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:
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.
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.
Daftar Pustaka:
Sukardjo.2011.Handout Perkuliahan
Kimia Dasar 2.Surakarta
Tidak ada komentar:
Posting Komentar