksida besi magnetit (Fe3O4) mengandung besi 65 %, hematite (Fe2O3) mengandung 60 – 75 % besi, limonet (Fe2O3 . H2O) mengandung besi 20 % dan siderit (Fe2CO3).

B. SIFAT – SIFAT

Ø  Sifat Fisika

1. Pada suhu kamar berwujud padat, mengkilap dan berwarna keabuabuan.

2. Merupakan logam feromagnetik karena memiliki empat electron tidak berpasangan pada orbital d.

3. Penghantar panas yang baik.

4. Besi bersifat keras dan kuat

5. Kation logam besi Fe berwarna hijau (Fe²⁺) dan jingga (Fe³⁺). Hal ini disebabkan oleh adanya elektron tidak berpasangan dan tingkat energi orbital tidak berbeda jauh. Akibatnya, elektron mudah tereksitasi ke tingkat energi lebih tinggi menimbulkan warna tertentu. Jika senyawa transisi baik padat maupun larutannya tersinari cahaya maka senyawa transisi akan menyerap cahaya pada frekuensi tertentu, sedangkan frekuensi lainnya diteruskan. Cahaya yang diserap akan mengeksitasi elektron ke tingkat energi lebih tinggi dan cahaya yang diteruskan menunjukkan warna senyawa transisi pada keadaan tereksitasi.

6. Sifat – sifat besi yang lain:

titik didih	3134 K
titik lebur	1811 K
massa atom	55,845(2) g/mol
konfigurasi electron	[Ar] 3d6 4s2
massa jenis fase padat	7,86 g/cm³
massa jenis fase cair pada titik lebur	6,98 g/cm³
kalor peleburan	13,81 kJ/mol
kalor penguapan	340 kJ/mol
Elektronegativitas	1,83 (skala Pauling)
jari-jari atom	140 pm

      Besi merupakan unsur transisi yang mempunyai sifat logam sebagaimana semua unsur transisi lainnya. Sifat logam ini dipengaruhi oleh kemudahan unsur tersebut untuk melepas elektron valensi. Selain itu, keberadaan electron pada blok d yang belum penuh menyebabkan unsur Fe memiliki banyak elektron tidak berpasangan. Elektron- elektron tidak berpasangan tersebut akan bergerak bebas pada kisi kristalnya sehingga membentuk ikatan logam yang lebih kuat dibandingkan dengan unsur golongan utama. Adanya ikatan logam ini menyebabkan titik leleh dan titik didih serta densitas unsur Fe cukup besar sehingga bersifat keras dan kuat.

      Pergerakan elektron- elektron yang tidak berpasangan pada kisi kristal juga menyebabkan logam besi bersifat konduktor atau penghantar panas yang baik. Apabila logam besi diberikan kalor atau panas, energy kinetik elektron akan meningkat. Dengan demikian, elektron memindahkan energinya ke elektron yang lain sehingga panas merambat ke seluruh bagian logam besi tersebut.

7.  Sifat Kemagnetan

Setiap unsur transisi mempunyai sifat magnetik:

a.   paramagnetik,di mana atom, molekul, atau ion sedikit dapat ditarik oleh medan magnet karena ada elektron yang tidak berpasangan pada orbitalnya

contoh: Logam Sc, Ti, V, Cr, dan Mn

b.   diamagnetik, di mana atom, molekul, atau ion dapat ditolak oleh medan magnet karena seluruh elektron pada orbitnya berpasangan.

contoh Cu dan Zn.

c.    feromagnetik, yaitu kondisi yang sama dengan paramagnetik hanya saja dalam keadaan padat contoh  Fe, Co, dan Ni

Ø  Sifat Kimia

1. Unsur besi  bersifat elektropositif (mudah melepaskan elektron) sehingga bilangan oksidasinya bertanda positif. 

2. Fe dapat memiliki biloks 2, 3, 4, dan 6. Hal ini disebabkan karena perbedaan energy elektron pada subkulit 4s dan 3d cukup kecil, sehingga elektron pada subkulit 3d juga terlepas ketika terjadi ionisasi selain electron pada subkulit 4s.

3. Logam murni besi sangat reaktif secara kimiawi dan mudah terkorosi, khususnya di udara yang lembab atau ketika terdapat peningkatan suhu.

4. Memiliki bentuk allotroik ferit, yakni alfa, beta, gamma dan omega dengan suhu transisi 700, 928, dan 1530^oC. Bentuk alfa bersifat magnetik, tapi ketika berubah menjadi beta, sifat magnetnya menghilang meski pola geometris molekul tidak berubah.

5. Mudah bereaksi dengan unsur-unsur non logam seperti halogen, sulfur, pospor, boron, karbon dan silikon.

6. Larut dalam asam- asam mineral encer.

7. Oksidanya bersifat amfoter yaitu oksida yang menunjukkan sifat-sifat asam sekaligus basa.

C. MACAM-MACAM BESI

1. Besi Tuang (cast iron)

ü  Diperoleh dengan cara mendinginkan besi kasar yang diperoleh dari tanur, dengan memasukkannya ke dalam cetakan yang tersedia. Tanur adalah tempat pengolahan bijih besi menjadi logam besi.

ü  Besi tuang mengandung 2 – 4% karbon.

ü  Besi tuang bersifat keras mudah rapuh sehingga banyak digunakan sebagai pipa leding dan radiator.

2. Besi Tempa (wrought iron)

ü  Diperoleh dengan cara mengurangi karbon dari besi kasar sampai kadar karbonnya 0,02%. Caranya besi dipanaskan sehingga karbonnya teroksidasi menjadi CO₂

ü  Sifat besi tempa lebih lunak dibandingkan besi tuang, tetapi lebih kuat.

ü  Karena cukup lunak, maka ditempa menjadi peralatan, seperti golok dan cangkul.

3. Baja

ü  Mengandung karbon sebanyak 0,02%

ü  Baja lebih keras dibandingkan besi tempa.

ü  Dibuat dengan menambahkan logam lain seperti nikel, krom, mangan, vanadium, molibden dan wolfram sesuai dengan baja yang diinginkan.

C.  PEMBUATAN BESI

Bijih besi adalah bahan baku utama untuk pembuatan besi kasar, sedangkan besi kasar tersebut adalah bahan baku untuk pembuatan besi tempa, besi tuang dan baja. Bijih besi didapat dari hasil penambangan bijih besi. Bijih besi yang umum dijumpai yaitu : Haematit (Fe₂O₃), Magnetit (Fe₃O₄), Pyrities (FeS₂), Limonite (2Fe₂O₃.3H₂O), Siderite (FeCO₃). Beberapa cara pembuatan besi antara lain:

1. Dalam industri, besi dihasilkan dari bijih, kebanyakan hematit (Fe₂O₃), melalui reduksi oleh karbon pada suhu 2000⁰C.

2 C + O₂ → 2 CO

3 CO + Fe₂O₃ → 2 Fe + 3 CO₂

Besi yang dihasilkan dapat digunakan dalam sintesis senyawa-senyawa yang mengandung Fe.

2. Melalui proses Pirometalurgi Besi

Sejumlah besar proses metalurgi menggunakan suhu tinggi untuk mengubah bijih logam menjadi logam bebas dengan cara reduksi. Penggunaan kalor untuk proses reduksi disebut pirometalurgi. Pirometalurgi diterapkan dalam pengolahan bijih besi. Reduksi besi oksida dilakukan dalam tanur sembur (blast furnace), yang merupakan reaktor kimia dan beroperasi secara terus-menerus. Campuran material (bijih besi, kokas, dan kapur) dimasukkan ke dalam tanur melalui puncak tanur. Kokas berperan sebagai bahan bakar dan sebagai reduktor. Batu kapur berfungsi sebagai sumber oksida untuk mengikat pengotor yang bersifat asam. Udara panas yang mengandung oksigen disemburkan ke dalam tanur dari bagian bawah untuk membakar kokas. Di dalam tanur, oksigen bereaksi dengan kokas membentuk gas CO.

2C(s) + O₂(g) → 2CO(g) ΔH = –221 kJ

Reaksinya melepaskan kalor hingga suhu tanur sekitar 2.300°C. Udara panas juga mengandung uap air yang turut masuk ke dalam tanur dan bereaksi dengan kokas membentuk gas CO dan gas H₂.

C(s) + H₂O(g) → CO(g) + H₂(g) ΔH = +131 kJ

Reaksi kokas dan oksigen bersifat eksoterm, Kalor yang dilepaskan dipakai untuk memanaskan tanur, sedangkan reaksi dengan uap air bersifat endoterm. Oleh karena itu, uap air berguna untuk mengendalikan suhu tanur agar tidak terlalu tinggi (1.900°C). Pada bagian atas tanur ( 1.000°C), bijih besi direduksi oleh gas CO dan H₂ (hasil reaksi udara panas dan kokas) membentuk besi tuang. Persamaan reaksinya:

Fe₃O₄(s) + 4CO(g) → 3Fe(l) + 4CO₂(g) ΔH = –15 kJ

Fe3O4(s) + 4H₂(g) → 3Fe(l) + 4H₂O(g) ΔH = +150 kJ

Batu kapur yang ditambahkan ke dalam tanur, pada 1.000oC terurai menjadi kapur tohor. Kapur ini bekerja mereduksi pengotor yang ada dalam bijih besi, seperti pasir atau oksida fosfor.

CaCO₃(s) ⎯^Δ⎯→ CaO(l) + CO₂(g)

CaO(l) + SiO₂(l) →CaSiO₃(l)

CaO(l) + P₂O₅(l) →Ca₃(PO₄)₂(l)

Gas CO₂ yang dihasilkan dari penguraian batu kapur pada bagian bawah tanur (sekitar 1.900°C) direduksi oleh kokas membentuk gas CO. Persamaan reaksinya:

CO₂(g) + C(s) → CO(g) ΔH = +173 kJ

Oleh karena bersifat endoterm, panas di sekitarnya diserap hingga mencapai suhu ± 1.500°C. Besi tuang hasil olahan berkumpul di bagian dasar tanur, bersama-sama terak (pengotor). Oleh karena terak lebih ringan dari besi tuang, terak mengapung di atas besi tuang dan mudah dipisahkan, juga dapat melindungi besi tuang dari oksidasi.

E.  MANFAAT BESI

Dalam kehidupan, besi merupakan logam paling biasa digunakan dari pada logam-logam yang lain. Hal ini disebabkan karena harga yang murah dan kekuatannya yang baik serta penggunaannya yang luas. Bijih  besi yang umum adalah hematit, yang sering terlihat sebagai pasir hitam sepanjang pantai dan muara aliran.

Besi amat diperlukan, terutama dalam penggunaan seperti: Rel kereta, Perabotan, Alat-alat pertukangan, Alat transportasi, peralatan perang, peralatan mesin, tiang listrik, penangkal petir, pipa saluran,rumah/ gedung menggunakan besi baja sebagai tiang-tiang penahannya, dan Badan kapal untuk kapal besar. Baja anti karat juga digunakan untuk pembuatan perkakas dapur seperti sendok dan panci. Baja yang terkenal adalah stainless stell yang merupakan paduan besi dengan kromium (14-18%) dan nikel (7-9%) yang mempunyai sifat keras.

Manfaat besi ternyata tidak terbatas sebagai bahan pembuatan perlengkapan yang sangat membantu kehidupan manusia, tetapi besi juga memainkan peranan yang istimewa dalam daur kehidupan organisme hidup. Besi merupakan salah satu mikronutrien penting bagi makhluk hidup. Besi adalah penyusun utama kelangsungan makhluk hidup dan bekerja sebagai pembawa oksigen dalam hemoglobin. FeSO4 digunakan sebagai sumber mineral besi untuk terapidefisiensi/kekurangan zat besi dan digunakan untuk membuat tinta bubuk. Fe3SO4 digunakan untuk pewarnaan tekstil dan pengetesan aluminium.

Kegunaan dari macam-macam besi

• 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.