15. Memahami konsep kimia inti dan radiokimia
15.1 Memahami kimia inti dan radiasi
Indikator :- - Sinar radioaktif dijelaskan berdasarkan sifat-sifatnya
- - Peluruhan radioaktif alami dijelaskan sebagai perubahan inti tak stabil menjadi inti stabil dengan memancarkan radiasi
- - Reaksi transmutasi buatan dijelaskan perubahan suatu unsur menjadi unsur lain
- - Reaksi unsur radioaktif dibedakan menjadi reaksi fisi dan fusi
Pertemuan
1
A. Unsur
Radioaktif
1. Kimia inti adalah
kajian mengenai perubahan-perubahan dalam inti atom (prpton dan neutron).
Perubahan ini disebut reaksi inti. Peluruhan radioaktif dan transmutasi inti
merupakan reaksi inti.
2. Radiasi
Inti yang tidak stabil secara
spontan akan memancarkan energi untuk mencapai keadaan yang lebih stabil.
Energi yang dipancarkan oleh inti tidak stabil disebut radiasi. Unsur yang
mengandung inti tidak stabil disebut unsur radioaktif. Unsur radioaktif merupakan
unsur-unsur yang menunjukkan peristiwa radioaktivitas.
3. Sinar-sinar radioaktif
a. Penemuan sinar radioaktif
Penemuan partikel-partikel dimulai dari penemuan sinar X
pada tahun 1895 oleh Wilhelm Konrad Rontgen, dilanjutkan dengan penemuan
keradioaktifan pada tahun 1896 oleh Henry Becuerel dari garam uranil sulfat
mengeluarkan sinar secara spontan yang dinamakan sinar radioaktif. Dan gejala
dari pemancaran sinar radioaktif dengan spontan disebut gejala keradioaktifan.
Kemudian penemuan isotop radioaktif Radium (Ra) dan Polonium (Po) pada tahun
1898 oleh Curie dan Marie Curie. Radio isotop tersebut dapat memamncarkan sinar radioaktif
dengan spontan.
b.
Sifat-sifat sinar radioaktif
Sinar radioaktif yang dipancarkan oleh inti atom yang
tidak stabil berupa partikel alfa, beta
dan gamma mempunyai karakteristik yang berbeda.
Partikel alfa
- Inti atom helium
Lambangnya α atau He
2 2
- Dalam medan magnet membelok ke kutub negatif jadi bermuatan positif
- Daya tembusnya kecil
- Dapat mengionkan benda-benda yang dilaluinya
Sifat
sinar beta
Adalah pancaran elektron dengan
kecepatan mendeteksi kecepatan cahaya0 0
-1 -1
- Dalam medan magnet membelok ke kutub positif maka bermuatan negatif
- Daya tembus lebih besar dari sinar alfa
- Dapat mengionkan benda-benda yang dilaluinya, tetapi tidak sehebat sinar alfa
Adalah gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang yang pendek
0
Lambangnya : γ
0
- Tidak terpengaruh oleh medan magnet dan medan listrik
- Daya tembus sangat besar oleh karenanya sangat berbahaya
- Dapat mengionkan benda-benda yang dilaluinya tetapi tidak sehebat alfa dan beta
- Partikel-partikel lain dalam proses radioaktif : proton, neutron dan positron
Sinar/partikel
yang dipancarkan unsur radioaktif
Sinar /
Partikel
|
Massa
(SMA)
|
Muatan
|
Simbol
|
Jenis
|
Alfa
|
4
|
+2
|
4 4
α atau He 2 2
|
Partikel
|
Beta
|
0
|
-1
|
-1 -1
β atau e 0 0 |
Partikel
|
Gamma
|
0
|
0
|
radiasi elektromagnetik
|
|
Neutron
|
1
|
0
|
Partikel
|
|
Proton
|
1
|
+1
|
1 1
p atau H 1 1 |
Partikel
|
Positron
|
0
|
+1
|
0 0
β atau e +1 +1 |
Partikel
|
4. Peluruhan radioaktif
Adalah peristiwa nuklida radioaktif
memancarkan sinar/partikel radioaktif hingga berubah menjadi inti yang
stabil/lebih stabil. Nuklida adalah suatu inti atom yang ditandai dengan jumlah
proton dan neutron.
Secara kimia peluruhan radiosktif merupakan reaksi nuklir
atau reaksi inti yang dapat durumuskan dengan persamaan kimia sebagai berikut:
a c e
a c e
X → Y + Z
b d f
b d f
Dalam proses tersebut berlaku hukum kekekalan energi dan
muatan. Maka reaksi tersebut berlaku a = c + e dan b = d + f
Perbandingan
proton dengan neutron (n/p) merupakan salah satu faktor penentu kestabilan atom. Inti
atom yang stabil memiliki nilai n/p antara 1 sampai
dengan 1,6. Jika inti atom memilki nilai n/p di luar pita
kestabilan maka atom tersebut tidak stabil atau bersifat radioaktif, sehingga
akan meluruh untuk mencapai keadaan yang lebih stabil.
Peluruhan isotop
–isotop tak stabil dibedakan atas:
1. Peluruhan inti ringan
Adalah peluruhan nuklida yang harga z-nya (nomor atom)
kurang dari 20 (unsur terletak di bawah atau di atas pita kestabilan.
a.
isotop dibawah pita kestabilan untuk mencapai kestabilan :
- memancarkan positron, suatu partikel yang massanya sama
dengan
0
elektron dan bermuatan 1+ dengan simbul : e
+1
11 11 0
0
elektron dan bermuatan 1+ dengan simbul : e
+1
11 11 0
Contoh: C → B + e
6 5 +1
6 5 +1
-
Penangkapan elektron K, artinya elektron yang terdapat
pada kulit K.
90 0 90
90 0 90
Contoh : Mo + e → Nb
42 +1 41
42 +1 41
b. Isotop nuklida yang terletak di
atas pita kestabilan untuk mencapai kestabilan nuklida : 87 86 1
- memancarkan
neutron, contoh : Kr Kr + n
36 36 0
14 14 0
36 36 0
14 14 0
- memancarkan sinar beta,
contoh : C → N + e
6 7 -1
6 7 -1
2. Peluruhan inti berat
Adalah peluruhan nuklida dengan nomor atom lebih besar
dari 83 dan umumnya radioaktif, untuk mencapai kestabilan nuklida memancarkan
sinar alfa
238 234 4
238 234 4
Contoh : U → Th + He
92 90 2
238 234 4
Po → Pb + He
84 82 2
Po → Pb + He
84 82 2
3. Peluruhan Radioaktif alami 238
Adalah
peluruhan nuklida yang terdapat di alam, contoh : U
92
238 234 4
92
238 234 4
U → Th + He
92 90 2
92 90 2
238 206 4 0
U → Pb + 8 He + 6 e (deret uranium)
92 82 2 -1
U → Pb + 8 He + 6 e (deret uranium)
92 82 2 -1
227 207 4 0
Ac → Pb + 5 He + 3 e (deret aktium)
89 82 2 -1
232 208 4 0
Ac → Pb + 5 He + 3 e (deret aktium)
89 82 2 -1
232 208 4 0
Th → Pb + 6 He + 4 e (deret thorium)
90 82 2 -1
90 82 2 -1
4. Peluruhan radioaktif buatan
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.
Unsur radioaktif terjadi karena dibuat melalui reaksi
inti yang kemudian dikenal sebagai radioisotop.
Contoh :
(deret
neptunium)
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!
Pertemuan 2
Laju Peluruhan
dan Waktu paruh
- Laju
Peluruhan
v = dengan v = laju
peluruhan (keaktifan), yaitu banyaknya peluruhan dalam satu satuan waktu
= tetapan
peluruhan(serupa k dalam persamaan laju reaksi),nilainya bergantung pada jenis
radioiaotop
N = jumlah nuklida radioaktif
- Waktu
Paruh( )
Yaitu perioda
waktu dimana 50% dari jml atom semula yang ada tlh meluruh
-
Fraksi zat radioaktif yang masih tersisa setelah n kali
waktu sesuai dengan persamaan berikut:
No
= jumlah zat radioaktif mula-mula
Nt
= jumlah zat radioaktif yang masih tersisa pada waktu t
n
=
Oleh
karena keaktifan sebanding dengan jumlah atom radioaktif maka:
A=keaktifan pada waktu t
Ao=keaktifan awal
Contoh
:
1.
Suatu zat radioaktif mempunyai waktu paruh =20 tahun. Dua
puluh lima gram zat itu disimpan selama 60 tahun . Berapa gram sisanya?
n=
Nt= = 3,125
Jadi sisa
setelah 60 tahun = 3,125 gram
2.
Suatu zat adioaktif mula-mula menunjukkan keaktifan 2400
dps. Setelah 10 tahun keaktifannya menjadi 300 dps. Berapa waktu paruh zat
radioaktif itu?
n=3 n= 3=
t = 3,33 tahun
3.
Berapa fraksi atom radioaktif tersisa setelah 5 waktu
paruh?
Jawab:
Setelah 1 waktu paruh, tersisa 1/2 bagian
Setelah 2 waktu
paruh, tersisa 1/2 x 1/2 = 1/4 bagian
Setelah 3 waktu
paruh, tersisa 1/2 x 1/4 = 1/8 bagian
Setelah 4 waktu
paruh, tersisa 1/2 x (1/2)3 = (1/2)4 = 1/16 bagian
Setelah 5 waktu
paruh, tersisa 1/2 x (1/2)4 = (1/2)5 = 1/32 bagian
2. Bila dimulai
dgn 16 juta atom radioaktif, berapa yg tertinggal
stl 4 waktu paruh?
Jawab:
Tersisa = (1/2)4 = 1/16 x 16
juta = 1 juta atom
Setelah n kali
waktu paruh, tersisa 1/2n bagian
5. Bahaya
unsur-unsur radioaktif
•
Radiasi : dpt menguntungkan &
merugikan
•
Partikel berenergi tinggi & sinar melepaskan e- dr
atom ® ion
•
Jk tjd dlm tubuh akan berbahaya, misalnya H2O ® H2O2
•
Merusak sel darah
putih
•
Mempengaruhi
sumsum tulang ® anemia
•
Merangsang
leukimia
• Perubahan molekul DNA ® mutasi
6. Reaksi inti
Reaksi inti dapat dikelompokkan menjadi:
a. Reaksi peluruhan: merupakan reaksi kimia eksoergik
(eksotermik) yang berhubungan dengan desintegrasisuatu inti atom yang terjadi
secara spontan. Pada reaki tersebut terjadi perubahan inti tidak stabil menjadi
inti stabil. Contoh : dan
b. Reaksi transmutasi inti
Tranmutasi adalah perubahan atom suatu unsur kimia
menjadi atom unsur yang lainmelalui desintegrasi atau penembakan inti.
Contoh : atau ditulis dengan
atau ditulis dengan
c. Reaksi penghasil energi
a. Reaksi fisi adalah reaksi pembelahan inti atom berat menjadi beberapa
inti atom ringan dan partikel elementer, disertai pelepasan energi yang besar.
Unsur yang sering digunakan dalam
reaksi fisi nuklir adalah Plutonium dan Uranium (terutama Plutonium-239,
Uranium-235),
Energi
yang dihasilkan sangat besar, dalam tersebut diahasilkan neutron baru yang akan
menumbuk inti atom sisa sehingga terjadi reaksi inti berantai yang dapat menghasilkan
energi yang sangat besar, misal reaksi fisi pada bom nuklir.
n
+ U-235 -> Ba-144 + Kr-90 + 2n + 179.6 MeV
n
+ U-235 -> Ba-141 + Kr-92 + 3n + 173.3 MeV
n
+ U-235 -> Zr-94 + Te-139 + 3n + 172.9 MeV
n + U-235 -> Zr-94 +
La-139 + 3n + 199.3 MeV
b. Reaksi fusi
fusi
nuklir (reaksi termonuklir) adalah sebuah
proses saat dua inti atom bergabung, membentuk inti atom yang lebih
besar dan melepaskan energi
Fusi nuklir adalah
sumber energi yang menyebabkan bintang bersinar, dan Bom Hidrogen meledak. Senjata
nuklir adalah senjata yang menggunakan prinsip reaksi fisi nuklir
dan fusi nuklir.
Unsur yang sering digunakan
dalam reaksi fusi nuklir adalah Lithium
dan Hidrogen (terutama
Lithium-6, Deuterium, Tritium).
dengan
a.
dengan
dengan
Reaksi fusi deuterium-tritium (D-T)
dipertimbangkan sebagai proses yang paling menjanjikan dalam memproduksi tenaga
fusi.
15.2 Radiokimia
Indikator :
- - Radiokimia dijelaskan sebagai penggunaan teknik-teknik kimia dalam mengkaji zat radioaktif dan pengaruhnya
- - Aplikasi radiokimia dijelaskan sebagai penggunaan unsur-unsur radioaktif dalam kehidupan manusia
A. Radiokimia
Radiokimia
mempelajari penggunaan teknik-teknik kimia dalam mengkaji zat radioaktif dan
pengaruh kimiawi dari radiasi zat radioaktif tersebut.
Aplikasi
radiokimia
a)
Fisi
inti:
1. Bom Atom
2. Reaktor Nuklir
1. 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.
Ledakan bom menyebabkan kawah dgn lebar 300m &
kedalaman 100m
- Radius kerusakan total = 10 km
- Radius kematian = 40 km
- Perusakan oleh radioaktif tdk akan habis
Reaksi fisi yg mungkin terjadi:
2. 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. Reaktor nuklir
adalah suatu tempat dimana reaksi pembelahan (fision) nuklida terjadi secara
terkendaliberlangsung. Reaktor nuklir ini dapat dimanfaatkan energi nuklir
sehingga disebut reaktor termal.
Komponen reaktor nuklir:
1). Bahan bakar
2). Moderator
3). Reflektor
4). Bahan pengendali
5). Pendingin
6). Perisai
7). Pemindah panas
Keterangan:
1). Bahan Bakar : isotop radioaktif
yang dapat melakukan reaksi pembelahan seperti: U-233, U-239, dan U-235. Bahan
bakar yang digunakan berwujud padat dan dalam bentuk senyawa UO2. Bahan bakar
ini ditembaki neutron dengan kecepatan tinggi sehingga terjadi pembelahan:
Contoh:
2). Moderator : adalah atom-atom
yang terdapat dalam bahan untuk memperlambat neutron cepat sampai mencapai
tingkat energi yang terendah.
Moderator memilki sifat-sifat:
- pada
tiap tumbukan neutron akan kehilangan energi yang besar
- penampang
penyerapan yang rendah
- penampang
penghamburan yang tinggi
Jenis moderator : gas H2 dan air (H2O)
3). Reflektor
adalah suatu bahan yang dapat memantulkan neutron yang dihamburkan keluar ke
reaktor kembali. Bahan reflektor : air berat,(D2O), grafit,
berilium, dan berilium oksida (BaO).
4). Bahan pengendali : bahan
pemgendali reaksi fisi, bersifat menyerap neutronsehingga reaksi berantai dapat
dikendali bahkan dapt dihentikan.
Syarat-syarat pengendali:
- dapat
menyerap neutron dengan mudah
- mempunyai
kekuatan mekanik yang cukup
- mempunyai
massa rendah , agar dapat bergerak dengan cepat
- tahan
korosi
- stabil
dalam radiasi maupun suhu tinggi
- dapat
memindahkan panas dengan baik
Bahan tersebut terbuat dari paduan logam kadmium atau
borium, B4Cd,paduan boron dengan aluminium(boral), boron baja, logam
kadmium dengan perak dan indium.
5). Pendingin : untuk mendinginkan bahan bakar atau
reaktor.
Sifat-sifat bahan pendingin:
- mempunyai
penyerapan neutron yang rendah
- dapat
memindahkan panas dengan baik
- mudah
dipompakan
- mempunyai
titik beku yang rendah dan titik didih yang tinggi
- stabil
terhadap radiasi maupun suhu tinggi
- tidak
korosif
- aman
dalam penanganan
- tidak
peka terhadap keradioaktifan
Bahan pendingin yang digunakan :
- berwujud
gas : udara, gas helium , CO2 dan uap air
- berwujud
cair : air (H2O), air berat (D2O), logam cair seperti Na
dan NaK
6). Bahan
perisai adalah suatu bahan untuk melindungi bejana reaktor terhadap daerah
sekelilingnya yang banyak radiasi.
Syarat bahan perisai :
- dapat memperlambat neutron
- dapat menyerap neutron
- dapat menyerap radiasi sinar
gamma karena memiliki daya tembus yang sangat besar.
Jenis. Bahan yang digunakan :
- Air (H2O)
- Beton,
yang dicampuridengan bahan lain misalnya barit (B(OH)2
- Logam,
misalnya logam besi (Fe), timbal (Pb), Bismut (Bi) , aliase boral (borium
aluminium)
7). Pemindah panas : berfungsi
untuk memindahkan energi yang dihasilkan dari reaksi fisi menjadi energi yang
dapat dimanfaatkan
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.
2). 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.
Contoh :
Manfaat radioisotope
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 bermanfaat karena radiasi dari radioaktif suatu radioisotope
dapat didteksi dengan menggunakan alat tertentu ; mempunyai sejumlah energi;
dan dapat mempengaruhi bahan tertentu atau sebaliknya..
Radioisotop dapat digunakan sebagai perunut (untuk mengikuti unsur dalam
suatu proses yang menyangkut senyawa atau sekelompok senyawa) dan sebagai
sumber radiasi /sumber sinar.
Radioisotop digunakan sebagai perunut :
Isotop suatu unsur tertentu, radioaktif atau tdk, mempunyai tingkah laku yg
sama dlm proses kimia & fisika ® pelacak .
Bidang
|
ISOTOP
|
NAMA
|
PENGUNAAN
|
Kedokteran
|
I131I
|
Iod-131
|
Deteksi ktdk beresan fs tiroid; pengukuran aktifitas
hati & metabolisme lemak; perlakuan utk kanker tiroid
|
85Sr
|
Sr-85
|
Mendeteksi penyakit jantung
|
|
99Tcm
|
Teknetium-99m
|
Diagnosis beberapa penyakit
|
|
201Tl
|
Tl-201
|
Mendeteksi gangguan jantung
|
|
133Xe
|
Ksenon-133
|
Mendeteksi penyakit paru-paru
|
|
75-Se
|
Se-75
|
Mendeeteksi penyakit pankreas
|
|
32P
|
Fosfor-32
|
Mendeteksi penyakit mata
|
|
51Cr
|
Kromium-51
|
Penentuan volume sel darah & volume darah total
|
|
58Co
|
Kobalt-58
|
Penentuan serapan vit. B12
|
|
59Fe
|
Besi-59
|
Pengukuran laju pembentukan & umur sel darah merah
|
|
Hidrologi
|
24Na
|
Natrium-24
|
Dalam bentuk karbonat
Deteksi kebocoran pipa air bawah tanah
|
24Na
|
Natrium-24
|
Mempelajari aliran air sungai
|
|
32P
|
Fosfor-32
|
Deteksi kanker
kulit /kanker jaringan yg terbuka krn operasi
|
|
3 H
|
Tritium
|
Penentuan
total air tubuh
|
|
Ilmu pengetahuan
|
131I
|
Iodium-131
|
Mempelajari
kesetimbangan dinamis
|
18O
|
Oksigen-18
|
Mempelajari reaksi esterifikasi
|
|
14C
|
Karbon-14
|
Mempelajari
mekanisme fotosintesis
|
Radioisotop
yang banyak digunakan sebagai sumber radiasi:
a. Dalam bidang kedolkteran :
Co-60
digunakan sebagai sumber sinar gammauntuk terapi tumor dan kanker
P-32 digunakan untuk mengobati leukemia
Co-60
dan Cs-137 digunakan dalam sterilisasi
Ra-226
dugunakan untuk terapi kanker
b. Bidang industri
Sinar
gamma yang dihasilkan oleh beberapa radioisotope digunakan untuk memriksa cacat
pada logam atau sambungan las, pengawetan kayu dan barang-barang seni,
mengontrol ketebalan bahan
c. Bidang pertanian
Radiasi-radiasi
yang dihasilkan oleh beberapa radioisotope
digunakan untuk membasmi hama dan dalam pemuliaan tanaman, penyimpanan
makanan