KONSEP KIMIA INTI DAN RADIOKIMIA

A. Unsur Radioaktif

1. Kimia inti

 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

                               4                4
                             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 cahaya
                    0             0

  Lambangnya:  β atau e                 
                                         -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. 

Sifat sinar gamma
  Adalah gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang yang pendek
             
 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 dirumuskan dengan persamaan kimia sebagai berikut:
        a        c          e

                   X →Y+ Z 
                   b      d     f

Dalam proses tersebut berlaku hukum kekekalan energi dan muatan. Maka reaksi tersebut berlaku a = c + e dan b = d + f.

     1. Pita kestabilan dan jenis-jenis isotop

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

             Contoh:C → B+e
                            6       5 +1

 -    Penangkapan elektron K, artinya elektron yang terdapat pada kulit K.
                 90          0           90

Contoh:   Mo   +  e  →Nb                  
                  42      +1     41

b. Isotop nuklida yang terletak di atas pita kestabilan untuk mencapai kestabilan nuklida.

   - memancarkan neutron,

          - memancarkan sinar beta,

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

Contoh :           U       →                Th    +           He  

                         92                             90                      2

                     238                      234                   4
                      Po      →               Pb     +           He
                          84                      82                    2

                   90              82                  2                 -1

3. 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.

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.

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.        

      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 telah 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

    Oleh karena keaktifan sebanding dengan jumlah atom radioaktif maka:

                   A=keaktifan pada waktu t

                   Ao=keaktifan awal

                   Contoh :

1.   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 setelah

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

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.

b. Reaksi transmutasi inti

Tranmutasi adalah perubahan atom suatu unsur kimia menjadi atom unsur yang lainmelalui desintegrasi atau penembakan inti.

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).

Reaksi fusi deuterium-tritium (D-T) dipertimbangkan sebagai proses yang paling menjanjikan dalam memproduksi tenaga fusi.

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 degan lebar 300m & kedalaman 100m

- Radius kerusakan total = 10 km

- Radius kematian = 40 km

- Perusakan oleh radioaktif tidak akan habis

 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

Ket :

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:

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

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.

B.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 juta.Aplikasi Fusi Inti yang telah dikembangkan adalah bom hidrogen.

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 diditeksi 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 yang sama dalam proses kimia & fisika.

Bidang	ISOTOP	NAMA	PENGUNAAN
Kedokteran	I131I	Iod-131	Deteksi ktdk beresan fs tiroid; pengukuran aktifitas hati & metabolisme lemak; perlakuan untuk 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 memeriksa 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.