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 hidrogen
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 <>
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
- Di bawah pita kestabilan, Z <>
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. Coba tuliskan reaksinya!
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
Coba Anda tulis persamaan reaksinya!
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
Teknik perunut dapat dipakai untuk mempelajari mekanisme berbagai reaksi kimia seperti esterifikasi dan fotosintesis.
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
source: antunikimia.blogspot.com