Dari Mana Besi Berasal atau Bagaimana Pembuatannya?

Ketika Anda merenungkan asal usul besi, pikiran Anda mungkin mengembara ke dalam visi pabrik baja, abad pertengahan medieval menempa atau beberapa proses manufaktur lainnya yang ditandai dengan kerja keras, langsung dan sangat tinggi suhu. Namun selain sebagai jenis logam yang digunakan dalam berbagai cara dalam industri manusia, besi juga sebagai unsur, bukan senyawa atau paduan, artinya adalah mungkin untuk mengisolasi satu atom besi. Ini tidak berlaku untuk sebagian besar materi yang sudah dikenal; misalnya, jumlah terkecil air yang masih bisa disebut air mencakup tiga atom, salah satunya oksigen dan dua lainnya hidrogen.

Menariknya, meskipun orang mengasosiasikan besi dengan suhu yang sangat tinggi dalam pengaturan manufaktur di sini Bumi, besi sebagai elemen berutang keberadaannya pada peristiwa yang begitu panas dan begitu jauh sehingga jumlah yang terlibat hampir tidak ada merasakan. Jadi, melakukan studi tentang bagaimana besi dibuat membutuhkan dua proses paralel: Menjelajahi bagaimana besi muncul came dan bagaimana ia mencapai Bumi, dan bagaimana orang-orang di Bumi membuat dan menggunakan besi untuk keperluan sehari-hari maupun khusus kegiatan. Topik-topik ini pada gilirannya mengundang diskusi tentang penggunaan besi di dalam dan oleh sistem kehidupan dan pandangan umum tentang bagaimana berbagai elemen berasal dan menyebar ke seluruh kosmos.

Besi telah dikenal manusia sejak sekitar 3500 SM, atau lebih dari 5.500 tahun yang lalu. Namanya berasal dari versi Anglo-Saxon, yaitu "iren." Simbol besi tabel periodik Fe berasal dari kata Latin untuk besi, yaitu besi. Jika Anda membaca dengan teliti apotek dan kebetulan melihat suplemen zat besi, Anda akan melihat bahwa sebagian besar nama mereka "besi" sesuatu-atau-lain (seperti sulfat atau glukonat). Setiap kali Anda melihat kata "besi" atau "besi" dalam konteks kimia, Anda harus segera menyadari bahwa besi sedang dibahas; "ironis," meskipun kata yang bagus dan berguna, tidak memiliki peran dalam dunia ilmu fisika.

Besi (disingkat Fe) diklasifikasikan sebagai logam tidak hanya untuk keperluan sehari-hari tetapi juga pada tabel periodik unsur (lihat Sumberdaya untuk contoh interaktif). Ini mungkin tidak mengejutkan, tetapi kenyataannya, jumlah logam melebihi nonlogam di alam dengan selisih yang lebar; dari 113 elemen yang ditemukan atau diciptakan manusia di laboratorium, 88 diklasifikasikan sebagai logam.

Atom, seperti yang mungkin sudah Anda ketahui, terdiri dari nukleus yang mengandung campuran proton dan neutron dengan massa yang kira-kira sama dikelilingi oleh "awan" elektron yang hampir tak bermassa. Proton dan elektron membawa muatan yang besarnya sama, tetapi muatan proton positif sedangkan muatan elektron negatif. Nomor atom besi adalah 26, artinya besi memiliki 26 proton dan 26 elektron dalam keadaan netral secara elektrik. Massa atomnya, yang jika dibulatkan hanyalah jumlah atau proton dan neutron, hanya sedikit dari 56 gram per mol, yang berarti bahwa bentuknya yang paling stabil secara kimia mengandung (56 - 26) = 30 neutron.

Besi memiliki beberapa sifat fisik yang tangguh. Memiliki massa jenis 7,87 g/cm³, membuatnya hampir delapan kali lebih padat dari air. (Kerapatan adalah massa per satuan volume; air didefinisikan sebagai 1,0 g/cm³ menurut konvensi.) Besi adalah padatan pada 20 derajat Celcius (68 F), umumnya dianggap "suhu kamar" untuk keperluan kimia. Titik lelehnya sangat tinggi 1538 C (2800 F), sedangkan titik didihnya – yaitu, suhu di mana besi cair mulai menguap dan menjadi gas – adalah 2861 C (5182 F). Maka, tidak mengherankan bahwa dalam pengerjaan logam, jenis tungku yang digunakan pasti sangat kuat.

Besi, menurut massanya, adalah elemen keempat yang paling melimpah di kerak bumi. Namun, bagian total besi di Bumi mungkin jauh lebih besar, mengingat inti cair planet ini diyakini terutama terdiri dari besi cair, nikel, dan belerang. Ketika besi diekstraksi dari tanah dalam operasi penambangan, itu adalah dalam bentuk bijih, yaitu unsur besi yang dicampur dengan satu atau lebih jenis batuan. Jenis bijih besi yang paling umum adalah hematit, tetapi magnetit dan taconite juga merupakan sumber penting dari logam ini.

Besi berkarat, atau korosi, sangat mudah dibandingkan dengan logam lain. Hal ini menimbulkan masalah bagi para insinyur karena saat ini, sembilan persepuluh dari logam yang dimurnikan termasuk besi.

Sebagian besar besi yang ditambang untuk digunakan manusia berakhir dalam bentuk baja. "Baja" adalah paduan, yang berarti campuran logam. Bentuk populer dari produk ini saat ini disebut baja karbon, yang agak menyesatkan karena karbon hanya menyumbang sebagian kecil dari massa baja ini dalam segala bentuknya. Dalam bentuk baja karbon karbon tertinggi, karbon menyumbang sekitar 2 persen dari massa logam; angka ini dapat berkisar hingga 1/10 dari 1 persen tanpa logam kehilangan gelar "baja karbon."

Baja karbon pada gilirannya dapat dipalsukan secara strategis dengan logam lain untuk menghasilkan paduan dengan sifat tertentu yang diinginkan. Baja tahan karat, misalnya, adalah bentuk baja karbon yang memiliki sejumlah besar kromium – lebih dari 10 persen massa. Bahan ini terkenal karena daya tahannya dan kecenderungannya untuk mempertahankan penampilannya yang mengkilap dan berkilau untuk waktu yang lama karena ketahanannya yang tinggi terhadap korosi. Baja tahan karat menonjol dalam arsitektur, bantalan bola, instrumen bedah, dan peralatan makan. Kemungkinannya bagus bahwa jika Anda dapat melihat bayangan Anda dengan jelas di permukaan logam murni, Anda sedang melihat sejenis baja tahan karat.

Ketika sejumlah logam seperti nikel, vanadium, tungsten dan mangan diintegrasikan ke dalam baja, itu membuat zat yang sudah keras menjadi lebih keras; baja paduan ini oleh karena itu sangat cocok untuk dimasukkan dalam jembatan, instrumen pemotong dan komponen jaringan listrik.

Jenis besi non-baja yang disebut besi tuang mengandung banyak karbon (setidaknya menurut standar pengerjaan logam besi): 3 hingga 5 persen. Besi tuang tidak sekeras baja, tetapi jauh lebih murah, jadi berpindah dari baja ke cor besi, Anda membuat trade-off umum yang sama seperti yang Anda lakukan saat beralih dari tulang rusuk utama ke 70 persen ramping roti isi daging.

Besi di Bumi dibuat, atau lebih tepatnya diekstraksi, dari bijih besi. Bagian "batuan" dari bijih besi mengandung oksigen, pasir dan tanah liat dalam jumlah yang bervariasi tergantung pada jenis bijihnya. Pekerjaan pekerjaan besi, sebagaimana pabrik-pabrik paling awal disebut, adalah menghilangkan sebanyak mungkin batu dan pasir lainnya sambil meninggalkan besi - sedikit berbeda pada prinsipnya dari mengupas kacang atau mengupas jeruk untuk mendapatkan bagian yang baik, kecuali dalam hal bijih besi, besi tidak hanya dikelilingi oleh sekali pakai bahan; itu dicampur langsung dengan itu.

Terlepas dari suhu yang menakutkan dan tantangan fisik keseluruhan dari pekerjaan besi, manusia sudah menggunakannya di zaman pra-Kristen. Pengerjaan besi pertama kali mencapai Kepulauan Inggris melalui daratan Eropa dan Asia Barat pada abad ke-5 SM. Saat itu, besi secara fisik dipisahkan dari bahan yang tidak diinginkan semaksimal mungkin hanya menggunakan arang, tanah liat dan bijih itu sendiri, dipanaskan sampai suhu yang sederhana dibandingkan dengan apa yang akan mengikuti. Bagaimanapun, peleburan sedang berlangsung pada 1500 SM, tetapi hampir 30 abad kemudian, pada 1400-an, tanur tinggi ditemukan, mengubah "industri" (seperti dulu) secara radikal dan selamanya.

Saat ini, besi dibuat dengan memanaskan hematit atau magnetit dalam tanur tinggi bersama dengan bentuk karbon yang disebut "kokas" serta kalsium karbonat (CaCO₃), lebih dikenal sebagai batugamping. Ini menghasilkan senyawa yang mengandung sekitar 3 persen karbon dan bahan pezina lainnya – kualitasnya tidak ideal, tetapi cukup baik untuk membuat baja. Setiap tahun, sekitar 1,3 miliar metrik ton (kira-kira 1,43 miliar ton AS, atau hampir 3 triliun pon) baja mentah diproduksi di seluruh dunia.

Dari mana besi di mesin pencuci piring stainless-steel atau tungku kayu Anda "berasal" mungkin merupakan pertanyaan yang jauh lebih menarik daripada bagaimana besi bisa ada di mana pun di alam semesta. Besi dianggap sebagai elemen berat, dan elemen jenis ini hanya dapat dibuat dalam peristiwa "kematian bintang" bencana yang disebut supernova. Sementara sebagian besar bintang gagal saat mereka membakar pasokan bahan bakar hidrogen mereka, beberapa bintang benar-benar padam dengan keras.

Ini adalah peristiwa yang secara statistik jarang terjadi, hanya terjadi beberapa kali setiap seratus tahun selama ini dari seluruh Galaksi Bima Sakti, tumpukan bintang yang berputar perlahan dan materi lain yang disebut manusia rumah. Tetapi mereka juga sangat penting. Tanpa mereka, kekuatan yang diperlukan untuk menyebabkan elemen-elemen yang lebih kecil dan cukup besar menyatu bersama pada benturan dan menciptakan elemen-elemen yang lebih besar seperti besi, tembaga, merkuri, emas, yodium, dan timah tidak akan ada. Dan sepanjang waktu, sebagian kecil dari unsur-unsur ini menempuh jarak jauh melalui ruang angkasa dan menetap di Bumi, terkadang dalam bentuk hantaman meteorit.

Besi diyakini mewakili perkiraan titik potong dalam hal elemen yang dapat dihasilkan oleh biasa proses pembakaran bintang (seolah-olah proses ini sendiri benar-benar "biasa" dengan cara apa pun) dan yang hanya dapat dibuat oleh supernova.

Sebagian besar elemen – oksigen, nomor atom 8, sampai tetapi mungkin tidak termasuk besi, nomor atom 26 – dibuat setelah sebuah bintang mulai kehabisan pasokan hidrogennya. Alasan sebuah bintang "terbakar" adalah karena ia terus-menerus mengalami reaksi fusi yang tak terhitung jumlahnya, dengan hidrogen, unsur paling ringan (nomor atom 1) bertabrakan dengan atom hidrogen lain untuk membentuk helium (nomor atomatom 2). Akhirnya, di bagian terdalam bintang, atom helium bertabrakan dalam kelompok untuk membentuk karbon (nomor atom 6).

Anda mungkin mengenali zat besi sebagai zat penting dalam makanan manusia hanya berdasarkan klaim iklan oleh produsen makanan ("Sereal ini mengandung 100 persen tunjangan harian yang direkomendasikan A.S besi!"). Anda mungkin tidak tahu mengapa hal ini terjadi.

Ternyata, tubuh manusia yang khas mengandung sekitar 4 gram unsur besi. Itu mungkin kedengarannya tidak banyak, tetapi mengapa tubuh Anda membutuhkan logam apa pun di dalamnya? Faktanya, zat besi adalah bagian penting dari hemoglobin, protein pengikat oksigen yang ditemukan dalam sel darah merah (RBC). Sel darah merah mengangkut oksigen dari paru-paru ke jaringan, di mana ia digunakan dalam respirasi sel.

Ketika orang menjadi kekurangan zat besi karena asupan makanan yang tidak mencukupi (zat besi ditemukan dalam daging, terutama daging organ, serta biji-bijian tertentu) atau keadaan penyakit sistemik, sel darah merah mereka tidak dapat melakukannya pekerjaan dengan benar. Dalam kondisi ini, yang disebut anemia, orang menjadi sesak napas setelah melakukan sedikit aktivitas, dan sering menderita kelelahan, sakit kepala, dan kelemahan umum. Dalam kasus yang parah, transfusi darah mungkin diperlukan untuk memperbaiki anemia, meskipun biasanya koreksi dilakukan dengan menggunakan suplementasi dengan pil dan cairan yang mengandung zat besi.