Unsur Periode 4

Unsur Transisi ialah : unsur yang dalam konfigurasi elektronnya, elektron terakhirnya terletak pada subkulit d. Unsur-unsur transisi mempunyai konfigurasi elektron ns^1®2 (n – 1)d^1®10. Unsur-unsur transisi periode keempat terdiri dari : Skandium (Sc), Titanium (Ti), Vanadium (V), Krom (Cr), Mangan (Mn), Besi (Fe), Kobalt (Co), Nikel (Ni), Tembaga (Cu) dan Seng (Zn).

Unsur Transisi Periode Keempat di Alam

Unsur-unsur transisi periode keempat di alam umumnya terdapat dalam bentuk oksida, sulfida, atau karbonat. Hanya tembaga (Cu) yang ditemukan sebagai unsur bebas di samping sebagai senyawa-senyawanya. Hal ini disebabkan tembaga termasuk logam mulia yang relatif lebih sukar mengalami oksidasi. Dibawah ini tercantum bijih-bijih penting dari logam-logam transisi periode keempat.

Logam Bijih di alam Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Sangat sedikit di alam TiO2 (rutil), FeTiO3 (ilmenit) Pb3(VO4)2 (vanadite) FeCr2O4 ; PbCrO4 MnO2 (pirolusit; batu kawi), Mn2O3.H2O (manganit) Fe2O3 (hematit); Fe3O4 (magnetit); FeCO3 (siderit); FeS2 (pirit); Fe2O3.H2O (limonit) CoAsS (kobalt glance); Co3S4 (lemacite) FeS.NiS (pentlandit); H2(NiMg)SiO4.H2O (garnerit) Cu (bebas) ; CuFeS2 (kalkopirit); Cu2S (kalkosit); Cu2O (kuprit); Cu(OH)2CO3 (malakhit) ZnS (sengblende atau sphalerit); ZnO (zincite)

Sifat-sifat Unsur Transisi Periode Keempat

Unsur-unsur transisi periode keempat mempunyai sifat-sifat yang berbeda dengan unsur logam golongan utama, antara lain :

1. Semua unsur transisi tergolong logam.
2. Unsur transisi umumnya memiliki beberapa bilangan oksidasi.
3. Senyawa unsur transisi umumnya berwarna.
4. Unsur-unsur transisi dan senyawanya bersifat paramagnetik.
5. Membentuk ion kompleks dan senyawa koordinasi.
6. Titik lebur dan titik didih yang lebih tinggi dibanding logam golongan utama.

Sifat-sifat unsur secara umum dapat dijelaskan melalui tabel berikut :

Sifat Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Nomor atom Jari-jari atom (A) Keelektronegatifan (sk.pauling) E. Ionisasi (kJ/mol) Titik leleh (oC) Titik didih (oC) Rapatan pada 25oC (g/cm3) Warna 21 1,44 1,36 631 1541 2831 2,99 perak   22 1,32 1,54 658 1660 3287 4,54 perak 23 1,22 1,63 650 1890 3380 6,11 perak 24 1,18 1,66 653 1857 2672 7,18 perak 25 1,17 1,55 717 1244 1962 7,21 abu2 26 1,17 1,90 759 1535 2750 7,88 abu2 27 1,16 1,88 758 1495 2870 8,89 abu2 28 1,15 1,91 737 1453 2732 8,90 perak 29 1,17 1,90 745 1083 2567 8,96 merah 30 1,25 1,65 906 420 907 7,13 putih biru

• Sifat Logam

Unsur-unsur transisi mempunyai ikatan logam yang kuat dibandingkan dengan loagm golongan utama. Hal ini disebabkan selain elektron valensi yang dapat dilepaskan juga elektron-elektron yang ada pada orbital d belum penuh. Inilah sebabnya logam-logam transisi memiliki sifat : lebih keras, kerapatan yang besar, titik leleh yang tinggi, serta penghantar listrik dan panas yang baik.

• Sifat Magnetik

Unsur-unsur transisi dan senyawanya kebanyakan mengandung elektron yang tidak berpasangan dalam orbital-orbital subkulit d. Akibatnya, sebagian besar unsur transisi dan senyawanya merupakan zat-zat paramagnetik, artinya dapat tertarik atau terinduksi oleh medan magnet. Makin banyak elektron yang tidak berpasangan, makin kuat sifat paramagnetiknya. Zat yang sifat paramagnetiknya sangat kuat disebut ferromagnetik. Sedangkan zat yang semua elektronnya berpasangan bersifat diamagnetik (tak terinduksi medan magnet).

• Warna ion transisi

Elektron-elektron pada orbital d mudah tereksitasi (berpindah ke tingkat energi yang lebih tinggi) dengan mengabsorbsi sinar tampak. Oleh karena itu, umumnya senyawa-senyawa unsur transisi berwarna kecuali Sc dan Zn.

Tabel berikut menunjukkan warna beberapa ion transisi :

Ion Warna Sc3+, Ti4+, Cu+, Zn2+ VO43-, Ni3+ Mn2+, Co2+ Mn3+ Cr2O72-, Fe3+ CrO42- V3+, Cr3+, MnO42-, Fe2+, Ni2+ VO2+, Cr2+, Co3+, Cu2+ Ti3+, V2+, MnO4–   Tak berwarna Merah Merah muda Merah coklat Jingga Kuning Hijau Biru Ungu

 

Bilangan Oksidasi

Hampir semua unsur transisi menunjukkan berbagai macam harga bilangan oksidasi.  Hal ini disebabkan elektron-elektron pada orbital d ikut digunakan dalam membentuk senyawa. Tabel harga bilangan oksidasi unsur transisi periode keempat sebagai berikut :

Unsur Bilangan oksidasi Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn +3 +2, +3, +4 +2, +3, +4, +5 +2, +3, +4, +5, +6 +2, +3, +4, +5, +6, +7 +2, +3, +4, +5, +6 +2, +3, +4 +2, +3 +1, +2, +3 +2

^{*Cetak tebal adalah biloks yang stabil.}

Biloks tertinggi yang dapat dicapai oleh suatu unsur adalah nomor golongan unsur tersebut. Unsur transisi dengan biloks tertinggi tidak terdapat sebagai ion tunggal, melainkan sebagai senyawa kovalen atau ion poliatom.

 

Ion Kompleks

Struktur ion kompleks

Ion kompleks adalah ion yang terbentuk dari suatu kation tunggal (biasanya ion logam transisi) yang terikat langsung pada beberapa anion atau molekul netral.

Dalam suatu ion kompleks, kation logam disebut atom pusat, sedangkan molekul atau anion yang diikatnya dikenal sebagai ligan.

Ion kompleks = atom pusat + ligan-ligan

Dalam suatu ion kompleks, ligan-ligan terikat pada atom pusat melalui ikatan kovalen koordinasi.  Masing-masing ligan menyediakan pasangan elektron, sedangkan atom pusat menyediakan orbital-orbital kosong untuk tempat psg elektron.

Jumlah ligan yang terikat pada atom pusat disebut bilangan koordinasi dari atom pusat tersebut. Sebagai contoh ion kompleks Ag(NH₃)²⁺ atom pusat Ag⁺ memiliki bilangan koordinasi 2.

Pada umumnya, bilangan koordinasi suatu atom pusat (kation logam) adalah 2 x biloks atom logamnya. Namun hal itu tak selamanya berlaku, sebab bilangan koordinasi dipengaruhi juga oleh ukuran ligan. Makin kecil ukuran ligan, makin banyak jumlah ligan itu yang terikat, dan sebaliknya.

Senyawa Kompleks

Senyawa yang mengandung ion kompleks atau senyawa yang ionnya merupakan ion kompleks disebut senyawa kompleks.

Ion kompleks dalam kehidupan

1. Senyawa kompleks dari besi (Fe²⁺; Fe³⁺) antara lain hemoglobin dalam darah. Sintesis hemoglobin juga memerlukan katalis ion Cu²⁺ dengan membentuk kompleks.
2. Senyawa kompleks dari kobalt (Co²⁺) berfungsi dalam sintesis protein dari asam-asam amino dan komponen utama Vit. B-12.
3. Senyawa kompleks dari seng (Zn²⁺) berfungsi dalam hidrolisis protein menjadi asam-asam amino.
4. Senyawa kompleks dari mangan (Mn²⁺) dimana ion Mn²⁺ membentuk kompleks dengan ATP dan ADP dalam metabolisme.
5. Senyawa kompleks dari ligan EDTA, yaitu ligan polidentat yang mempunyai kemampuan besar mengikat logam-logam.

Pengolahan Logam Transisi Periode Keempat

Proses pengolahan suatu bijih menjadi logam murni disebut proses metalurgi. Secara garis besar, proses metalurgi berlangsung dalam tiga tahap sebagai berikut:

• proses pengolahan awal (pretreatment)
• proses reduksi
• proses pemurnian (refining)

Titan (Ti)

Titan adalah logam yang tergolong ringan, tetapi sangat kuat dan tahan karat. Titan dibuat dengan memanaskan rutil (TiO₂) bersama-sama dengan karbon dan gas klor sehingga terbentuk TiCl₄.

TiO₂ + C + Cl₂=> TiCl₄ + CO₂

TiCl₄ yang terbentuk lalu direduksi dengan Mg

TiCl₄ + 2Mg => Ti + 2MgCl₂

Krom (Cr)

Krom adalah logam yang berwarna putih mengkilap, keras tapi rapuh dan sangat tahan karat. Logam Krom diperoleh melalui proses Goldschmidt, yakni mereduksi oksida krom dengan logam Al pada suhu tinggi tanpa udara (O₂).

2Al + Cr₂O₃=> 2Cr + Al₂O₃

Mangan (Mn)

Logam Mn dikenal sebagai logam paduan untuk mengikat O₂, tidak tahan karat.

Besi (Fe)

Besi adalah logam kedua terbanyak setelah Al dan unsur yang terbanyak dalam kerak bumi. Besi diolah dari bijihnya dalam suatu tungku yang disebut tanur tiup (blast furnance). Tanur ini berbentuk silinder raksasa dengan tinggi 30 m atau lebih dan diameter sekitar 8 m.

Adapun cara pengolahan besi sebagai berikut

• Bijih besi, kokas (sebagai pereduksi) dan batu kapur (sebagai fluks, pengikat kotoran) diumpankan dari puncak tanur, sementara dari bagian bawah ditiupkan udara panas.
• Kokas terbakar pada bagian bawah tanur dengan membebaskan kalor sehingga di daerah itu dapat mencapai suhu 2000^o

C + O₂=> CO₂ + 394 kJ

• Ketika bergerak naik, gas CO₂ tersebut bereaksi lagi dengan kokas yang lain membentuk CO.

CO₂ + C => 2CO – 173 kJ

• Gas CO inilah yang akan mereduksi bijih besi secara bertahap:

3Fe₂O₃ + CO => 2Fe₃O₄ + CO₂        (250^oC)

Fe₃O₄ + CO => 3FeO + CO₂             (600^oC)

3FeO + 2CO => 3Fe + 2CO₂            (1000^oC)

Fe₂O₃ + 3CO => 2Fe + 3CO₂

Pada suhu setinggi ini sudah tentu logam besi yang dihasilkan berwujud cair. Besi cair ini lalu mengalir ke bawah dan mengumpul di dasar tanur.

• Sementara itu, batu kapur pada suhu tinggi akan menjadi kapur tohor (CaO) dan gas CO₂.

CaCO_3=> CaO + CO₂                         (800-900^oC)

Kapur tohor inilah yang bereaksi dengan pasir dan zat-zat pengotor lainnya :

CaO + SiO_2=> CaSiO₃                       (1200^oC)

3CaO + P₂O_5=> Ca₃(PO₄)₂ (1200^oC)

CaO + Al₂O_3=> Ca(AlO₂)₂

Hasil-hasil reaksi ini disebut terak (slag), yang mengapung di atas besi cair dan sekaligus melindungi dari oksidasi. Cairan besi yang diperoleh dari tanur tiup disebut besi kasar (pig iron) yang mengandung 95% Fe, 4% karbon dan pengotor lain. Jika dialirkan ke dalam cetakan dan didinginkan disebut besi tuang (cast iron), mengandung 2,2-4%% karbon. Adapun besi yang mengandung karbon 0,12-0,25% disebut besi tempa (wrought iron).

Pembuatan Baja

Berbagai teknologi pembuatan baja dari besi kasar, antara lain :

• Proses Bassemer

Proses pembuatan baja diperkenalkan oleh Henry Bassemer. Proses ini hanya memerlukan waktu      (+ 15 menit). Reaksi yang terjadi adalah :

C + O_2=> CO₂

Si + O_2=> SiO₂

2Fe + O_2=> 2FeO

Untuk mereduksi kembali FeO, ditambahkan logam mangan :

Mn + FeO => Fe + MnO

Baja yang dihasilkan disebut baja ferromangan. Mutu baja jenis ini kurang baik, tetapi cukup murah dan praktis untuk kerangka beton, pipa, kawat, dsb.

• Tungku terbuka (open hearth furnance)

Proses ini diperkenalkan oleh William Siemens. Proses ini membutuhkan waktu + 12 jam tetapi menghasilkan mutu yang lebih baik. Pada proses tungku terbuka, bahan yang dimasukkan adalah besi kasar dan batu kapur. Campuran gas yang dapat terbakar dan udara panas dialirkan melalui permukaan campuran untuk menjaga besi tetap cair. Karbon dan zat-zat pengotor akan teroksidasi. Gelembung gas CO₂ yang dihasilkan akan menyebabkan campuran tetap tergodok, sedangkan zat pengotor lainnya akan diikat oleh CaO untuk menghasilkan terak.

• Tungku Oksigen (basic oxygen process)

Tungku oksigen adalah silinder baja raksasa dengan pelapis yang bersifat basa pada bagian dalamnya. Bahan yang dimasukkan ke dalam tungku ini berupa besi cair, besi bekas, batu kapur sebagai fluks, dan scavengers sebagai pengikat kotoran. Ke dalam campuran yang berupa cairan sangat panas itu ditiupkan oksigen murni melalui pipa berpendingin. Gas oksigen akan mengoksidasikan karbon menjadi karbon monoksida (CO), sedangkan pengotor lainnya dipisahkan ke dalam terak. Proses ini hanya memerlukan waktu + 22 menit.

Kobalt (Co)

Kobalt adalah logam yang keras, berwarna putih kebiruan. Produksi kobalt terutama untuk pembuatan logam-logam campur dan untuk katalisator .

Nikel (Ni)

Nikel adalah logam yang paling penting dalam teknologi modern. Nikel tahan karat.

Tembaga (Cu)

Pengolahan tembaga melalui beberapa tahap, yaitu pengapungan, pemanggangan, peleburan, pengubahan dan elektrolisis. Melalui pengapungan dapat diperoleh bijih pekat yang mengandung 20-40% Cu. Bijih pekat itu kemudian dipanggang  untuk mengoksidasi sebagian besi dan belerang.

4CuFeS₂ + 9O_2=> 2Cu₂S + 2Fe₂O₃ + 6SO₂

Dengan menambahkan SiO₂, oksidasi besi dapat dipisahkan, sedangkan Cu₂S akan dioksidasi lebih lanjut.

2Cu₂S + 3O_2=> 2Cu₂O + 2SO₂

2Cu₂O + Cu₂S => 2Cu + SO₂

Tembaga yang diperoleh kemurniannya 98-99%. Pemurnian tembaga dilakukan dengan elektrolisis.

Seng (Zn)

Pengolahan seng melalui proses pemanggangan seng blende (ZnS), lalu oksida seng yang terbentuk direduksi dengan karbon :

2ZnS + 3O_2=> 2ZnO + 2SO₂

ZnO + C => Zn + CO

Bila didinginkan, Zn yang diperoleh berupa debu.

 

Kegunaan Logam Transisi dan Senyawanya

1. Skandium (Sc)

Unsur ini belum banyak dikenal kegunaannya.

2. Titanium (Ti)

• Logam ini digunakan untuk membuat pesawat terbang, juga mesin-mesin jet, peralatan militer, serta pipa-pipa saluran.
• TiCl₄ : zat cair tak berwarna dengan t.d. 136^oC, pernah digunakan sebagai bom asap.
• TiO₂ : zat berwarna putih terang, digunakan untuk cat dan pelapis permukaan kertas.

3. Vanadium (V)

• Logam ini digunakan sebagai campuran baja yang disebut ferrovanadium.
• V₂O₅ : sebagai katalisator pembuatan asam sulfat menurut proses kontak.

4. Krom (Cr)

• Kegunaannya sebagai pelapis logam lain
• Stainless steel : paduan logam krom yang terdiri atas 18% Cr, 10% Ni, sedikit Mn, C, P, S, Si.
• Tawas krom (K₂SO₄.Cr₂(SO₄)₃.12H₂O) : untuk menyamak kulit.
• K₂CrO₄ dan K₂Cr₂O₇ : oksidator kuat, campurannya dengan asam sulfat dikenal sebagai larutan pencuci di laboratorium.

5. Mangan (Mn)

• Logam ini digunakan sebagai campuran baja ferromangan.
• MnO₂, batu kawi (pirolusit) : zat aktif dalam batu batere dan sebagai katalisator.
• KMnO₄ : sebagai desinfektan dan oksidator.

6. Besi (Fe)

• Besi merupakan tulang punggung peradaban modern, gedung pencakar langit, jembatan, peralatan rumah tangga dan bahan industri seperti pembuatan mesin-mesin, kendaraan, dan kapal laut.

7. Kobalt (Co)

• Kobalt digunakan sebagai logam paduan yang disebut alnico dan mempunyai sifat tahan karat dan untuk membaut magnet permanen.
• Kertas kobalt (mengandung Co(H₂O)₄Cl₂) ; digunakan untuk menunjukkan kelembaban cuaca.
• CoCl₂ : bahan baku tinta.

8. Nikel (Ni)

• Serbuk nikel digunakan sebagai katalis
• Stainless steel : paduan nikel, krom dan besi.
• Monel : paduan logam nikel dengan tembaga, digunakan sebagai baling-baling kapal laut.

9. Tembaga (Cu)

• Digunakan untuk kabel dan peralatan listrik, perabotan dan perhiasan rumah tangga, uang logam.
• Aliasi Cu + Sn : perunggu.
• Aliasi Cu + Zn : kuningan.
• Terusi (CuSO₄.5H₂O) berwarna biru : digunakan sebagai elektrolit pada pemurnian tembaga dan penyepuhan dengan tembaga.
• [Cu(NH₃)₄]SO₄ sebagai penghasil ion Schweitser digunakan untuk melarutkan selulosa pada proses pembuatan nillon.
• CuSO₄ dicampur kapur tohor disebut bubur bordeaux digunakan untuk membunuh serangga (hama tanaman).

10. Seng (Zn)

• Untuk melapisi logam-logam lain agar tahan karat. Logam Zn dapat membentuk logam pelindung bila terkena hujan.

Zn + CO₂ + O₂ + H₂O ® [Zn(OH)₂]CO₃

• Seng ditemukan pada atap rumah, batu baterai, campuran kuningan, percetakan litografi, dsb.
• ZnS : dipakai sebagai bahan cat putih dan juga untuk melapisi tabung gambar TV karena ZnS dapat berfluoresensi bila ada sinar katode.