KIMIA INTI DAN RADIOKIMIA
KIMIA INTI DAN
RADIOKIMIA
Beberapa Definisi
Kimia inti
adalah kajian mengenai perubahan-perubahan dalam inti atom. Perubahan ini
disebut reaksi inti. Peluruhan radioaktif dan transmutasi inti merupakan reaksi
inti.
Radiokimia
mempelajari penggunaan teknik-teknik kimia dalam mengkaji zat radioaktif dan
pengaruh kimiawi dari radiasi zat radioaktif tersebut.
Radioaktivitas adalah
fenomena pemancaran partikel dan atau radiasi elektromagnetik oleh inti yang
tidak stabil secara spontan .
Semua unsur yang
memiliki nomor atom lebih besar dari 83 adalah radioaktif. Peluruhan radioaktif
terjadi melalui pemancaran partikel dasar secara spontan. Contoh: polonium-210
meluruh spontan menjadi timbal-206 dengan memancarkan sebuah partikel α. Transmutasi inti dihasilkan dari
pemboman inti oleh neutron, proton, atau inti lain. Contoh: konversi
nitrogen-14 atmosfer menjadi karbon-14 dan hydrogen. Nukleon :
partikel-partikel penyusun inti, yaitu proton dan neutron. Nuklida : suatu
spesies nuklir tertentu, dengan lambang:
ZAXN
Z = nomor atom.
A = nomor massa = jumlah proton + neutron
N = neutron, biasanya tidak
ditulis karena N = A-Z
Isotop
: kelompok nuklida dengan nomor atom sama. Isobar : kelompok nuklida dengan
nomor massa
sama. Isoton : kelompok nuklida dengan neutron sama.
Partikel
Dasar yang umumnya terlibat dalam reaksi inti:
Nama
|
Lambang
|
Nomor atom
|
Nomor massa
|
Massa (sma)
|
Proton
|
P atau H
|
1
|
1
|
1,00728
|
Neutron
|
N
|
0
|
1
|
1,00867
|
Elektron
|
e
|
-1
|
0
|
0,000549
|
Negatron
|
Β
|
-1
|
0
|
0,000549
|
Positron
|
Β
|
+1
|
0
|
0,000549
|
Partikel alpha
|
He atau α
|
2
|
4
|
4,00150
|
Gelombang
elektromagnet yang biasa terlibat dalam reaksi inti adalah γ (gamma) dengan massa 0 dan muatan 0.
Perbandingan antara reaksi kimia
dan reaksi inti
No
|
Reaksi kimia
|
Reaksi Inti
|
1
|
Atom diubah susunannya melalui
pemutusan dan pembentukan ikatan
|
Unsur (atau isotop dari unsur
yang sama) dikonversi dari unsur yang satu ke lainnya
|
2
|
Hanya elektron dalam orbital
atom atau molekul yang terlibat dalam pemutusan dan pembentukan ikatan
|
Proton, neutron, elektron dan
partikel dasar lain dapat saja terlibat
|
3
|
Reaksi diiringi dengan
penyerapan atau pelepasan energi yang relatif kecil
|
Reaksi diiringi dengan
penyerapan atau pelepasan energi yang sangat besar
|
4
|
Laju reaksi dipengaruhi oleh
suhu, tekanan, katalis dan konsentrasi
|
Laju reaksi biasanya tidak
dipengaruhi oleh suhu, tekanan dan katalis
|
Aturan dalam penyetaraan reaksi
inti;
- Jumlah total proton ditambah neutron dalam produk dan reaktan harus sama (kekekalan nomor massa). Jumlah total muatan inti dalam produk dan reaktan harus sama (kekekalan nomor atom)
KESTABILAN
INTI
Kestabilan inti tidak
dapat diramalkan dengan suatu aturan. Namun, ada beberapa petunjuk empiris yang
dapat digunakan untuk mengenal inti yang stabil dan yang bersifat radioaktif/tidak
stabil, yaitu:
- Semua inti yang mempunyai proton 84 atau lebih tidak stabil
- Aturan ganjil genap, yaitu inti yang mempunyai jumlah proton genap dan jumlah neutron genap lebih stabil daripada inti yang mempunyai jumlah proton dan neutron ganjil
- Bilangan sakti (magic numbers)
Nuklida yang memiliki neutron dan
proton sebanyak bilangan sakti umumnya lebih stabil terhadap reaksi inti dan
peluruhan radioaktif.
Bilangan tersebut adalah:
Untuk neutron : 2, 8, 20, 28, 50,
82 dan 126
Untuk proton : 2, 8, 20, 28, 50
dan 82.
Pengaruh bilangan ini untuk
stabilitas inti sama dengan banyaknya elektron untuk gas mulia yang sangat
stabil.
- Kestabilan inti dapat dikaitkan dengan perbandingan neutron-proton.
PITA KESTABILAN
Grafik antara
banyaknya neutron versus banyaknya proton dalam berbagai isotop yang disebut
pita kestabilan menunjukkan inti-inti yang stabil. Inti-inti yang tidak stabil
cenderung untuk menyesuaikan perbandingan neutron terhadap proton, agar sama
dengan perbandingan pada pita kestabilan. Kebanyakan unsur radioaktif terletak
di luar pita ini.
- Di atas pita kestabilan, Z < atau >
Untuk mencapai kestabilan : inti
memancarkan (emisi) neutron atau memancarkan partikel beta
- Di atas pita kestabilan dengan Z > 83, terjadi kelebihan neutron dan proton
Untuk mencapai kestabilan : Inti
memancarkan partikel alfa
Untuk
mencapai kestabilan : Inti memancarkan positron atau menangkap elektron
ENERGI PENGIKAT INTI
Satu ukuran
kuantitatif dari stabilitas inti adalah energi ikatan inti (nuclear binding
energy, yaitu energi yang diperlukan untuk memecah inti menjadi
komponen-komponennya, proton dan neutron. Kuantitas ini menyatakan konversi massa menjadi energi yang
terjadi selama berlangsungnya reaksi inti eksotermik yang menghasilkan
pembentukan inti .
Konsep energi ikatan
berkembang dari kajian sifat-sifat inti yang menunjukkan bahwa massa inti selalu lebih rendah dibandingkan
jumlah massa
nukleon. Contoh : isotop fluorine (F), intinya memiliki 9 proton, 9 elektron
dan 10 neutron dengan massa atom yang terukur sebesar 18, 9984 sma.
Analisis perhitungan
teoritis massa
atom F:
Massa atom = (9 x massa
proton) +(9 x massa
elektron) + (10 x massa
neutron)
= (9 x 1,00728 sma) +
( 9 x 0,000549 sma) + (10 x 1,00867)
= 19, 15708 sma
Harga massa atom F berdasarkan perhitungan ternyata
lebih besar dibandingkan dengan massa
atom terukur, dengan kelebihan massa
sebesar 0,1578 sma.
Selisih antara massa atom dan jumlah massa dari proton, elektron dan neutron
disebut cacat massa
(mass defect).
Menurut teori
relativitas, kehilangan massa
muncul sebagai energi (kalor) yang dilepas ke lingkungan. Banyaknya energi yang
dilepas dapat ditentukan berdasarkan hubungan kesetaraan massa-energi Einstein
( E = m c2).
ΔE = Δm c2
Dengan
faktor konversi : 1 kg = 6,022 x 1026 sma
1 J = 1 kg m2/s2
Untuk
atom F tersebut:
ΔE =( -0,1578 sma) (3x 108
m/s)2
= (-1,43 x 1016 sma m2/s2)
x (1 kg/6,022 x 1026 sma) x (1 J/1 kg m2s2).
= -2,37 x 10-11 J
Ini merupakan
banyaknya energi yang dilepas bila satu inti fluorin-19 dibentuk dari 9 proton
dan 10 neutron. Energi yang diperlukan untuk menguraikan inti menjadi proton
dan neutron yang terpisah adalah sebesar -2,37 x 10-11 J. Untuk
pembentukan 1 mol inti fluorin, energi yang dilepaskan adalah:
ΔE = (-2,37 x 10-11 J)
(6,022 x 1023/mol)
= -1,43 x 1013 J/mol
Dengan demikian,
energi ikatan inti adalah 1,43 x 1013 J/mol untuk 1 mol inti
fluorin-19, yang merupakan kuantitas yang sangat besar bila dibandingkan dengan
entalpi reaksi kimia biasa yang hanya sekitar 200 kJ.
RADIOAKTIVITAS ALAMI
Disintegrasi inti
radioaktif sering merupakan awal dari deret peluruhan radioaktif, yaitu
rangkaian reaksi inti yang akhirnya menghasilkan pembentukan isotop stabil.
Misalnya adalah deret peluruhan uranium-238 hingga menghasilkan timbal-206 yang
stabil.
Jenis-jenis peluruhan
radioaktif meliputi; peluruhan(pemancaran) alfa, peluruhan negatron, peluruhan
positron, penangkapan elektron, peluruhan gamma, pemancaran neutron, pemancaran
neutron terlambat dan pembelahan spontan.
Pembelahan spontan
hanya terjadi pada nuklida-nuklida yang sangat besar dan membelah secara
spontan menjadi dua nuklida yang massanya berbeda, misal Cf-254 membelah
spontan menjadi Mo-108 dan Ba-142 dengan memancarkan 4 neutron.
Kinetika Peluruhan Radioaktif
Semua peluruhan
radioaktif mengikuti kinetika orde pertama, sehingga laju peluruhan radioaktif
pada setiap waktu t adalah:
Laju peluruhan pada
waktu t = λN
λ = konstanta laju orde pertama
N = banyaknya inti radioaktif pada
waktu t
ln Nt/N0 = -
λt
dengan waktu paruh : t1/2
= 0,693/λ
TRANSMUTASI INTI
Pada tahun 1919, Rutherford berhasil menembak gas nitrogen dengan partikel
alfa dan menghasilkan hidrogen dan oksigen. Reaksi ini merupakan transmutasi
buatan pertama, yaitu perubahan satu unsur menjadi unsur lain.
Pada tahun 1934, Irene
Joliot-Curie, berhasil membuat atom fosfor yang bersifat radioaktif dengan
menembakkan aluminium dengan sinar alfa yang berasal dari polonium.
Beberapa contoh reaksi
inti:
1) Penembakan atom litium-7 dengan
proton menghasilkan 2 atom helium-4
2) Penembakan nitrogen-14 dengan
neutron menghasilkan karbon-14 dan hidrogen
3) Penembakan aluminium-27 dengan
proton menghasilkan magnesium-24 dan helium-4.
Keaktifan (A)
Keaktifan suatu
cuplikan radioaktif dinyatakan sebagai jumlah disintegrasi(peluruhan) per
satuan waktu. Keaktifan tidak lain adalah laju peluruhan dan berbanding lurus
dengan jumlah atom yang ada.
A = λ N
Satuan keaktifan
adalah Curie (Ci) yang didefinisikan sebagai keaktifan dari 3,7 x 1010
disintegrasi per detik.
Satuan SI untuk
keaktifan adalah becquerel dengan lambang Bq
1
Ci = 3,7 x 1010 Bq
Keaktifan
jenis adalah jumlah disintegrasi per satuan waktu per gram bahan radioaktif.
Dosis Radiasi
Untuk menyatakan
jumlah atau dosis radiasi yang diserap oleh zat-zat ditetapkan satuan untuk
dosis. Di Amerika, satuan dosis yang umum adalah rad dengan lambang rd.
Satu rad setara dengan penyerapan 10-5 J per gram jaringan. Satuan
SI untuk dosis adalah gray dengan lambang Gy. Satu gray setara
dengan energi sebanyak 1 joule yang diserap oleh setiap kg zat.
Radiasi neutron lebih
berbahaya dari radiasi beta dengan energi dan intensitas yang sama. Untuk
membedakan pengaruh radiasi digunakan satuan rem (radiation equivalen
of man).
Satu rad sinar alfa
lebih merusak daripada satu rad sinar beta. Oleh karena itu rad biasanya
dikalikan dengan faktor yang mengukur kerusakan biologi relatif yang disebabkan
oleh radiasi. Faktor ini disebut RBE (Relative Biologycal Effetiveness of
Radiation). Hasil kali rad dan RBE menghasilkan dosis efektif yang disebut rem
(Rontgen Equivalent for Man). Satu rem suatu macam radiasi akan
menghasilkan pengaruh biologi yang sama.
Contoh:
Dosis 0 – 20 rem pengaruh
kliniknya tidak terdeteksi , dosis 20-50 sedikit pengaruh pengurangan sementara
butir darah putih, dosis 100-200 terdapat pengaruh banyak pengurangan butir
darah putih dan pada dosis lebih dari 500 rem dapat menyebabkan kematian.
FISI INTI
Fisi inti (nuclear
fission) /reaksi fisi adalah proses di mana suatu inti berat (nomor massa >200) membelah
diri membentuk inti-inti yang lebih kecil dengan massa menengah dan satu atau lebih neutron.
Karena inti berat kurang stabil dibandingkan produknya, proses ini melepaskan
banyak energi. Reaksi fisi uranium-235:
Sebagai contoh adalah
energi yang dihasilkan pada pembelahan 235 gram uranium-235 adalah ekivalen
dengan energi yang dihasilkan pada pembakaran 500 ton batubara. Selain besarnya jumlah energi yang besar, ciri
penting dari fisi uranium-235 adalah adanya kenyataan bahwa lebih banyak
neutron yang dihasilkan dibandingkan dengan yang semula ditangkap dalam
prosesnya. Sifat ini memungkinkan berlangsungnya reaksi rantai inti, yaitu
serangkaian reaksi fisi yang dapat berlangsung sendiri tanpa bantuan. Neutron
yang dihasilkan selama tahap awal dari fisi dapat mengakibatkan terjadinya fisi
dalam inti uranium-235 lain, yang selanjutnya menghasilkan neutron lebih banyak
dan seterusnya. Dalam waktu kurang dari satu detik, reaksi dapat menjadi tak
terkendali, membebaskan banyak sekali kalor ke lingkungan. Agar reaksi rantai
terjadi, harus ada cukup uranium-235 dalam sampel untuk menangkap neutron,
sehingga dikenal istilah massa
kritis, yaitu massa
minimum material terfisikan yang diperlukan untuk membangkitkan reaksi rantai
inti yang dapat berlangsung sendiri.
APLIKASI FISI INTI
Bom Atom
Penerapan pertamakali
fisi inti ialah dalam pengembangan bom atom. Faktor krusial dalam rancangan bom
ini adalah penentuan massa
kritis untuk bom itu. Satu bom atom yang kecil setara dengan 20.000 ton TNT. Massa kritis suatu bom
atom biasanya dibentuk dengan menggunakan bahan peledak konvensional seperti
TNT tersebut, untuk memaksa bagian-bagian terfisikan menjadi bersatu. Bahan
yang pertama diledakkan adalah TNT, sehingga ledakan akan mendorong
bagian-bagian yang terfisikan untuk bersama-sama membentuk jumlah yang lebih
besar dibandingkan massa
kritis.
Uranium-235 adalah bahan
terfisikan dalam bom yang dijatuhkan di Hiroshima
dan plutonium-239 digunakan dalam bom yang meledak di Nagasaki.
Reaktor Nuklir
Suatu penerapan damai
tetapi kontroversial dari fisi inti adalah pembangkitan listrik menggunakan
kalor yang dihasilkan dari reaksi rantai terbatas yang dilakukan dalam suatu
reaktor nuklir. Ada
3 jenis reaktor nuklir yang dikenal, yaitu:
- Reaktor air ringan. Menggunakan air ringan (H2O) sebagai moderator (zat yang dapat mengurangi energi kinetik neutron).
- Reaktor air berat. Menggunakan D2O sebagai moderator.
- Reaktor Pembiak (Breeder Reactor). Menggunakan bahan bakar uranium, tetapi tidak seperti reaktor nuklir konvensional, reaktor ini menghasilkan bahan terfisikan lebih banyak daripada yang digunakan.
FUSI INTI
Fusi
inti (nuclear fusion) atau reaksi fusi adalah proses penggabungan inti
kecil menjadi inti yang lebih besar. Reaksi ini relatif terbebas dari masalah
pembuangan limbah.
Dasar bagi penelitian pemakaian fusi inti untuk produksi
energi adalah perilaku yang diperlihatkan jika dua inti ringan bergabung atau
berfusi membentuk inti yang lebih besar dan lebih stabil, banyak energi yang
akan dilepas selama prosesnya. Fusi inti yang terus-menerus terjadi di matahari
yang terutama tersusun atas hidrogen dan helium.
Reaksi fusi hanya
terjadi pada suhu yang sangat tinggi sehingga reaksi ini sering dinamakan reaksi
termonuklir. Suhu di bagian dalam matahari mencapai 15 jutaoC.
Aplikasi Fusi Inti yang telah dikembangkan adalah bom hidrogen.
PENGGUNAAN RADIOISOTOP
Radioisotop adalah
isotop suatu unsur yang radioaktif yang memancarkan sinar radioaktif. Isotop
suatu unsur baik yang stabil maupun radioaktif memiliki sifat kimia yang sama.
Radioisotop dapat
digunakan sebagai perunut (untuk mengikuti unsur dalam suatu proses yang
menyangkut senyawa atau sekelompok senyawa) dan sebagai sumber radiasi /sumber
sinar.
Berikut beberapa
contoh penggunaan radioisotop dalam berbagai bidang:
1. Bidang
kimia
Penetapan struktur senyawa kimia seperti ion tiosulfat.
1. Analisis pengenceran isotop dan analisis pengaktifan
neutron (dalam bidang perminyakan, pengendalian polusi, obat-obatan, geologi,
elektronika, kriminologi, oseanografi dan arkeologi).
2. Bidang kedokteran
Isotop natrium-24
digunakan untuk mengikuti peredaran darah dalam tubuh manusia , mempelajari
kelainan pada kelenjar tiroid dengan isotop I-131, menentukan tempat tumor otak
dengan radioisotop fosfor, Fe-59 untuk mengukur laju pembentukan sel darah
merah. Kobalt-60 digunakan untuk pengobatan kanker, teknetium-99 untuk alat
diagnostik gambaran jantung, hati dan paru-paru pasien.
3. Bidang pertanian
Radiasi gamma dapat
digunakan untuk memperoleh bibit unggul dan radiisotop fosfor untuk mempelajari
pemakaian pupuk oleh tanaman.
4. Bidang Industri
Untuk mendeteksi
kebocoran pipa yang ditanam dalam tanah atau beton, menentukan keausan atau
keroposan yang terjadi pada bagian pengelasan antar logam,
5.Penentuan
umur batuan atau fosil.
Selamat Belajar.........
0 komentar:
Posting Komentar