Makalah mangan dan besi

Mangan dan besi

1.       Mangan

a.         Sejarah mangan

Mangan yang berarti magnet dalam bahasa latin adalah suatu unsur kimia yang mempunyai nomor atom 25 dan memiliki symbol Mn. Nama mangan memiliki sejarah yang rumit pada jaman yunani kuno. Ignatius Gottfried Kaim dan Johann Glauber pada taun 1770 menemukan bahwa mangan dioksida dapat diubah menjadi permanganat, sebuah reagen yang sangat berguna. Mangan ditemukan oleh Johann Gahn pada tahun 1774 di Swedia.

b.        Ciri-ciri mangan

Mangan berwarna putih keabu-abuan, dengan sifat yang keras tapi rapuh. Mangan sangat reaktif secara kimiawi, dan terurai dengan air dingin perlahan-lahan. Mangan digunakan untuk membentuk banyak alloy yang penting. Dalam baja, mangan meningkatkan kualitas tempaan baik dari segi kekuatan, kekerasan, dan  kemampuan pengerasan. Dengan aluminum dan bismut, khususnya dengan sejumlah kecil tembaga, membentuk alloy yang bersifat ferromagnetik. Logam mangan bersifat ferromagnetik setelah diberi perlakuan.

c.         Sifat-sifat mangan

Simbol	Mn
Nomor Atom	25
Jenis Unsur	Logam
Massa Atom	54.938045
Titik Didih	2334 K
Kalor Peleburan	12.91
Kalor Penguapan	221
Massa Jenis	7.21 cm3
Titik Lebur	1808 K

d.        Reaksi pada mangan

                         i.              Reaksi dengan air

Mangan yang bereaksi dengan air dapat berubah menjadi basa secara perlahan dan gas hidrogen akan dibebaskan sesuai reaksi:

Mn _(s) + 2H₂O → Mn(OH)₂ + H₂

                       ii.              Reaksi dengan udara

Logam mangan terbakar di udara sesuai dengan reaksi:

3Mn _(s) + 2O_2 (g) → Mn₃O_{4 (s)}

3Mn _(s) + N_2 (g) → Mn₃N_{2 (s)}

                     iii.              Reaksi dengan halogen

Mangan bereaksi dengan halogen membentuk mangan(II)halida, reaksi:

Mn _(s) +X_2 (g) → MnX_{2 (s)}

Selain bereaksi dengan flourin membentuk mangan(II)flourida, juga menghasilkan mangan(III)flourida sesuai reaksi:

2Mn _(s) + 3F_2 (g) → 2MnF_{3 (s)}

                     iv.              Reaksi dengan asam

Logam mangan bereaksi dengan larutan asam secara cepat menghasilkan gas hidrogen sesuai reaksi:

Mn _(s) + H₂SO_4 (aq) → Mn₂⁺ _(aq) + SO₄^2- _(aq) + H_{2 (g)}

e.         Isotop mangan

Mangan alami terdiri dari 1 stabil isotop; 55 Mn. 18 radioisotop telah ditandai dengan yang paling stabil dengan 53 Mn dengan waktu paruh dari 3,7 juta tahun, 54 Mn dengan waktu paruh dari 312,3 hari, dan 52 Mn dengan waktu paruh 5,591 hari. Semua sisa radioaktif isotop memiliki waktu paruh yang kurang dari 3 jam dan mayoritas ini memiliki waktu paruh yang kurang dari 1 menit. Mangan merupakan bagian dari kelompokelemen besi, yang dianggap besar disintesis oleh bintang, lama sebelum terjadi ledakan supernova. 53 Mn meluruh sampai 53 Kr dengan kehidupan setengah dari 3,7 juta tahun. Karena relatif singkat waktu paruhnya, 53 Mn terjadi hanya dalam jumlah kecil karena tindakan sinar kosmik pada besi di batu . Mangan isotopik isinya biasanya dikombinasikan dengan kromium isotopik menemukan isi dan aplikasi dalam isotop geologi dan penanggalan radiometric.

f.          Pembuatan mangan

Logam ,mangan diperoleh dengan :

1.Mereduksi oksida mangan dengan natrium, magnesium, aluminum atau dengan proses elektrolisis.

2. Proses aluminothermy dari senyawa MnO2, persamaan reaksinya:

Tahap 1 :  

Tahap 2 :  

g.         Kegunaan mangan

Mangan sangat penting untuk produksi besi dan baja. Mangan adalah komponen kunci dari biaya rendah formulasi baja stainless dan digunakan secara luas tertentu. Mangan digunakan dalam paduan baja untuk meningkatkan karakteristik yang menguntungkan seperti kekuatan, kekerasan dan ketahanan.. Mangan digunakan untuk membuat agar kaca tidak berwarna dan membuat kaca berwarna ungu.

Mangan dioksida juga digunakan sebagai katalis. Selain itu Mangan digunakan dalam industri elektronik, di mana mangan dioksida, baik alam atau sintetis, yang digunakan untuk menghasilkan senyawa mangan yang memiliki tahanan listrik yang tinggi; di antara aplikasi lain, ini digunakan sebagai komponen dalam setiap pesawat televisi.

Mangan merupakan salah satu mineral yang digunakan oleh beberapa orang untuk membantu mencegah keropos tulang dan mengurangi gejala yang mengganggu terkait dengan sindrom pramenstruasi (PMS).

Methylcyclopentadienyl mangan tricarbonyl digunakan sebagai aditif dalam bensin bebas timbel bensin untuk meningkatkan oktan dan mengurangi ketukan mesin. Mangan dalam senyawa organologam yang tidak biasa ini adalah dalam bilangan oksidasi 1.

Mangan (IV) oksida (mangan dioksida, MnO 2) digunakan sebagai reagen dalam kimia organik untuk oksidasi dari benzilik alkohol (yaitu bersebelahan dengan sebuah cincin aromatik). Mangan dioksida telah digunakan sejak jaman dahulu untuk menetralkan oksidatif kehijauan semburat di kaca disebabkan oleh jumlah jejak kontaminasi besi. MnO 2 juga digunakan dalam pembuatan oksigen dan klorin, dan dalam pengeringan cat hitam. Dalam beberapa persiapan itu adalah cokelat pigmen yang dapat digunakan untuk membuat cat dan merupakan konstituen alam Umber. Mangan (IV) oksida digunakan dalam jenis asli sel kering baterai sebagai akseptor elektron dari seng, dan merupakan bahan kehitaman yang ditemukan saat membuka seng karbon-jenis sel senter. Mangan dioksida yang direduksi ke mangan oksida-hidroksida MnO (OH) selama pemakaian, mencegah pembentukan hidrogen pada anoda baterai. Mangan juga penting dalam fotosintesis oksigen evolusi dalam kloroplas pada tumbuhan.

h.        Dampak mangan bagi kesehatan dan lingkungan

Mangan adalah senyawa yang sangat umum yang dapat ditemukan di mana-mana di bumi. Mangan adalah salah satu dari tiga elemen penting beracun, yang berarti bahwa tidak hanya perlu bagi manusia untuk bertahan hidup, tetapi juga beracun ketika terlalu tinggi konsentrasi hadir dalam tubuh manusia.

Pengambilan mangan oleh manusia terutama terjadi melalui makanan, seperti bayam, teh dan rempah-rempah. Bahan makanan yang mengandung konsentrasi tertinggi adalah biji-bijian dan beras, kacang kedelai, telur, kacang-kacangan, minyak zaitun, kacang hijau dan tiram. Setelah penyerapan dalam tubuh manusia mangan akan diangkut melalui darah ke hati, ginjal, pankreas dan kelenjar endokrin.

Efek mangan terjadi terutama di saluran pernapasan dan di otak. Gejala keracunan mangan adalah halusinasi, pelupa dan kerusakan saraf. Mangan juga dapat menyebabkan Parkinson, emboli paru-paru dan bronkitis. Ketika orang-orang yang terkena mangan untuk jangka waktu lama mereka menjadi impoten. Suatu sindrom yang disebabkan oleh mangan memiliki gejala seperti skizofrenia, kebodohan, lemah otot, sakit kepala dan insomnia.

Dampak lingkungan Mangan

Senyawa mangan secara alami ada dalam lingkungan sebagai padatan di dalam tanah dan partikel kecil di dalam air. Partikel mangan di udara yang hadir dalam partikel debu. Biasanya ini menetap ke bumi dalam waktu beberapa hari. Manusia meningkatkan konsentrasi mangan di udara oleh kegiatan industri dan melalui pembakaran bahan bakar fosil. Mangan yang berasal dari sumber manusia juga dapat memasukkan air permukaan, air tanah dan air limbah. Melalui penerapan pestisida mangan, mangan akan memasuki tanah.

Untuk hewan, mangan adalah komponen lebih penting dari tiga puluh enam enzim yang digunakan untuk karbohidrat, protein dan metabolisme lemak. Jika Binatang makan terlalu sedikit mengadung mangan menyebabkan gangguan pertumbuhan normal, pembentukan tulang dan reproduksi akan terjadi. Untuk beberapa hewan dosis yang mematikan sangat rendah, yang berarti mereka memiliki sedikit kesempatan untuk bertahan lebih kecil. Dosis mangan bila melebihi dosis yang esensial. Zat mangan dapat menyebabkan paru-paru, hati dan gangguan pembuluh darah, penurunan tekanan darah, kegagalan dalam perkembangan janin hewan dan kerusakan otak.

Ketika penyerapan mangan terjadi melalui kulit dapat menyebabkan kegagalan tremor dan koordinasi. Akhirnya, tes laboratorium dengan hewan telah di uji menunjukkan bahwa keracunan mangan parah harus bahkan dapat menyebabkan perkembangan tumor dengan binatang. Pada tumbuhan ion mangan diangkut ke daun setelah pengambilan dari tanah. Bila terlalu sedikit mangan dapat diserap dari tanah ini menyebabkan gangguan pada mekanisme tanaman. Misalnya gangguan dari pembagian air untuk hidrogen dan oksigen, di mana mangan memainkan peranan penting.

Mangan dapat menyebabkan keracunan dan kekurangan baik gejala pada tumbuhan. Bila pH tanah rendah kekurangan mangan lebih umum. Konsentrasi mangan Sangat beracun dalam tanah dapat menyebabkan pembengkakan dinding sel, layu dari daun dan bercak-bercak cokelat pada daun. Kekurangan juga dapat menyebabkan efek tersebut. Antara konsentrasi dan konsentrasi beracun yang menyebabkan kekurangan area kecil konsentrasi untuk pertumbuhan tanaman yang optimal dapat dideteksi.

2.       Besi

a.         Sejarah besi

Tanda-tanda pertama kegunaan besi datang dari Sumeria dan Mesir, sekitar 4000 SM, benda kecil, seperti mata lembing dan perhiasan, dihasilkan dari besi yang didapati dari meteor. karena meteor jatuh dari langit, sebagian ahli bahasa menyangka bahwa kata Inggris iron, hasil dari kata Etruska, aisar yang bererti "Dewa-dewa". Simbol besi adalah Fe singkatan dari ferrum, yaitu bahasa latin dari besi.

Pada tahun-tahun terakhir Dinasti Zhou (ca 550 BC), penghasilan barang besi bermula akibat teknologi tanur yang berkembang tinggi. Menghasilkan blast furnace, negara Cina telah memajukan penghasilan besi tuang, atau besi mentah.

Peleburan besi awal (sebagaimana proses ini dikenali) menggunakan arang sebagai sumber agen penurun. Pada abad ke-18, kayu di England habis dan bahan bakar fosil digunakan sebagai gantinya. Innovasi ini oleh Abraham Darby menyebabkan Revolusi Perindustrian di Inggris.

b.        Ciri-ciri besi

Besi adalah logam berkilau, kuat, mudah ditempa, dan berwarna perak abu-abu. Besi adalah logam paling banyak, dan dipercayai unsur kimia kesepuluh paling banyak di alam sejagat. Besi juga merupakan unsur paling banyak (34.6%) membentuk Bumi; jumlah besar besi dalam Bumi mempengaruhi medan magnet Bumi.

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. Sebagian besar besi ditemukan dalam berbagai senyawa oksida besi, seperti mineral hematit, magnetit, dan taconite. Inti bumi diyakini sebagian besar terdiri dari paduan logam besi-nikel.

c.         Sifat-sifat besi

Simbol	Fe
Radius Atom	1.26 Å
Volume Atom	7.1 cm3/mol
Massa Atom	55.847
Titik Didih	3023 K
Radius Kovalensi	1.17 Å
Struktur Kristal	Bcc
Massa Jenis	7.675cm3
Konduktivitas Listrik	11.2 x 106 ohm-1cm-1
Elektronegativitas	1.83
Konfigurasi Elektron	[Ar]3d6 4s2
Formasi Entalpi	13.8 kJ/mol
Konduktivitas Panas	80.2 Wm-1K-1
Potensial Ionisasi	7.87 V
Titik Lebur	1808 K
Bilangan Oksidasi	2,3
Kapasitas Panas	0.449 Jg-1K-1
Entalpi Penguapan	349.5 kJ/mol

d.        Reaksi pada besi

                         i.              Reaksi dengan udara

Besi bereaksi dengan udara dengan cara oksidasi menghasilkan besi oksida. Besi oksida tidak dapat melindungi bagian dalam besi seperti pada logam alkali karena besi oksida dapat terkelupas sehingga bagian dalam besi juga akan berubah menjadi besi oksida. Proses perubahan ini disebut dengan berkarat. Serbuk halus besi bersifat pyrophoric, sehingga berpotensi menghasilkan api.

4Fe _(s) + 3O_{2 (g)} → 2Fe₂O_{3 (s)}

3Fe _(s) + 2O_{2 (g)} → 2Fe₃O_{4 (s)}

                         i.              Reaksi dengan halogen

2Fe _(s) + 3X_{2 (g)} → 2FeX_{3 (s)}

Reaksi ini sedikit sulit pada iodin karena masalah termodinamika. Besi(III) terlalu oksidasi dan iodin terlalu reduksi. Reaksi besi dengan iodin digunakan untuk menghasilkan besi(II)iodida.

Fe _(s) + I_{2 (g)} → FeI_{2 (s)}

                     iii.              Reaksi dengan asam

Besi larut dalam larutan asam sulfat menghasilkan larutan yang mengandung larutan ion Fe(II) dan gas hidrogen jika dalam keadaan tanpa oksigen.

Fe _(s) + H₂SO_{4 (aq)} → Fe²⁺ _(aq) + SO₄^2- _(aq) + H₂

Jika terdapat oksiden, besi(II) bisa teroksidasi menjadi besi(II)

e.         Isotop besi

Ada 4 isotop besi yang ditemukan di alam: 5.845% ⁵⁴Fe (radioaktif dengan waktu paruh 3,1 x 10²² tahun); 91.754% ⁵⁶Fe; 2,119% ⁵⁷Fe; dan 0,282% ⁵⁸Fe. Terdapat 24 isotop radioaktif yang diketahui.

f.          Alotrop besi

                         i.              Alotrop besi

Besi adalah salah satu contoh yang jelas dari alotrop pada logam. Pada tekanan atmosfer, terdapat 4 bentuk alotrop besi: besi alfa (α), besi beta (β), besi gamma (γ), dan besi delta (δ). Pada tekanan tinggi, terdapat bentuk keempat, yang disebut besi epsilon (ε).

Fase besi pada tekanan atmosfer sangat penting karena perbedaan dalam kemampuan untuk melarutkan karbon akan menghasilkan jenis baja yang berbeda. Fase besi dalam tekanan tinggi sangat penting sebagai bagian padat pada inti planet. Inti dalam bumi umumnya terdiri dari kristal alloy besi-nikel dengan struktur ε. Inti luar yang mengelilingi inti dalam dipercaya terdiri dari besi cair bercampur dengan nikel dan sejumlah unsur ringan lainnya.

                       ii.              Besi delta (δ-Fe)

Besi membentuk alotrop delta pada temperatur 1.538°C (2.800°F) dan memiliki struktur kristal body-centered cubic (BBC)

                     iii.              Besi gamma (γ-Fe)

Struktur kristal besi pada temperatur 1.394°C berubah menjadi face-centered cubic (FCC). Pada bentuk ini besi disebut besi gamma (γ-Fe). Besi gamma mampu melarutkan karbon lebih banyak (2.04% massa pada 1.146°C). bentuk gamma yang jenuh dengan karbon menghasilkan baja stainless.

                     iv.              Besi beta (β-Fe)

Besi beta adalah bentuk usang dari paramagnetik besi alfa. Kebanyakan besi tuang (cast iron) pada suhu ruangan adalah besi alfa. Besi beta secara struktur kristal sama dengan besi alfa, kecuali pada sifat fisiknya. Oleh karena itu, fase beta biasanya tidak dianggap sebagai salah satu bentuk fase tetapi sebagai bentuk fase alfa pada suhu tertinggi.

                       v.              Besi alfa (α-Fe)

Pada temperatur 912°C (1.674°F) struktur kristal kembali menjadi BCC dan terbentuk besi alfa. Senyawa ini bersifat paramagnetik. Besi alfa hanya bisa melarutkan sebagian kecil konsentrasi karbon (tidak lebih dari 0.021% massa pada 910°C)

                     vi.              Besi epsilon (ε-Fe)

Pada tekan diatas sekitar 10 Gpa dan temperature beberapa ratus kelvin ke bawah, besi alfa berubah menjadi struktur hexagonal close-packed (HCP) yang dikenal juga sebagai besi epsilon; besi gamma pada suhu tinggi juga berubah menjadi besi epsilon.

g.         Pembuatan besi

Besi adalah unsur dasar dari meteorit jenis siderite dan sangat sedikit terdapat dalam 2 jenis meteorit lainnya. Inti bumi dengan radius 2150 mil, terdiri dari besi dengan 10 persen hidrogen teroklusi. Bijih  besi yang umum adalah hematit, yang sering terlihat sebagai pasir hitam sepanjang pantai dan muara aliran.

Produksi besi dunia diperkirakan sekitar 500 juta ton per tahun, ditambah sekitar 300 juta ton besi daur ulang. Daerah pertambangan utama besi meliputi Cina, Brasil, Australia, Rusia, Ukraina, Amerika Serikat, Kanada, Venezuela, Swedia, dan India.

Ada 2 tahap untuk pembuatan jenis-jenis besi, yaitu peleburan yang bertujuan untuk mereduksi biji besi sehingga menjadi besi dan peleburan ulang yang berguna dalam pembuatan jenis-jenis baja. Peleburan besi dilakukan dalam suatu tanur tiup (blast furnance). Tanur tiup adalah suatu bangunan yang tingginya sekitar 30 meter dan punya diameter sekitar 8 meter yang terbuat dari baja tahan karat yang dilapisi dengan bata tahan panas. Zat reduksi yang digunakan adalah karbon dengan prinsip reaksi:

Fe₂O_{3 (s)} + 3CO _(g) ↔ 2Fe _(s) + 2CO_{2 (g)}

Bahan yang dimasukkan dalam tanur ada 3 macam jenis material besi :

                         i.              Bijih besi

                       ii.              Karbon (kokas) sebagai zat pereduksi

                     iii.              Batu kapur (CaCO₃) untuk mengikat kotoran pasir ( fluks )

Suhu dalam reaksi tersebut sangat tinggi sehingga  besi mencair dan disebut besi gubal (pig iron) .Besi cair pada umumnya langsung diproses untuk membuat baja. Tetapi, juga dialirkan ke dalam cetakan untuk membuat besi tuang (cast iron) yang mengandung 3-4 % karbon dan sedikit pengotor lain seperti Mn, Si, P. Besi yang mengandung karbon sangat rendah (0,005-0,2%) disebut besi tempa (wrought iron).

Proses tanur tinggi adalah reduksi bijih besi dengan karbon monoksida yang dihasilkan dari kokas dan udara yang dihembuskan dari dasar tanur.

C _(s) + O_{2 (g)} → CO_{2 (g)}

CO_{2 (g)} + C _(s) → 2CO _(g)

Batu kapur berfungsi sebagai fluks, yaitu untuk mengikat pengotor yang bersifat asam, seperti SiO₂ membentuk terak. Reaksi pembentukan terak adalah sebagai berikut. Mula mula batu kapur terurai membentuk kalsium oksida (CaO) dan karbondioksida(CO₂).

CaCO_{3 (s)} → CaO _(s) + CO_{2 (g)}

Kalsium oksida kemudian bereaksi dengan pasir membentuk kalsium silikat, komponen utama dalam terak.

CaO _(s) + SiO_{2 (s)} → CaSiO_{3 (l)}

Terak ini mengapung di atas massa jenis besi cair dan harus dikeluarkan dalam selang waktu tertentu.

Tanur bekerja terus menerus. Campuran pereaksi dimasukkan dari puncak tanur dalam selang waktu yang teratur, bergerak ke bawah sampai lapisan terbawah yang panas keputih-putihan.

Suhu pada dasar tanur cukup panas sehingga melelehkan besi dan terak (zat pengotor yang telah terikat kalsium) yang terdapat sebagai lapisan yang tak tercampur di dasar tanur. Leburan terak mengapung di atas permukaan lelehan besi. Besi yang dihasilkan dari tanur hembus masih mengandung zat pengotor
 seperti karbon, silikon, belerang. 

Zat-zat pengotor ini menyebabkan besi lebih getas, besi ini disebut besi tuang. Komposisi besi tuang bervariasi bergantung pada sumbernya. Baja merupakan suatu alloy besi. Baja dibuat dari besi tuang. Setelah zat pengotor dalam besi dihilangkan, kemudian ditambah sejumlah karbon dan unsur lain yang memberikan sifat khas pada baja itu.

h.        Kegunaan besi

                         i.              Kegunaan utama dari besi adalah untuk membuat baja.

                       ii.              Besi memiliki kegunaan untuk kontruksi atau rangka bangunan, landasan, untuk badan mesindan kendaraan, tulkit mobil, untuk berbagai peralatan pertanian, bangunan dan lain-lain.

                     iii.              Unsur besi sangat penting dalam hampir semua organisme hidup. Pada manusia, besi merupakan unsur penting dalam hemoglobin darah (C₂₉₅₂H₄₆₆₄N₈₁₂O₈₃₂S₈Fe₄).

                     iv.              Fe(OH)₃ digunakan untuk bahan cat seperti cat minyak, cat air, atau cat tembok.

                       v.              Fe₂O₃ sebagai bahan cat, digunakan juga untuk mengkilapkan kaca.

                     vi.              FeSO₄ digunakan sebagai bahan tinta

i.           Dampak besi bagi kesehatan dan lingkungan

                         i.              Pengaruh Besi (Fe) Terhadap Kesehatan Manusia

Senyawa besi dalam jumlah kecil di dalam tubuh manusia berfungsi sebagai pembentuk sel-sel darah merah, dimana tubuh memerlukan 7-35 mg/hari yang sebagian diperoleh dari air. Tetapi zat Fe yang melebihi dosis yang diperlukan oleh tubuh dapat menimbulkan masalah kesehatan.

Besi yang tertelan dalam jumlah banyak bisa menyebabkan naiknya kadar besi dalam darah. Tingginya kadar besi bebas dalam darah bereaksi dengan peroksida menghasilkan radikal bebas, sehingga dapat menyerang DNA, protein, lipid, dan komponen sel lainnya. Biasanya besi menyerang sel pada jantung, hati, dan tempat vital lainnya. Manusia yang keracunan besi diatas 20-60 miligram sudah memasuki dosis lethal.

Air minum yang mengandung besi cenderung menimbulkan rasa mual apabila dikonsumsi. Selain itu dalam dosis besar dapat merusak dinding usus. Kematian sering kali disebabkan oleh rusaknya dinding usus ini. Kadar Fe yang lebih dari 1 mg/l akan menyebabkan terjadinya iritasi pada mata dan kulit.

               ii.          Pencemaran Besi (Fe) Terhadap  Lingkungan

Endapan Fe(OH)₃ bersifat korosif terhadap pipa dan akan mengendap pada saluran pipa, sehingga mengakibatkan pembuntuan dan efek-efek yang dapat merugikan seperti Mengotori bak yang terbuat dari seng, serta mengotori wastafel dan kloset. Gangguan fisik yang ditimbulkan oleh adanya besi terlarut dalam air adalah timbulnya warna, bau, rasa pada air.