KIMIA INTI DAN RADIOKIMIANUKLEUS DAN RADIOAKTIVITAS

Disusun oleh Kelompok A1:

Siti Lailatul Arifah12030234021/ KB 2012 Nuril Khoiriyah12030234022/ KB 2012 Nurma Erlita Damayanti12030234204/ KB 2012 Amardi Suprasetyo12030234208/ KA 2012 Amalia Nabilah 12030234224/ KA 2012

UNIVERSITAS NEGERI SURABAYAFAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAMJURUSAN KIMIAPRODI KIMIA2014

18.1 Nukleus dan RadioaktifPerjalanan kita menuju pembahasan inti atom dimulai dengan review singkat. Seperti yang telah dipelajari pada bab 2 dimana proton dan neutron pada tiap atom berukuran sangat kecil, pusat nukleus berukuran sekitar 1/100.000 dari diameter atom. Juga telah dipelajari bahwa atom tiap unsur tidak mesti sama. Ketika suatu unsur memiliki dua atau lebih atom, dengan jumlah proton sama namun jumlah neutron berbeda, disebut dengan isotop. Perbedaan isotop dari unsur sama yang memiliki nomor atom sama, namun nomor massanya berbeda, yakni jumlah proton dan neutron dalam nukleus. Pada konteks sains nuklir, proton dan neutron disebut dengan nukleon (inti atom), karena mereka berada pada inti (nukleus). Nomor massa atom biasa disebut nomor nukleon, dan ciri khusus dari nukleus, karakterisasi dari nomor atom spesifik dan nomor nukleon, disebut nuklida. Nuklida dalam notasi kimia diwakili oleh penulisan nomor atom (Z) dan nomor nukleon/nomor massa (A) pada sisi kiri simbol unsur (X)

Sebagai contoh, nuklida paling berlimpah dari uranium memiliki 92 proton dan 146 neutron, sehingga nomor atomnya adalah 92, nomor massanya adalah 238 (92+146), dan disimbolkan dengan . Sering kali, nomor atom tidak dituliskan pada simbol unsur. Nuklida juga dapat dituliskan dengan nama unsur diikuti dengan nomor massa. Misalnya, juga dapat ditulis 238U atau uranium 238. Contoh 18.1 dan 18.2 dapat digunakan sebagai latihan penulisan dan penerapan simbol nuklida. Contoh 18.1 Simbol NuklidaSebuah nuklida mempunyai 26 proton dan 33 neutron digunakan untuk mempelajari persenyawaan kimia dari darah. Tuliskan simbol nuklida dengan rumus . Tulis 2 cara lain untuk mewakili nuklida ini.Penyelesaian Karena nuklida ini memiliki 26 proton, nomor atomnya, Z, adalah 26, yang dapat diidentifikasi sebagai unsur besi, Fe. Inti atom dari Fe mempunyai total nukleon 59 (26 proton + 33 neutron), sehingga nomor nukleonnya, A, adalah 59.59Fe atau besi-59

Contoh 18.2 Simbol nuklidaDokter dapat menafsirkan fungsi paru-paru seorang pasien dengan bantuan kripton-81. Berapakah nomor atom dan nomor massa dari senyawa ini? Berapa banyak proton dan neutron yang ada dalam nukleus dari tiap atom? Tuliskan 2 cara lain untuk mewakili nuklida ini?PenyelesaianTabel periodik menunjukkan bahwa nomor atom untuk kripton adalah 36, sehingga tiap kripton memiliki 36 proton. Nomor yang mengikuti nama unsur pada kripton-81 merupakan nomor masa nuklida. Selisih antara nomor massa (jumlah proton dan neutron) dan nomor atom (jumlah proton) menunjukkan banyaknya neutron, sehingga kripton-81 memiliki 45 neutron (81 36).Nomor atom = 36; nomor massa = 81; 36 proton dan 45 neutron81KrStabilitas IntiDua gaya bertindak atas partikel dalam nukleus untuk menghasilkan struktur inti. Gaya pertama, disebut gaya elektrostatik (atau gaya elektromagnetik), adalah gaya yang menyebabkan muatan listrik yang berlawanan saling menarik satu sama lain dan muatan yang sama saling menolak. Proton bermuatan positif dalam inti atom memiliki gaya elektrostatik yang mendorong untuk terpisah. Gaya lain dalam inti, disebut gaya kuat, menjaga nukleon (proton dan neutron) tetap bersama-sama.Jika suatu proton bertemu dengan proton yang lain, gaya elektrostatis yang mendorong untuk terpisah akan lebih besar daripada gaya kuat yang menarik mereka bersama-sama, dan dua proton akan terbang dalam arah yang terpisah. Oleh karena itu, inti yang mengandung lebih dari satu proton dan tidak ada neutron tidaklah ada. Neutron dapat digambarkan sebagai perekat nuklir yang memungkinkan proton untuk tetap bersama dalam nukleus. Karena neutron tidak bermuatan, tidak ada tolakan elektrostatik antara mereka dan partikel lainnya. Pada saat yang sama, setiap neutron dalam nukleusatom tertarik ke arah neutron lain dan proton oleh gaya kuat. Oleh karena itu, menambahkan neutron pada nukleus meningkatkan gaya tarik menarik yang menjaga partikel inti tetap bersama-sama tanpa meningkatkan jumlah tolakan antara partikel-partikel tersebut. Akibatnya, meskipun nukleus yang terdiri dari hanya dua proton tidak stabil, nukleus helium yang terdiri dari dua proton dan dua neutron sangatlah stabil. Stabilitas yang meningkat tercermin dalam jumlah yang signifikan dari energi yang dilepaskan ketika dua proton dan dua neutron bergabung membentuk nukleus helium.

Untuk unsur-unsur yang lebih ringan, kepemilikan jumlah yang samaantara proton dan neutron menyebabkan atom stabil. Sebagai contoh, atom karbon-12,, dengan enam proton dan enam neutron, dan atom oksigen-16, , dengan delapan proton dan delapan neutron, keduanya sangat stabil. Atom yang lebih besar dengan lebih banyak proton dalam inti mereka memerlukan rasio neutron yang lebih tinggi terhadap proton untuk menyeimbangkan peningkatan tolakan elektrostatik antarproton. Tabel 18.1 menunjukkan peningkatan yang stabil dalam rasio neutron-proton dari isotop berlimpah unsur-unsur dalam golongan 15 pada tabel periodik.

Ada 264 nuklida stabil yang ditemukan di alam. Grafik pada Gambar 18.1 menunjukkan rasio neutron-proton nuklida stabil tersebut. Secara kolektif, nuklida ini terdapat dalam apa yang dikenal sebagai pita stabilitas.

Sebuah nuklida dengan jumlah proton dan neutron yang menempatkannya di luar pita stabilitas akan tidak stabil sampai mengalami satu atau lebih reaksi nuklir sehingga membawanya ke pita stabilitas. Atom tidak stabil ini disebut nuklida radioaktif, dan perubahan untuk mencapai stabilitas disebut peluruhan radioaktif. Perhatikan bahwa pita stabilitas berhenti pada proton83. Semua nuklida dengan lebih dari 83 proton merupakan radioaktif, tetapi para ilmuwan telah berpostulat bahwa harus ada pulau stabilitas kecil di sekitar titik yang mewakili 114 proton dan neutron 184. Stabilitas relatif dari atom terberat yang sejauh ini telah disintesis di laboratorium menunjukkan bahwa ini benar. (Lihat Topik Khusus 2.1:Why Create New Elements).Jenis Emisi Radioaktif Salah satu cara yang nuklida dengan lebih dari 83 proton berubah untuk mencapai pita stabilitas adalah dengan melepaskan dua proton dan dua neutron dalam bentuk inti helium, yang dalam konteks ini disebut partikel alfa. Uranium alam, yang ditemukan dalam banyak formasi batuan di bumi, memiliki tiga isotop yang mengalamiemisi alfa, pelepasan partikel alfa. Komposisi isotop uranium alam adalah 99,27% uranium-238, 0,72% uranium-235, dan jejak uranium-234. Persamaan nuklir untuk emisi alfa dari uranium-238, isotop yang paling melimpah, adalah

Dalam persamaan nuklir untuk emisi alfa, partikel alfa ditulis sebagai atau . Perhatikan bahwa dalam emisi alfa, nuklida radioaktif berubah menjadi elemenberbeda, dengan nomor atom 2 lebih rendah dan nomor massa 4 lebih rendah. Beberapa nuklida radioaktif memiliki rasio neutron-proton yang terlalu tinggi, menyebabkan mereka berada di atas pita stabilitas. Untuk mencapai keadaan yang lebih stabil mereka mengalami emisi beta (-). Dalam proses ini, neutron menjadi proton dan elektron. Proton tetap di inti, dan elektron, yang disebut partikel beta dalam konteks ini, dikeluarkan dari atom. n p + e-Dalam persamaan nuklir untuk emisi beta, elektron ditulis sebagai , -, atau . Iodin-131, yang memiliki beberapa kegunaan medis, termasuk pengukuran serapan yodium oleh tiroid, adalah emitor beta:

Perhatikan bahwa dalam emisi beta, nuklida radioaktif berubah menjadi elemen yang berbeda, dengan nomor atom 1 lebih tinggi namun nomor massanya sama.Jika nuklida radioaktif memiliki rasio neutron-proton yang terlalu rendah, menyebabkan mereka berada di bawah pita stabilitas, maka dapat bergerak ke arah stabilitas dengan salah satu dari dua cara, emisi positronatau penangkapanelektron. Emisi positron (+) mirip dengan emisi beta, tetapi dalam kasus ini, proton menjadi neutron dan elektron anti-materi, atau anti-elektron. Yang terakhir ini juga disebut positron karena, meskipun menyerupai sebuah elektron di sebagian besar cara,ia memiliki muatan positif. Neutron tetap dalam inti, dan positron kecepatan dari inti dengan kecepatan tinggi.p n + e+Dalam persamaan nuklir untuk emisi positron, elektron ditulis sebagai +, , atau . Kalium-40, yang penting dalam penanggalan geologi, mengalami emisi positron:

Perhatikan bahwa dalam emisi positron, nuklida radioaktif berubah menjadi elemen yang berbeda, dengan nomor atom 1 lebih rendah namun nomor massanya sama.Cara kedua yang atom dengan rasio neutron-proton rendah dapat mencapai keadaan yang lebih stabil adalah proton dalam intinya menangkap salah satu elektron atom. Dalam proses ini, yang disebut penangkapan elektron, elektron bergabung dengan proton untuk membentuk neutron.e- + p nIodin-125, yang digunakan untuk menentukan kadar hormon darah, bergerak ke arah stabilitas melalui penangkapan elektron.

Seperti emisi positron, penangkapan elektron menyebabkan nuklida radioaktif untuk berubah menjadi elemen baru, dengan nomor atom 1 lebih rendah tetapi dengan nomor massa yang sama.Karena peluruhan radioaktif mengarah ke produk yang lebih stabil, maka selalu melepaskan energi. Beberapa energi ini dilepaskan dalam bentuk energi kinetik, menambah gerak anpartikel produk, tetapi sering sebagian dilepaskan sebagai bentuk energi radiasi yang disebut sinar gamma. Sinar gamma dapat dipandang sebagai aliran foton energi tinggi. Misalnya, cesium-137 adalah emitor beta yang juga melepaskan radiasi gamma. Energi yang dipancarkan pada emisi beta menyebabkan elemen produk, barium-137, dalam keadaan tereksitasi. Ketikabarium-137 turun kekeadaan dasar, memancarkan fotondi wilayahsinar gamma dari spektrumenergi radiasi. (Lihat Bagian 7.1 untuk review dari berbagai bentuk energi radiasi.)

Reaksi Nuklir dan PersamaanNuklirSetelah melihat beberapa contoh reaksi nuklir, mari kita lihat lebih dekat bagaimana mereka berbeda dari reaksi kimia yang telah kita pelajari di seluruh teks ini. Reaksi nuklir melibatkan perubahan dalam nukleus, sedangkan reaksi kimia melibatkan kehilangan, tambahan, dan berbagi elektron. Isotop yang berbeda dari unsur yang sama dapat mengalami reaksi nuklir yang sangat berbeda, meskipun isotop unsur ini karakteristik kimianya sama. Tidak seperti reaksi kimia, laju reaksi nuklir tidak dipengaruhi oleh suhu, tekanan, dan adanya atom lain yang dapat berikatan dengan atom radioaktif. Reaksi nuklir, pada umumnya, mengeluarkan lebih banyak energi daripada reaksi kimia.Persamaan yang menggambarkan reaksi nuklir berbeda dengan yang menggambarkan reaksi kimia karena dalam persamaan nuklir muatan diabaikan. Jika mempelajari perubahan nuklir untuk emisi alfa, beta, dan positron sudah dijelaskan pada bagian ini, Anda akan melihat bahwa produk harus bermuatan. Sebagai contoh, ketika partikel alfa dilepaskan dari inti uranium-238, dua proton bermuatan positif hilang. Dengan asumsi bahwa atom uranium tidak bermuatan awalnya, atom torium yang terbentuk akan memiliki muatan -2. Karena partikel alfa terdiri dari dua proton bermuatan positif dan dua neutron tak bermuatan (dan tidak ada elektron), memiliki muatan +2 keseluruhan.

Ion-ion kehilangan muatan mereka dengan cepat dengan bertukar elektron dengan partikel lain. Karena biasanya muatan diabaikan untuk reaksi nuklir, dan karena muatan ini tidak berlangsung lama, mereka biasanya tidak disebutkan dalam persamaan nuklir.Para ilmuwan mungkin tidak tertarik dengan muatan pada produk reaksi nuklir, tetapi mereka sangat tertarik pada perubahan yang terjadi dalam inti partikel awal dan akhir. Oleh karena itu, persamaan nuklir harus jelas menunjukkan perubahan nomor atom nuklida (jumlah proton) dan perubahan nomor massa mereka (jumlah dari nomor proton dan neutron). Perhatikan bahwa dalam setiap persamaan berikut, jumlah dari superskrip (nomor massa, A) untuk reaktan sama dengan jumlah dari superskrip untuk produk. Demikian juga, jumlah dari subskrip (nomor atom, Z) untuk reaktan sama dengan jumlah dari subskrip untuk produk. Untuk menunjukkan bahwa hal tersebut benar, partikel beta dituliskan sebagai , dan positron dituliskan.

Persamaan umum berikut menjelaskan perubahan nuklir:

Tabel 18.2 merangkumkan perubahan nuklir yang dijelaskan dalam sesi ini.Tabel 18.2Perubahan IntiJenis PerubahanSimbolPerubahan Proton (Nomor Atom, Z)Perubahan NeutronPerubahan Nomor Massa, A

Emisi alfa atau -2-24

Emisi beta, -, atau +1-10

Emisi positron+, , atau -1+10

Penangkapan elektronE. C-1+10

Emisi gamma, atau 000

Contoh 18.3 memberikan latihan dalam menulis persamaan nuklir untuk emisi alfa, emisi beta, emisi positron, dan penangkapan elektron.Contoh 18.3 - Persamaan NuklirTulis persamaan nuklir untuk (a) emisi alfa oleh polonium-210, yang digunakan dalam terapi radiasi, (b) emisi beta oleh emas-198, yang digunakan untuk menilai aktivitas ginjal, (c) emisi positron oleh nitrogen-13, digunakan untuk menggambarkan otak, jantung, dan hati, dan (d) penangkapan elektronoleh gallium-67, digunakan untuk melakukan scan seluruh tubuh untuk tumor.Penyelesaiana. Simbol untuk polonium-210 adalah, dan simbol untuk partikel alfa adalah . Oleh karena itu, persamaan awal adalah____ + Langkah pertama dalam menyelesaikan persamaan ini adalah menentukan subskrip dari formula yang hilang dengan menentukan nomor yang akan membuat jumlah dari bagian di sebelah kanan panah sama dengan bagian di sebelah kiri. Angka ini merupakan nomor atom dari nuklida yang hilang. Kemudian dari tabel periodik dapat diketahui elemen nuklida yang hilang. Dalam persamaan tertentu, bagian di sebelah kanan harus menambahkan hingga 84, sehingga subskrip untuk nuklida yang hilang harus 82. Ini merupakan nomor atom timbal, sehingga simbol untuk nuklida produk adalah Pb. Selanjutnya menentukan superskrip untuk formula hilang dengan menentukan nomor yang akanmembuat jumlah dari bagian di sebelah kanan panah sama dengan bagian di sebelah kiri. Nomor massa untuk nuklida produk harus 206. + b. Simbol untuk emas-198 adalah , dan simbol untuk partikel beta . Oleh karena itu, persamaan awal adalah____ +Untuk menyeimbangkan bagian subskrip dalam persamaan ini, subskrip nuklida yang hilang harus 80, menunjukkan bahwa simbol untuk nuklida produk adalah Hg, merkuri. Nomor massa tetap sama dalam emisi beta, yaitu 198. + c. Simbol untuk nitrogen-13 adalah , dan simbol untuk positron adalah . Oleh karena itu, persamaan awal adalah____+Untuk menyeimbangkan bagian subskrip dalam persamaan ini, superskrip nuklida yang hilang harus 6, menunjukkan bahwa simbol untuk nuklida produk adalah C, karbon. Nomor massa tetap sama dalam emisi positron, yaitu 13. + d. Simbol untuk gallium-67 adalah , dan simbol untuk elektron adalah . Oleh karena itu, persamaan awal adalah + _____Untuk menyeimbangkan bagian subskripdalam persamaan ini, bagian nuklida yang hilang harus 30, menunjukkan bahwa simbol untuk nuklida produk adalah Zn, seng. Nomor massa tetap sama dalam emisi positron, yaitu 67. + Contoh 18.4 Persamaan NuklirGlenn Seaborg dan timnya, ilmuwan di Laboratorium Lawrence di Universitas California, Berkeley, menemukan sejumlah elemen baru, beberapa di antaranya-berkelium, kalifornium, lawrensium-telah dinamai untuk menghormati pekerjaan mereka. Lengkapi persamaan inti berikut yang menggambarkan proses yang digunakan untuk membuat elemen-elemen ini.a. + ___ + + 2b. + ___ + 4c. ___ + + 5PenyelesaianPertama, menentukan subskrip untuk formula yang hilang dengan melihat nomor yang merupakan jumlah dari subskrip di kiri panah sama dengan di sebelah kanan. Angka itu merupakan nomor atom dari nuklida yang hilang sehingga diperoleh simbol unsur untuk nuklida tersebut. Selanjutnya, menentukan superskrip untuk formula hilang dengan menjumlah nomor dari superskrip di sebelah kiri panah sama dengan jumlah dari superskrip di sebelah kanan.a. + + + 2b. + + 4c. + + 5

Tingkat Peluruhan RadioaktifKarena nuklida radioaktif yang berbeda memiliki kestabilan yang berbeda, tingkat peluruhannya berbeda juga. Angka ini dijelaskan dengan waktu paruh nuklida, waktu yang dibutuhkan untuk setengah dari sampel menghilang. Misalnya, radioaktif karbon-14, yang meluruh untuk membentuk nitrogen-14 dengan memancarkan partikel beta, memiliki waktu paruh 5730 tahun. Setelah 5730 tahun, setengah dari sampel tetap, dan setengah telah menjadi nitrogen-14. Setelah 11,460 tahun (dua waktu paruh), setengah dari sisanya yang akan meluruh untuk membentuk nitrogen-14, membuat sampel menjadi seperempat dari jumlah aslinya. Setelah 17,190 tahun (tiga waktu paruh), setengah dari apa yang tersisa setelah 11,460 tahun akan meluruh untuk membentuk nitrogen-14, jadi seperdelapan dari sampel asli akan tetap. Ini terus berlanjut, dengan satu-setengah dari sampel meluruh setiap paruh.Bayangkan memiliki kue dan diberitahu bahwa Anda hanya diperbolehkan untuk makan setengah dari jumlah semua di piring per hari. Hari pertama Anda makan setengah dari kue. Hari berikutnya Anda makan setengah dari apa yang ada, tapi itu hanya seperempat dari kue (1/2 1/2). Keesokan harinya Anda hanya bisa makan seperdelapan dari kue asli (1/2 1/4 atau 1/2 1/2 1/2), dan pada hari berikutnya seperenam belas (1/2 1/8 atau 1/2 1/2 1/2 1/2). Pada hari kelima (setelah lima waktu paruh), potongan yang Anda makan hanya 1/32 dari kue asli (1/2 1/16 atau 1/2 1/2 1/2 1/2 1/2). Proses berlanjut sampai tidak ada cukup kue untuk dimakan. Ini adalah situasi yang sama dengan nuklida radioaktif. Setengah dari jumlah mereka menghilang setiap paruh sampai tidak ada jumlah yang signifikan yang tersisa. Lamanya waktu yang diperlukan untuk sampel radioaktif berkurang untuk tidak signifikan tergantung pada waktu paruh dan jumlah sampel yang ada untuk memulai peluruhan (Gambar 18.2).Dalam kimia atau fisika, Anda bisa belajar teknik umum untuk menggunakan waktu paruh nuklida untuk memprediksi lamanya waktu yang dibutuhkan untuk setiap persentase tertentu dari sampel meluruh. Contoh 18.5 memberikan sekilas dari prosedur ini dengan menunjukkan bagaimana untuk memprediksi lamanya waktu yang dibutuhkan untuk nuklida radioaktif tertentu (dengan paruh yang diberikan) untuk meluruh sampai 1/2, 1/4, 1/8, 1/16, atau 1/32 dari jumlah aslinya. Contoh 18.6 menunjukkan bagaimana Anda dapat memprediksi apa fraksi sampel akan tetap setelah satu, dua, tiga, empat, atau lima waktu paruh.

Contoh 18.5 Waktu paruhRadon-222, yang ditemukan di udara dalam rumah yang dibangun di atas tanah yang mengandung uranium, memiliki paruh 3.82 hari. Berapa lama sebelum sampel meluruh hingga 1/32 dari jumlah awal?Penyelesaian:Dalam setiap paruh dari nuklida radioaktif, jumlah yang berkurang adalah setengah. Fraksi 1/32 adalah x x x x , sehingga diperlukan lima waktu paruh untuk membuat sampel menjadi 1/32. Untuk radon-222, lima waktu paruhnya adalah 19.1 hari (5 x 3.82 hari)Contoh 18.6 Waktu paruhSalah satu masalah yang terkait dengan penyimpanan limbah radioaktif dari pembangkit listrik tenaga nuklir adalah bahwa beberapa nuklida radioaktif tetap ada dalam waktu yang sangat lama. Contohnya adalah plutonium-239, yang memiliki waktu paruh 2.44 x 104 tahun. Berapa fraksi yang dibutuhkan oleh plutonium-239 sehingga tersisa setelah 9.76 x 104 tahun?Penyelesaian:Lamanya waktu dibagi dengan paruh menghasilkan jumlah paruh:

Dalam setiap paruh dari nuklida radioaktif, jumlah yang berkurang adalah setengah, sehingga fraksi sisanya akan menjadi 1/16 ( x x x ).

Soal Latihan Latihan 18.1 Simbol NuklidaSebuah nuklida yang digunakan pada terapi radiasi untuk pengobatan kanker memiliki 39 proton dan 51 neutron. Tuliskan simbol nulida dengan rumus . Tulis 2 cara lain untuk mewakili nulida ini.Latihan 18.2 Simbol nuklidaSebuah atom dengan simbol 201TI dapat digunakan untuk menafsirkan jantung pasien pada tes ketegangan. Berapakah nomor atom dan nomor massanya? Berapa jumlah proton dan jumlah neutron yang ada pada nukleus tiap atomnya? Tuliskan 2 cara lain untuk mewakili nuklida ini?Latihan 18.3 Persamaan NuklirTulis persamaan inti untuk (a) emisi alfa oleh plutonium-239, salah satu zat yang dibentuk pada pembangkit listrik tenaga nuklir, (b) emisi beta oleh natrium-24, digunakan untuk mendeteksi gumpalan darah, (c) emisi positron oleh oksigen-15, digunakan untuk menilai efisiensi paru-paru, dan (d) penangkapan elektron oleh tembaga-64, digunakan untuk mendiagnosa penyakit paru-paru.Contoh 18.4 menunjukkan bagaimana Anda dapat menyelesaikan persamaan inti ketika salah satu simbol untuk partikel hilang.Latihan 18.4 Persamaan IntiLengkapi persamaan inti berikuta. + ___ + b. + ___ + 5c. ____ + +

Nukleus dan Radioaktivitas| 11