BESI DAN BAJA

Oleh:Kelompok V

• M. Wahyu Rafsanjani (08 231 101)• Ria Ultari (08 231 141)• Ni’matul Husne (08 231 125)• Nursam (08 231 133)• Regina S. Hamzan (08 231 142)

FAKULTAS PENDIDIKAN MATEMATIKA DAN IPA

IKIP MATARAM

2010

BESI DAN BAJA

Besi adalah logam transisi yang paling banyak dipakai karena

relatif melimpah di alam dan mudah diolah. Besi murni tidak begitu kuat,

tetapi bila dicampur dengan logam lain dan karbon didapat baja yang

sangat keras. Biji besi biasanya mengandung hematite (Fe2O3) yang

dikotori oleh pasir (SiO2) sekitar 10 %, serta sedikit senyawa sulfur, posfor,

aluminium dan mangan.

1. SIFAT FISIS BESI

Fase padatMassa jenis (sekitar suhu

kamar)7,86 g/cm³

Massa jenis cair pada titik

lebur6,98 g/cm³

Titik lebur1811K

(1538 °C, 2800 °F)

Titik didih3134K

(2861 °C, 5182 °F)Kalor peleburan 13,81 kJ/molKalor penguapan 340 kJ/mol

Kapasitas kalor(25°C) 25,10 J/

(mol·K)

2. SIFAT KIMIA BESI

Seri kimia logam transisiGolongan, Periode, Blok VIIIB, 4, d

Massa atom 55,845(2) g/molKonfi gurasi elektron [Ar] 3d6 4s2

Jumlah elektron tiap kulit 2, 8, 14, 2Bilangan oksidasi 2, 3, 4, 6

(oksida amfoter)Elektronegativitas 1,83 (skala Pauling)Energi ionisasi pertama: 762,5 kJ/mol

ke-2: 1561,9 kJ/molke-3: 2957 kJ/mol

Jari-jari atom 140 pmJari-jari atom (terhitung) 156 pmJari-jari kovalen 125 pmSifat magnetik ferromagnetik

1. Mempunyai daya hantar listrik dan panas yang baik. Karena memiliki

ikatan ganda dan ikatan kovalen logam.

2. Besi murni cukup reaktif. Dalam udara lembab cepat teroksidasi

membentuk besi (III) oksida hidrat.

3. EKSTRAKSI BESI DAN BAJA

3.1 Proses ekstraksi Besi

Besi diekstraksi dari bijih besi yang mengandung senyawa besi seperti

hematit (Fe2O3),magnetit (Fe3O4), dan siderit (FeCO3). Proses ekstraksi

dilakukan dalam tungku yang disebut tanur tiup (blast furnace) dengan

menggunakan metode reduksi. Berikut thaapan ekstraksi Fe dari bijih besi:

Contohnya haematite (Fe2O3).

• Campuran padatan bijih besi haematite, coke dan limestone secara

kontinu dimasukkan ke dalam blast furnace.

• Coke dibakar di dasar dan udara panas ditiupkan untuk membakar

coke (karbon) untuk membentuk karbon dioksida dalam reaksi

oksidasi (C menerima O).

• Energi panas dibutuhkan dalam reaksi eksotermik untk

meningkatkan suhu blast furnace hingga di atas 1000O C untuk

mempengaruhi reduksi bijih logam.

o Karbon + oksigen → karbon dioksida

o C (s) + O2 (g) → CO2 (g)

• Pada suhu tinggi terbentuk karbon dioksida, bereaksi dengan

coke (karbon) lain untuk membentuk karbon monoksida

o Karbon dioksida + karbon → karbon monoksida

o (catatan : CO2 tereduksi dengan kehilangan O,C

teroksidasi dengan menerima O)

• Karbon monoksida adalah molekul yang benar-benar

mengusir oksigen dari bijih besi oksida. Ini adalah reaksi reduksi

(Fe2O3 kehilangan O, atau Fe 3+ menerima tiga elektron untuk

membentuk Fe) dan CO dikenal sebagai agen pereduksi (pengusir

O dan teroksidasi dalam proses).

• Logam besi dilelehkan pada suhu blast furnace tinggi dan

menetes ke dasar blast furnace. Reaksi reduksi utama adalah:

o Besi (III) oksida + karbon monoksida → besi + karbon

dioksida

o Fe2O3(s) + 3CO(g) → 2Fe(l) + 3CO2(g)

o Catatan, dalam kedua reaksi di atas, oksidasi dan

reduksi selalu terjadi bersamaan!

3.2 Ekstraksi Baja

Baja merupakan pemurnian dari besi tuang, yaitu dengan

mengurangi kadar karbon dan pengotor lainnya seperti Si dan P. baja

dibuat agar besi menjadi semakin kuat dan membuat paduan logam.

Proses Umum pembuatan baja sebagai berikut.

• Menurunkan kadar karbon dari 3-4 % dalam besi cair menjadi 0-1,5

%

• Pengotor seperti Si, Mn, dan P diikat oleh kapur yang dimasukkan

besi cair.

• Ditambahkan logam seperti : Cr, Ni, Mn, V, dan Mo sesuai dengan

jenis baja yang di inginkan.

• Cara membuat baja yaitu menuangkan leburan besi tuang kedalam

wadah yang bagian dalamnya dilapisi baja tahan api yang disebut

pengkonversi (converter).

• Sebagian besar baja diproduksi dalam konverter oksigen basa-

tungku berbentuk seperti silinder dengan salah satu ujung terbuka

dan dilapisi bata tahan api dan dapat dimiringkan agar bahan awal

dapat dimasukkan/ produknya dituangkan. Konverter ditegakkan di

bawah tudung (untuk mengumpulkan gasnya) dan oksigen murni

dengan kecepatann tinggi dihembuskan ke umpan di bawahnya

melalui nozel di dalam tombak yang fleksibel.Tombak ini

ditempatkan di atas permukaan lelehan umpan.oksigen yang lebih

banyak dihembuskan ke dalam melalui tuyer yang dipasang di

dasar konverter.

• Dalam beberapa detik setelah semburan dilakukan, oksida kuat

dimulai dalam besi gubal.

2Fe + O2 → 2FeO.

• Silikon terbakar langsung menjadi SiO2 atau bereaksi dengan FeO

menghasilkan produk yang sama.

Si + O2 → SiO2

2FeO + Si 2Fe + SiO2

• SiO2 yang bersifat asam (asidik) ini lalu bereaksi dengan fluks yang

bersifat basa (umumnya CaO, yang telah dihembuskan ke dalam

campuran bersama dengan oksigen dan membentuk suatu produk

yang terpisah dari logam panas sebagai terak:

Dalam terak.

SiO2 + CaO → CaO.SiO2 (l)

• Oksidasi posfor dan pembuangannya menjadi terak berlangsung

dengan cara yang sama,

5FeO + 2P + 3CaO 5Fe + (CaO)3.P2O5 (l)

• Terak juga mengambil MnO (yang terbentuk melalui oksida

mangan dalam besi gubal) dan sedikit FeO; kedua oksida logam ini

bersifat asam. Karbon, zat asing utama dalam besi gubal,

dioksidasi menjadi CO (g):

C + FeO → Fe + CO

C + 1/2O2 → CO

• Oksigen, hidrogen, dan nitrogen larut dalam lelehan baja dan harus

dibuang sebelum baja dicetak. Ini membuat rongga dalam

pencetakan. Menjelang akhir proses pembuangan gas, Al

ditambahkan. Penambahan bertujuan mengurangi kadar oksigen

dalam baja.

2Al + 3/2O2 → Al2O3

2Al + 3FeO → Al2O3 + 3Fe

• Oksida aluminium yang tak larut membentuk lapisan yang mudah

dipisahkan.

4. PERSENYAWAAN BESI

A. Besi III

Ion besi (III) berukuran relatif kecil dengan rapatan muatan 349 C mm-3

untuk low-spin dan 232 C mm-3 untuk high-spin, sehingga mempunyai

daya mempolarisasi yang cukup untuk menghasilkan ikatan berkarakter

kovalen. Sebagai contoh, besi (III) klorida berwarna merah hitam, berupa

padatan dengan struktur jaringan kovalen. Pada pamanasan hingga fase

gas terbentuk spesies dimerik, Fe2Cl6. besi (III) klorida dapat dibuat dari

pemanasan langsung besi dengan klorin menurut persamaan reaksi:

2 Fe (s) + 3 Cl (g) 3 FeCl3 (s)

Besi (III) bromida mirip dengan besi (III) klorida, tetapi besi (III) iodida tidak

dapat diisolasi sebab ion iodida mereduksi besi (III) menjadi besi (II).

2 Fe3+ (aq) + 2 I- (aq) → 2 Fe2+ (aq) + I2 (aq)

Besi (III) klorida anhidrat bereaksi dengan air menghasilkan gas HCl

karena reaksinya bersifat eksotermik, kontras dengan padatan kuning

keemasan garam heksahidrat. FeCl3.6H2O, yang larut begitu saja dalam

air menghasilkan ion heksahidrat, [Fe(H2O)6]3+:

FeCl3 (s) + 3 H2O (l) → Fe (OH)3 (s) + 3 HCl (g) + kalor

Ion heksaakuabesi (III), [Fe(H2O)6]3+, berwarna agak ungu pucat, seperti

halnya warna besi (III) nitrat nanohidrat. Warna kekuningan untuk

senyawa kloridanya dapat dikaitkan dengan terjadinya transfer muatan

Fe3+─ Cl - → Fe2+─ Cl - dalam ion [Fe(H2O)5Cl]2+.

Semua garam besi (III) larut dalam air menghasilkan larutan asam.

Rapatan muatan kation yang relatif tinggi (232 C mm3-) mampu

mempolarisasikan molekul air ligan dengan cukup kuat, sehingga molekul

air pelarut dapat berfungsi sebagai basa dan memisahkan proton dari air

ligan.

Warna biru senyawa ini sering dimanfaatkan untuk pembuatan tinta, cat,

termasuk pigment cetak biru. Selain itu, uji paling sensitif adanya ion besi

(III) adalah dengan menambahkan larutan ion tiosianat ke dalam larutan

Fe(III); terjadinya warna merah darah oleh karena terbentuk ion

pentaaquotiosianatobesi (III), sebagai indikasi adanya ion Fe3+ dalam

larutan.

[Fe(H2O)6]3+ (aq) + SCN- (aq) → [Fe(H2O)5(SCN)]2+ (aq) + H2O (l)

Warna ini sangat khas dan mudah dikenali, sehingga hadirnya sekelumit

pengotor ion besi (III) dapat terdeteksi dengan ion tiosianat ini.

Reaksi ion besi (III) lainnya yang cukup unik adalah dengan larutan ion

tiosulfat dalam keadaan dingin ( pada suhu es), menghasilkan warna

violet gelap ion bis(tiosulfato)ferat (III):

[Fe(H2O)6]3+ (aq) + 2 [S2O3]2- (aq) → [Fe(S2O3)2]- (aq) + 6 H2O (l)

Jika larutan ini dihangatkan hingga temperatur kamar terjadi reaksi

redoks:

Fe3+ (aq) + [Fe(S2O3)2]- (aq) → 2 Fe3+ (aq) + [S4O6]2- (aq)

Ion heksasianoferat (III), [Fe(CN)6]3-, berwarna agak kemerahan dan dapat

dibuat dari oksidasi heksasianoferat (II), [Fe(CN)6]4-, misalnya dengan Cl2.

B. Besi (II)

besi (II) klorida anhidrat, FeCl2, dapat dibuat dengan mengalirkan gas HCl

kering pada logam besi panas. Karena gas H2 yang dihasilkan bersifat

reduktor, maka oksidasi lanjut Fe(II) menjadi besi(III) dapat dicegah:

Fe (s) + 2 HCl (g) → FeCl2 (s) + H2 (g)

Besi (II) klorida anhidrat tak berwarna demikian juga tetrahidratnya, tetapi

heksahidratnya menjadi agak kehijauan. Baik besi (II) klorida anhidrat

maupun terhidrat, keduanya ionik. Hal ini dapat diasosiasikan dengan

rendahnya densitas muatan besi (II) (~98 Cmm-3) yang jauh berbeda

dengan besi (III) (~232 C mm-3). Semua garam besi (II) terhidrat

mengandung ion [Fe(H2O)6]2+ yang berwarna pucat kehijauan, jika

sebagian teroksidasi menjadi besi (III) warna menjadi kuning kecoklatan.

Kristal garam besi (II) sulfat heptahidrat, FeSO4. 7H2O, cenderung

kehilangan beberapa molekul air (efloresense). Dalam fase padat, garam

rangkap amonium besi (II) sulfat heksahidrat, (NH4)2Fe(SO4)2. 6H2O, atau

lebih tepatnya amonium heksaakuabesi (II) sulfat heksahidrat,

[(NH4)2Fe(H2O)6][SO4]2, atau disebut juga garam Mohr, menunjukkan

stabilitas kisi yang paling tinggi. Garam ini di udara terbuka tidak

mengalami efluoresense dan juga tidak teroksidasi, sehingga sering

dipakai sebagai larutan kalium permanganat. Garam tris (1,2-

diaminoetana)besi (II) sulfat, [Fe(en)3][SO4], juga dapat dipakai sebagai

standar redoks.

Kehadiran nitrogen monoksida, NO, dapat menggantikan posisi salah satu

molekul air dalam ion heksaaquobesi (II) menjadi ion

pentaaquonitrosilbesi (II) yang berwarna coklat tua dan sering muncul

sebagai “cincin coklat” pada uji ion nitrat dalam tabung uji:

NO (aq) + [Fe(H2O)6]2+ (aq) → [Fe(H2O)5(NO)]2+ (aq) + H2O (l)

Penambahan ion hidroksida ke dalam larutan ion besi(II) pada awalnya

menghasilkan endapan gelatin hijau besi (II) hidroksida. Tetapi, hadirnya

oksidator misalnya dari udara, mengakibatkan terjadi perubahan warna

menjadi kuning coklat dari besi (III) oksida terhidrat menurut persamaan

reaksi:

Fe2+ (aq) + 2 OH- (aq) → Fe(OH)2 (s)

Sama seperti ion besi (III) yang dapat diidentifikasi dengan ion

heksasianoferat (II), [Fe(CN)6]4-, ion besi (II) juga dapat dideteksi dengan

ion heksasianoferat(III), [Fe(CN)6]3-, dengan menghasilkan produk yang

sama dengan biru Prusian (yang pada mulanya disebut biru Turnbull

ketika diduga merupakan paoduk berbeda):

3 Fe2+ (aq) + 4 [Fe(CN)6]3- (aq) → Fe4[Fe(CN)6]3 (s) + 6 CN- (aq)

Harga potensial oksidasi besi (II) menjadi besi (III) sangat bergantung

pada ligannya. Sebagai contoh, ion heksasianoferat(II), [Fe(CN)6]4-, jauh

lebih mudah teroksidasi daripada ion heksaaquobesi(II), [Fe(H2O)6]2+:

[Fe(CN)6]4- (aq) → [Fe(CN)6]3- (aq) + e Eo = -0,36 V

[Fe(H2O)6]2+ (aq) → [Fe(H2O)6]3+ (aq) + e Eo = -0,77 V

Perbedaan nilai potensial reduksi tersebut terutama berkaitan dengan (1)

muatan ion, dan (2) sifat spin ion besinya yang disebabkan oleh

perbedaan kuat medan ligan yang bersangkutan. Pada dasarnya ion

logam bermuatan rendah lebih stabil daripada ion bermuatan tinggi. Untuk

ion komplek pertama, bola koordinasi ligan menghasilkan muatan negatif

yang terlalu besar (6CN) di seputar ion pusat besi (II) dan muatan ion total

yang telalu tinggi (-4) sehingga mengurangi stabilitas muatan ion pusat.

Tetapi, ligan siano menghasilkan medan ligan kuat, sehingga ion

kompleks bersifat low-spin dengan energi penstabilan medan ligan yang

lebih besar dan konfigurasi elektronik yang relatif lebih simetri pada

[Fe(CN5)]4- - d6 dibandingkan dengan kedua aspek tersebut pada

[Fe(CN)6]3- - d5. Dengan demikian, kompensasi kedua aspek ini kurang

saling mendukung untuk kesetabilan kedua tingkat oksidasi dan akibatnya

nilai potensial reduksi ion kompleks ini agak rendah.

5. SINTESIS BESI DAN BAJA

a. sintesis besi

besi diolah dari bijihnya dalam suatu tungku yang disebut tanur tiup

(blast furnace). Tanur tiup berbentuk silinder raksasa dengan tinggi 30 m

atau lebih dan diameter

bagian tengah sekitar 8 m.

Bahan yang digunakan

dalam pengolahan besi, selain

bijih besi adalah kokas (C) dan

batu kapur (CaCO3). Kokas

berfungsi sebagai reduktor,

sedangkan batu kapur

berfungsi sebagai fluks, yaitu

bahan yang akan bereaksi

dengan pengotor dalam bijih

besi dan memisahkan

pengotor itu dalam bentuk

cairan kental yang disebut

terak (slag). Komposisi bahan-bahan tersebut bergantung pada pengotor

dalam bijih besi. Bijih besi mengandung pengotor, baik yang bersifat asam

seperti SiO2 (pasir), Al2O3, dan P2O5, maupun pengotor yang bersifat basa

seperti CaO, MgO, dan MnO. Akan tetapi, biasanya pengotor yang

bersifat asam lebih banyak sehingga perlu ditambahkan fluks yang

bersifat basa, yaitu CaCO3.

Proses/reaksi yang terjadi pada pengolahan besi secara garis besar

sebagai berikuat:

Bijih besi, kokas, dan batu kapur diumpankan dari puncak tanur,

sementara dari bagian bawah tanur dengan membebaskan kalor,

sehingga suhu di daerah itu dapat mencapai 2000oC.

C (s) + O2 (g) → CO2 (g) + kalor

Ketika bergerak naik, gas CO2 yang baru terbentuk itu bereaksi lagi

dengan kokas yang bergerak turun membentuk CO.

CO2 (g) + C (s) → 2CO (g)

Gas CO inilah yang akan mereduksi bijh besi secara bertahap.

(+3) (+3/+2) (+2) (0)

Fe2O3 tahap1 Fe3O4 tahap2 FeO tahap3 Fe

Tahap 1 : 3Fe2O3 + CO → 2Fe3O4 + CO2

Tahap 2 : Fe3O4 + CO → 3FeO + CO2

Tahap 3 : FeO + CO → Fe + CO2

Reaksi totalnya dapat dituliskan sebagai berikut.

FeO3 (s) + 3CO (g) → 2Fe (l) + 3CO2 (g)

Oleh karena suhu tanur sangat tinggi, besi yag terbentuk berupa

cairan. Reaksi pembentukan terak yang menghilangkan pengotor

berlangsung sebagai berikut.

CaCO3 (s) → CaO (s) + CO2 (g) (800-900oC)

CaO (s) + SiO2 (s) → CaSiO3 (l) (1200oC)

3CaO (s) + P2O5 (g) → Ca3 (PO4)2 (l) (1200oC)

Reaksi yang menghsilkan pengotor yang larut dalam besi cair.

MnO + C → Mn + CO (1400oC)

SiO2 + 2C → Si + 2CO (1400oC)

P2O5 + 5C → 2P + 5CO (1400oC)

Mn, Si, P, C, dan S larut dalam besi cair. Besi cair turun ke dasar tanur

dan dikeluarkan secara periodik. Adapun terak, karena massa jenisnya

lebih kecil, mengapung di atas besi cair itu. Lapisan terak sekaligus

berfungsi melindungi besi cair dari oksidasi kembali. Terak dikeluarkan

dari saluran tersendiri dan dapar digunakan sebagai bahan dasar

pembuatan jalan raya atau bahan pupuk.

Besi yang dihasilkan dari tanur disebut besi gubal (pig iron) atau

besi kasar, mengandung kira-kira 95% besi, 3-4 % karbon, dan sisanya

pengotor lain seperti Mn, Si, P, dan S. Besi gubal bersifat keras tetapi

rapuh. Pada umumnya, sebagian lain dapat dialirkan ke dalam cetakan

sehingga diperoleh besi tulang (cast iron). Besi tempa diperoleh dari besi

gubal dengan mengurangi kadar karbon. Besi tempa lebih lunak dan tidak

rapuh.

b.Sintesis baja

logam-logam campur dari besi disebut baja. Perubahan yang harus

dilakukan pada pembuatan baja dari besi gubal, yaitu :

1. menurunkan kadar karbon dari 3 - 4 % menjadi 0 - 1,5 %,

2. menghilangkan pengotor seperti Si, Mn, dan P,

3. menambahkan logam-logam campur seperti Ni dan Cr, sesuai

dengan jenis baja yang akan dibuat.

Tungku oksigen adalah silinder baja raksasa dengan pelapis yang bersifat

basa pada bagian dalamnya. Tungku ini berkapasitas sekitar 200 ton besi

cair, 80 ton besi bekas, dan 18 ton kapur (CaO) sebagai fluks. Ke dalam

campuran yang berupa cairan sangat panas itu ditiupkan oksigen murni

melalui pipa berpendingin. Gas oksigen akan mengoksidasi karbon

menjadi karbon monoksida (CO), sedangkan pengotor lainnya dipisahkan

ke dalam terak. Proses pembuatan baja dengan tungku oksigen ini hanya

memerlukan waktu sekitar 22 menit.

6. PENGGUNAAN BESI DAN BAJA

a. Kegunaan besi

Digunakan sebagai campuran untuk membuat paduan

logam,misalnya untuk membuat baja, besi tempa, besi tuang, dll,

yang banyak digunakan sebagai bahan bangunan, peralatan-

peralatan logam, rangka kendaraan,dll.

Digunakan untuk membuat lembaran logam seperti lembaran

logam berlapis seng.

Besi murni digunakan sebagai bahan elektromagnet.

Senyawa-senyawa besi digunakan dalam bidang kedokteran

untuk pengobatan anemia.

Digunakan sebagai ionik.

b. kegunaan baja

Jenis baja sangat beragam sehinga penggunaannya sangat luas,

mulai dari mainan anak, perkakas dapur,industri kendaraan, konstruksi

bangunan. Salah satu contoh baja yang paling terkenal adalah baja

tahan karat (stainless stells), yang merupakan paduan (alisase) besi

dengan kromium (14 – 18 %) dan nikel (7 – 9 %). Baja tahan karat

digunakan untuk membuat perkakas seperti guntin, obeng, dan kunci;

perkakas dapur seperti sendok, dan panci; dan sebagainya.

Daftar Pustaka

Cotton, Wilkinson. 1989. Kimia Anorganik Dasar. UI-Press. Jakarta

Syukri, S. 1999. Kimia Dasar 3. ITB: Bandung.

Keenan, Charles. W. 1992. Kimia untuk Universitas Jilid 2. Erlangga : Jakarta.

Oxtoby, David.W. 2003. Prinsip-Prinsip Kimia Modern Jilid II. Erlangga: Jakarta.

Sudjana, Atep. 2004. Sains Kimia. Galaxy Puspa Mega: Bekasi.

Sunardi. 2006. 116 unsur kimia deskripsi dan pemanfaatannya. Yrama Widya: Bandung

http://www.wikipedia.com id, Wikipedia.org/wiki/Besi (Situs Ensiklopedi Wikipedia)