Ruj

Module 1 Unit 5: Matter and MaterialsSCE3109 Tenaga dalam Kimia

Soalan 1:

(i) 3 jenis sistem termodinamik. Berikan contoh yang sesuai dalam kurikulum sains sekolah rendah.

Termokimia ialah suatu kajian tentang perubahan tenaga yang menyertai suatu tindak balas kimia.

Hukum Pertama Termodinamik/Pemuliharaan Tenaga

Apabila tenaga berubah daripada satu bentuk kepada bentuk yang lain, jumlah tenaga adalah tetap. Tenaga dipulihara. Hukum Pemuliharaan Tenaga atau Hukum Pertama Termodinamik menyatakan bahawa tenaga tidak boleh dicipta atau dimusnahkan tetapi boleh ditukarkan daripada satu bentuk kepada bentuk yang lain.

Tenaga dalam dan permindahan tenaga

Dalam termokimia, sistem adalah bahagian dari semesta yang akan dikaji, misalnya dalam suatu ujikaji, bahan dan hasil tindak balas adalah merupakan sistem. Sekitar adalah bahagian luar sistem, misalnya kelalang, makmal dan sebagainya. Sistem dan sekitar membentuk semesta. Sistem boleh dibahagikan kepada 3 jenis; iaitu

(a) Sistem terbukaDalam sistem terbuka, kedua-dua tenaga dan jirim dapat dipindahkan daripada suatu sistem kepada sekitarnya. Misalnya, air kopi panas dalam cawan. Haba dihilangkan kepada sekitarnya manakala wap (sebagai jirim) juga turut meruap ke sekitarnya.

(b) Sistem tertutupDalam sistem terbuka, hanya tenaga sahaja dapat dipindahkan kepada sekitarnya. Misalnya, air kopi panas dalam cawan yang tertutup rapat, hanya haba dihilangkan kepada sekitarnya.

(c) Sistem terpencil atau tersekatPada sistem ini, tiada tenaga atau jirim yang dapat berpindah. Misalnya, air panas yang disimpan dalam termos.

Perpindahan tenaga berlaku dalam bentuk haba q atau kerja, w. Perpindahan tenaga ini menjejaskan jumlah keseluruhan tenaga, iaitu tenaga dalam, E yang terdapat dalam sistem tersebut. Jumlah tenaga dalam, E sesuatu sistem terdiri daripada jumlah semua tenaga terma dan tenaga kimia untuk setiap molekul atau ion dalam sistem itu. Bagi suatu sistem terpencil atau tersekat, jumlah tenaga dalam adalah tetap kerana tiada tenaga atau jirim yang dapat berpindah. Ini merupakan suatu pernyataan lain bagi Hukum Pertama Termodinamik yang boleh dituliskan sebagai Jumlah tenaga dalam suatu sistem terpencil atau tersekat adalah tetap. Pada praktiknya, adalah sesuatu yang tidak mungkin bagi kita memisahkan suatu tindak balas kimia dengan sekitarnya kerana bahan kimia yang kita gunakan sentiasa berada dalam keadaan bersentuhan dengan sekitarnya. Namun begitu, kita masih boleh mengukur akan perubahannya sahaja, disebut perubahan tenaga dalam, E, di mana E = Efinal - Einitial Efinal ialah tenaga dalam keadaan akhir sistemEinitial ialah tenaga dalam keadaan awal sistemSebarang tenaga yang mengalir keluar daripada sistem kepada sekitarnya mempunyai tanda negatif kerana sistem tersebut mengalami kehilangan haba. Efinal < Einitial Sebaliknya tenaga yang mengalir masuk kepada sistem daripada sekitarnya mempunyai tanda positif kerana sistem tadi mengalami pertambahan haba. Efinal > Einitial Tindak balas eksotermik dan endotermik

Haba yang terlibat dalam sesuatu tindak balas kimia disebut secara umum sebagai haba tindak balas. Haba tindak balas ini merupakan kuantiti haba yang bertukar di antara sistem dengan sekitarnaya apabila suatu tindak balas kimia berlaku di dalam sistem tersebut pada suhu tetap. Dalam tindak balas eksotermik, haba dipindahkan dari sistem ke sekitar manakala dalam tindak balas endotermik, haba dipindahkan dari sekitar ke sistem. Rajah 1.3 menunjukkan profil tenaga bagi tindak balas eksotermik dan Rajah 1.4 menunjukkan profil tenaga bagi tindak balas endotermik.

Kandungan H2O (g) bahan Haba , H H = - 44 kJ mol-1 (haba dibebaskan) H2O (l) hasil Laluan tindak balas

Rajah 1.3 Profil Tenaga Tindak Balas Eksotermik

Kandungan H2O(g)Haba, H H = + 44 kJ mol-1 (haba diserap)

H2O (l) Laluan tindak balas

Profil Tenaga Tindak Balas Endotermik

(ii) Haba Peneutralan

(iii) Aplikasi hukum Hess

(iv) Tindak balas redoks untuk menghasilkan elektrik

(v) Penyaduran stanum pada tin besi

(vi) Proses penghasilan tenaga nuklear

TAJUK 15

KIMIA NUKLEAR

15.0 Sinopsis

Sesetengah nukleus atom tidak stabil dan mereput secara spontan dengan memancarkan sinaran zarah alfa, beta dan gamma. Sinaran ini bergerak menembusi jisim dan mengion molekul, maka sinaran tadi boleh memberikan kesan terhadap organism secara biologi. Namun ini, adalah penting sinaran ini dapat dikesani. Dalam tajuk ini, anda akan diberi pendedahan tentang alat pengesanan sinaran radioaktiviti, kesan biologi radiasi dan penggunaan kimia nuklear.

15.1 Hasil Pembelajaran

1.Menjelaskan berbagai alat pengesan radioaktiviti; 2. Menerangkan kesan biologi radiasi terhadap manusia; 3. Menerangkan berbagai penggunaan kimia nuklear.

15.2 Kerangka Tajuk

Figure 15.1 Kerangka Tajuk

15.3 Isi Kandungan

15.3.1 Alat Pengesan Sinaran RadioaktivitiSinaran nukleus boleh dikesan menggunakan alat pengesan seperti berikut: a) Lencana filem fotografib) Pengesan Sintilasi c) Tiub Geiger-Muller d) Elektroskop Kerajang Emas e) Cloud Chamberf) Pengira Spark

Lencana filem fotografi

Lencana filem fotografi biasanya digunakan oleh orang yang bekerja di sekitar yang mendedahkan mereka kepada radiasi. Lencana ini mengandungi filem fotografi yang terdedah apabila terkena radiasi. Di depan filem fotografi terdapat berbagai penyerap dengan ketebalan yang berbeza untuk menahan tembusan sinaran radiasi. Jika dos radiasi terlalu tinggi, filem fotografi bertukar warna kepada hitam. Selepas seketika masa, filem itu diproses dan dari ini kadar pendedahan akan menunjukkan dos radiasi yang diserap oleh seseorang pada masa itu.

Rajah 15.2 Lencana Filem Fotografi(Sumber: http://images.goggle.com)

Pengesan Sintilasi

Pengesan sintilasi adalah alat pengesan radiasi yang boleh menghitung zarah dipancarkan daripada nucleus radioaktif. Prinsip asas alat ini ialah penggunaan suatu bahan misalnya fosfor yang boleh memancarkan kilauan cahaya apabila ianya disinari oleh radiasi. Bilangan kilauan atau sintilasi se unit masa adalah berkadar dengan bilangan radiasi yang memukul permukaan suatu bahan. Rajah 15.3 menunjukkan proses suatu pengesan sintilasi. .

Rajah 15.3 Pengesan Sintilasi (Sumber: http://images.goggle.com)

Bahan yang biasa digunakan ialah kristal natrium iodide yang mengandungi talium (II) iodida sebagai fosfor untuk mengesan zarah alfa. Kilauan yang dihasilkan oleh proses sintilasi dipancarkan melalui tingkap optik ke dalam tiub photomultiplier . Bahagian pertama photomultiplier ialah foto katod yang menghasilkan elektron apabila cahaya memancar ke atasnya. Elektron ini akan ditarik kepada suatu siri plat yang dipanggil dinod melalui aplikasi voltan tinggi positif. Apabila suatu elekton daripada foto katod memukul dinod pertama, beberapa elektron dihasilkan yang kemudian akan ditarik kepada dinod kedua di mana penggandaan elektron berlaku. Urutan ini berterusan sehingga ke dinod terakhir di mana denyut elektron sekarang sudah berjuta kali lebih besar daripada di awal tiub. Pada takat ini, elektron dikumpulkan di anod pada hujung tiub dan membentuk denyut elektronik. Denyut ini dikesan dan dipamerkan di atas alat pengukur.

Tiub Geiger-Muller

Tiub Geiger-Muller adalah alat pengesan radiasi yang beroperasi atas prinsip bahawa ion terbentuk apabila radiasi melalui tiub yang diisikan dengan gas pada tekanan rendah. Zarah alfa dan beta boleh dikesan secara langsung menggunakan tiub Geiger-Muller. Alat ini terdiri daripada suatu tiub logam yang diisikan dengan gas pada tekanan seperti argon. Dalam tiub itu terdapat dua elektrod pada voltan tinggi dengan tanda bertentangan. Pancaran radiasi masuk ke dalam tiub melalui tingkap mika dan mengion gas argon dengan mengeluarkan electron daripada molekulnya. Ion dan electron yang dihasilkan oleh pengionan radiasi membolehkan pangaliran denyut arus elektrik ringkas di antara elektrod. Arus ringkas ini dibesarkan dan dibilang menggunakan alat pengira seperti meter kadar atau skala sebagai satu kiraan. Bilangan kiraan se unit masa adalah berkadar dengan jumlah radiasi yang melalui tiub Geiger-Muller. Apabila tiub Geiger-Muller digunakan untuk mengesan pancaran radioaktif, kadar kiraan latarbelakang ditolak daripada kadar kiraan yang didapati. Rajah 15.4 menunjukkan proses dalam tiub Geiger-Muller manakala Rajah 15.5 adalah suatu tiub Geiger-Muller.

Rajah 15.4 Proses dalam Tiub Geiger-Muller (Sumber: http://images.goggle.com)

Rajah 15.5 Tiub Geiger-Muller (Sumber: http://images.goggle.com)

Elektroskop kerajang-emas

Elektroskop kerajang emas terdiri daripada sebatang logam tegak biasanya loyang dan pada hujungnya tergantung dua keping selari keranjang emas. Suatu terminal logam diletakkan di atas di mana caj yang diuji digunakan. Untuk melindungi kerajang emas daripada angin sejuk, ia diletakkan dalam suatu botol gelas, biasanya terbuka di bawah dan dipasangkan kepada suatu tapak. Elektroskop digunakan untuk mengesan kehadiran caj. Apabila terminal logam disentuh dengan objek bercaj, kerajang emas akan mencapah dalam bentuk V. Elektroskop juga boleh dicaj tanpa sentuhan dengan objek bercaj melalui induksi elektrostatik. Jika suatu objek bercaj di bawa berdekatan dengan terminal elektroskop, kerajang emas juga mencapah kerana medan elektrik objek menyebabkan batang elektroskop untuk mencapah. Caj dengan polariti yang bertentangan dengan objek bercaj akan tertarik kepada terminal, manakala caj dengan polariti yang sama akan menolak kerajang emas dan menyebabkannya mencapah. Rajah 15.6 menunjukkan proses dalam Elektroskop Kerajang Emas.

Rajah 15.6 Proses dalam Elektroskop Kerajang Emas (Sumber: http://images.goggle.com)

Kebuk Awan (Cloud Chamber)

Kebuk awan Wilson ialah alat untuk memerhati laluan pergerakan zarah radioaktif. Rajah 15.7 menunjukkan suatu kebuk awan dan Rajah 15.8 menunjukkan keratan rentas suatu kebuk awan.

Rajah 15.7 Kebuk Awan (Sumber: http://images.goggle.com)

Rajah 15.8 Keratan Rentas Kebuk Awan (Sumber: http://images.goggle.com)

Bahagian atas dan bawah kebuk ditutup oleh gelas yang bergaris pusat beberapa sentimeter. Pada bawah kebuk terletak suatu omboh. Udara dalam kebuk ini ditepukan dengan wap air. Apabila omboh ditarik ke bawah dengan cepat, isipadu kebuk akan mengembang dan suhu akan menurun, menjadikan udara dalam kebuk tepu melampau dengan wap. Jika terdapat suatu zarah bercaj dalam keadaan tepu melampau ini, wap air akan mengkondensasi atas ion iaitu laluan caj. Maka, kita boleh lihat jejaknya. Cahaya dicerahkan dari tepi untuk melihat jejak zarah dengan jelas.

Pengira SparkPengira Spark ialah suatu alat khas untuk mengesan zarah alfa. Ia mengandungi kasa logam dengan suatu wayar di bawahnya dan disambungkan kepada bekalan kuasa,. Sumber zarah alfa ialah plutonium-209 yang disimpan dalam bekas plumbum tertutup. Zarah alfa akan menyebabkan pengionan udara dan menghasilkan suatu discaj percikan api yang dikesan oleh pengira.

Rajah 15.9 Pengira Spark (Sumber: http://images.goggle.com)

Rajah 15.10 Penggunaan Pengira Spark (Sumber: http://images.goggle.com)

Memikir (1 jam)

Banding bezakan berbagai alat pengesan sinaran radioaktiviti dengan menggunakan penyusun grafik.

15.3.2 Kesan biologi radiasi

Kerosakan yang dihasilkan oleh radiasi begantung kepada tenaga radiasi, tempoh pendedahan radiasi dan sama ada sumber radiasi di dalam atau di luar badan. Di luar badan, sinaran gamma adalah sangat merbahaya kerana ia dapat menembusi tisu manusia dengan berkesan. Kesan biologi radiasi boleh dikategorikan sebagai pendedahan masa panjang dan masa pendek.

(a) Pendedahan radiasi masa panjang menghasilkan pembinaan radikal bebas yang menyebabkan mutasi genetik atau kanser. Radiasi tenaga tinggi boleh membuangkan elektron daripada sebatian dan menghasilkan radikal atau radikal bebas dalam tisu yang dilaluinya. Radikal ini yang kekurangan elektron sangat reaktif dan boleh menyebabkan tindak balas dalam bahan stabil sel organisma hidup. Jika tindak balas ini melibatkan bahan genetik seperti gen dan kromosom, perubahan ini mengakibatkan mutasi genetik atau kanser.

(b) Pendedahan radiasi yang kuat masa pendek bercenderung memusnahkan tisu di tempat yang didedahkan dan mengakibatkan sindrom radiasi merisik seperti rasa mual, keletihan, muntah, kehilangan selera, sakit tekak, cirit birit dan kekurusan sederhana. Kemusnahan cepat tisu menjadikan radiasi kuat sebagai suatu alat yang sesuai untuk rawatan setengah-tengah kanser.

(c) Pendedahan radiasi juga boleh menyebabkan kemandulan, kelihatan tua lebih awal, kekurangan sel darah putih, kemusnahan sistem badan, berdarah dalam dan akhirnya maut.

Membuat Nota (2 jam)

Untuk mendapat kefahaman mendalam tentang kesan biologi radiasi, baca artikel dalam laman web berikut: http://hps.org/publicinformation/ate/faqs/consumerproducts.htmll Buat nota ringkas tentang bacaan anda dan kongsikan pengetahuan ini dengan rakan sekerja anda.

15.3.4 Penggunaan kimia nuklear

Kimia nuklear digunakan dalam berbagai bidang.

(a) Rawatan Perubatan

Bahan radioaktif banyak digunakan dalam rawatan perubatan sebagai penyurih radioaktif yang diagnostik untuk mengenal pasti sesuatu penyakit.. Misalnya, Iodine-123 digunakan sebagai penyurih radioaktif bagi rawatan kanser tiroid. Cobalt-60 digunakan untuk rawatan kanser untuk memusnahkan sel kanser yang membahagi dengan sangat cepat. Sinaran gamma digunakan untuk mensterilkan alat pembedahan.

Rajah 15.11 Rawatan Kanser Tiroid (Sumber: http://images.goggle.com)

(b) Industri

Bahan radioaktif digunakan untuk mengenal pasti kebocoran paip bawah tanah. Suatu bahan radioaktif yang menghasilkan zarah alfa dimasukkan dalam paip. Sinaran alfa mempunyai kuasa penembusan yang paling rendah, maka ia sesuai digunakan untuk mengesan kebocoran paip. Sinaran alfa yang dibebaskan oleh bahan radioaktif itu dikesan oleh pengira Geiger-Muller, maka mengenal pasti di mana tempat kebocoran paip itu. Bahan radioaktif juga digunakan untuk mengawal ketebalan bahan seperti kertas dengan menggunakan pengira Geiger-Muller.

Rajah 15.12 Pengesanan Kebocoran Paip Bawah Tanah (Sumber: http://images.goggle.com)

(c) Kaji Purba/Arkeologi

Bahan radioaktif boleh digunakan untuk menetapkan tarikh bahan antic atau fosil. Misalnya, Karbon-14 digunakan untuk menentukan umur barang purba walaupun telah berumur beberapa ratus ribu tahun. Karbon-14 hadir di atmosfera dalam bentuk karbon dioksida. Tumbuhan menggunakan karbon dioksida yang mengandungi karbon-14 untuk proses fotosintesis. Selanjutnya, haiwan akan memakan tumbuhan tadi, maka padanya terdapat karbon-14. Apabila hidupan tadi mati, nisbah karbon-14 dengan karbon-12 mulai berkurangan kerana pereputan karbon-14 yang berterusan dengan kadar yang kecil. Nisbah kedua-dua karbon inilah yang menjadi kunci penentu tentang tarikh mati hidupan. Pentarikhan karbon-14 hanya boleh digunakan bagi bahan yang mempunyai umur tidak melebihi 50 000 tahun sahaja, bagi yang lebih lama lagi daripada tempoh ini, pentarikhan dilakukan dengan menggunakan isotop uranium-238.

(d) Pengawetan Makanan

Bahan radioaktif juga digunakan untuk mensterilkan makanan untuk pengawetan supaya ia tahan lebih lama. Ia juga digunakan untuk menghalang percambahan kentang dan sayur-sayuran supaya boleh disimpan lebih lama.

(e) Pertanian

Sinaran gama digunakan untuk mensterilkan haiwan peliharaan. Ia juga digunakan untuk menghasilkan baka tumbuh-tumbuhan yang baru. Fosfor-32 digunakan sebaagi pengesan untuk mengkaji penyerapan dan penggunaan fosfat oleh tumbuh-tumbuhan. Karbon-14 digunakan untuk mengkaji laluan karbon dalam fotosintesis tumbuh-tumbuhan.

(f) Senjata NuklearProses transmutasi nukleus bahan radioaktif secara pembelahan dan pelakuran digunakan untuk menyediakan bom atom dan bom hydrogen yang digunakan sebagai senjata nuclear. (g) Kuasa Nuklear Pembelahan nucleus secara berantai dengan kawalan terkawal dalam reaktor nuklear menghasilkan kuasa nuklear yang mampu memenuhi bekalan elektrik setiap sektor masyarakat.

Mengumpul Maklumat (2 jam)

Kumpulkan maklumat mengenai cara menguruskan bahan radioaktif. Senaraikan langkah keselamatan yang boleh diambil dalam pengurusan bahan radioaktif.

Latihan (2 jam)

Kumpulkan maklumat mengenai penggunaan tenaga nuklear sebagai sumber tenaga alternatif yang bermanfaat bagi umat manusia. Sediakan satu poster tentang kelebihan dan kelemahan penggunaan tenaga nuklear sebagai sumber tenaga alternatif di Malaysia. Sebarkan maklumat yang disediakan kepada orang lain dengan mempamerkan poster ini di papan buletin sekolah anda. Tuliskan satu refleksi sebanyak 200 perkataan tentang pengalaman anda semasa menyediakan latihan ini.

15.4 Rujukan

Brown, T.L.; Lemay,H.E.; Bursten, B.E. (2000) Chemistry-The Central Science. Eighth Edition, New Jersey:Prentice Hall.

McMurry,J.; Fay,R.C. (2001) Chemistry. Third Edition, New Jersey: Prentice Hall.

http://hps.org/publicinformation/ate/faqs/consumerproducts.html (kesan biologi radiasi)http://en.wikipedia.org/wiki/Geiger-M%C3%BCller_tube (Tiub Geiger-Muller)http://physics.kenyon.edu/EarlyApparatus/Static_Electricity/Electroscope/Electroscope.html (Elektroskop Kerajang Emas)http://www.answers.com/topic/nuclear-reactor (Tenaga nuklear)http://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_reactor_technology (Tenaga nuklear)

- 1 -

2