Kimia Nuklir
Tujuan;[kembali}
- Untuk mempelajari penyeimbangan persamaan nuklir dalam hal partikel elementer
- Untuk mempelajari stabilitas inti dalam hal rasio neutron-toproton
- Untuk mempelajari peluruhan 238U sebagai contoh radioaktivitas alami
- Untuk memahami Transmutasi nuklir
Dasar Teori;[kembali}
19.1. Sifat reaksi nuklir
Setiap inti mengandung proton dan neutron. inti yang tidak stabil mereka memancarkan partikel dan atau radiasi elektromagnetik secara spontan atau disebut radioaktivitas. elemen yang memiliki nomor atom lebih besar dari 83 adalah radioaktif contohnya isotop polonium, polonium-210 (210Po), meluruh secara spontan 206Pb dengan memancarkan partikel α. Jenis radioaktivitas lain, yang dikenal sebagai transmutasi nuklir, yaitu hasil dari pemboman inti oleh neutron, proton, atau inti lainnya.
- Perbandingan Reaksi Kimia dan Reaksi Nuklir
Tabel 19.1 merangkum perbedaan reaksi kimia
Reaksi Kimia Reaksi Nuklir
1. Atom disusun kembali dengan memutuskan 1. unsur atau isotop dari unsur yang sama
dan membentuk ikatan kimia. diubah dari satu unsur ke unsur yang lainnya
2. Hanya elektron dalam orbital atom / molekul 2. Proton, neutron, elektron, dan partikel
yang terlibat dalam pemutusan&pembentukan ikatan. elementer lainnya mungkin terlibat
3. Reaksi disertai dengan penyerapan atau 3. Reaksi disertai dengan penyerapan atau
pelepasan energi dalam jumlah yang relatif kecil pelepasan energi dalam jumlah besar
4. Laju reaksi dipengaruhi oleh suhu,tekanan 4. Laju reaksi biasanya tidak dipengaruhi oleh
konsentrasi, dan katalis suhu, tekanan, dan katalis
superskrip dalam setiap kasus menunjukkan nomor massa (jumlah total neutron dan proton) dan subskrip adalah nomor atom (jumlah proton). Jadi, "nomor atom" proton adalah 1, karena terdapat satu proton, dan "nomor massa" juga . 1, karena hanya ada satu proton tetapi tidak ada neutron. Sebaliknya, "nomor massa" neutron adalah 1, tetapi "nomor atom" -nya nol, karena tidak ada proton. Untuk elektron, "nomor massa" adalah nol (tidak ada proton atau neutron), tetapi "nomor atom" adalah 21, karena elektron memiliki muatan negatif satuan.
Simbol 20e mewakili sebuah elektron di dalam atau dari orbital atom. Simbol 20b mewakili sebuah elektron yang, meskipun secara fisik identik dengan elektron lain, berasal dari inti (dalam proses peluruhan di mana neutron diubah menjadi proton
dan elektron) dan bukan dari orbital atom. Positron memiliki massa yang sama dengan elektron, tetapi memiliki muatan 11. Partikel α memiliki dua proton dan dua neutron, sehingga nomor atomnya adalah 2 dan nomor massanya adalah 4.
Dalam menyeimbangkan persamaan nuklir apa pun, kami mengamati aturan berikut:
• Jumlah total proton ditambah neutron dalam produk dan reaktan harus sama (kekekalan nomor massa).
• Jumlah total muatan nuklir dalam produk dan reaktan harus sama (kekekalan nomor atom).
Jika kita mengetahui nomor atom dan nomor massa semua spesies kecuali satu dalam persamaan nuklir, kita dapat mengidentifikasi spesies yang tidak diketahui dengan menerapkan aturan ini, seperti yang ditunjukkan pada Contoh 19.1, yang menggambarkan bagaimana menyeimbangkan persamaan peluruhan nuklir.
Positron adalah antipartikel elektron. Pada tahun 2007 fisikawan disiapkan dipositronium (Ps 2), yang hanya berisi elektron dan positron. Diagram di sini menunjukkan posisi inti pusat yang mengandung positron (merah) dikelilingi oleh elektron (hijau). Ps 2 spesies ada kurang dari satu nanodetik sebelum elektron dan positron memusnahkan satu sama lain dengan emisi γ sinar.
19.2. Stabilitas Nuklir
Inti menempati bagian yang sangat kecil dari total volume atom, tetapi ia mengandung sebagian besar massa atom karena baik proton maupun neutron berada di sana.mempelajari stabilitas inti atom, akan sangat membantu untuk mengetahui sesuatu tentang kerapatannya, karena ia memberi tahu kita betapa rapatnya partikel-partikel tersebut.
contoh :
sebuah nukleus memiliki jari-jari 5 3 1023 pm dan massa 1 3 10222 g. Angka-angka ini secara kasar sesuai dengan nukleus yang mengandung 30 proton dan 30 neutron. Kepadatan adalah massa / volume, dan kita dapat menghitung volume dari jari-jari yang diketahui (volume bola adalah 4 3pr3, di mana r adalah jari-jari bola).
Faktor utama yang menentukan apakah sebuah inti stabil adalah rasio neutron-proton (n /p). Untuk atom stabil dari unsur-unsur yang memiliki nomor atom rendah, nilai n / p mendekati 1. Dengan meningkatnya nomor atom, rasio neutron-ke-proton dari inti stabil menjadi lebih besar dari 1. Deviasi pada nomor atom yang lebih tinggi ini muncul karena sejumlah besar neutron dibutuhkan untuk melawan tolakan yang kuat di antara proton dan menstabilkan inti. Aturan berikut berguna dalam memprediksi stabilitas nuklir:
1. Inti yang mengandung 2, 8, 20, 50, 82, atau 126 proton atau neutron umumnya lebih stabil daripada inti yang tidak memiliki bilangan ini .
Tabel 19.2 .Jumlah Isotop Stabil dengan Bilangan Genap dan Ganjil dari Proton dan Neutron
Neutron Proton Jumlah Isotop Stabil
Odd Even 50
Even Odd 53
Even Even 164
adalah 10 isotop stabil timah (Sn) dengan nomor atom 50 dan hanya 2 isotop stabil antimon (Sb) dengan nomor atom 51. Nomor 2, 8, 20, 50, 82, dan 126 dipanggil angka ajaib. Signifikansi angka-angka ini bagi stabilitas inti serupa dengan jumlah elektron yang terkait dengan gas mulia yang sangat stabil (yaitu, 2, 10, 18, 36, 54, dan 86 elektron).
2. Inti dengan jumlah proton dan neutron genap umumnya lebih stabil dibandingkan dengan jumlah partikel ganjil (Tabel 19.2)
3.Semua isotop unsur dengan nomor atom lebih tinggi dari 83 bersifat radioaktif. Semua isotop teknesium (Tc, Z 5 43) dan promethium (Pm, Z 5 61) bersifat radioaktif.
Gambar 19.1 Plot neutron versus proton untuk berbagai isotop stabil, diwakili oleh titik. Garis lurus mewakili titik-titik di mana rasio neutron-proton sama dengan 1. Area yang diarsir mewakili sabuk stabilitas.
Gambar diatas menunjukkan plot jumlah neutron versus jumlah proton dalam berbagai isotop. Inti stabil terletak di area grafik yang dikenal sebagai sabuk stabilitas. Sebagian besar inti radioaktif terletak di luar sabuk ini. Di atas sabuk stabilitas, nuklei memiliki rasio neutron-ke-proton yang lebih tinggi daripada yang ada di dalam sabuk (untuk jumlah proton yang sama). Untuk menurunkan rasio ini (dan karenanya bergerak menuju sabuk stabilitas), inti ini menjalani proses berikut, disebut β- emisi partikel
1 1 0
0n => 1p + -1b
Emisi partikel beta menyebabkan peningkatan jumlah proton dalam inti dan penurunan jumlah neutron secara bersamaan. Beberapa contohnya adalah
14 14 0
6C => 7N + -1b
40 40 0
19K => 20Ca + -1b
97 97 0
40Zr => 41Nb + -1b
Di bawah sabuk stabilitas inti memiliki rasio neutron-ke-proton yang lebih rendah daripada yang ada di sabuk (untuk jumlah proton yang sama). Untuk meningkatkan rasio ini (dan dengan demikian bergerak ke atas menuju sabuk stabilitas), inti ini mengeluarkan positron
1 1 0
0n => 1p + +1b
atau menjalani penangkapan elektron. Contoh emisi positron adalah
38 38 0
19K => 18Ar + +1b
Penangkapan elektron adalah penangkapan elektron — biasanya elektron 1s — oleh inti. Elektron yang ditangkap bergabung dengan proton untuk membentuk neutron sehingga nomor atom berkurang satu sedangkan nomor massanya tetap sama. Proses ini memiliki efek bersih yang sama dengan emisi positron:
37 0 37
18Ar => -1e + 17Cl
55 0 55
26Fe => 21e + 25Mn
Energi Pengikat Nuklir
Ukuran kuantitatif stabilitas nuklir adalah energi ikat nuklir, yang merupakan energi yang dibutuhkan untuk memecah inti menjadi komponen proton dan neutronnya. Kuantitas ini merepresentasikan konversi massa menjadi energi yang terjadi selama reaksi nuklir exo termik.
Konsep energi ikat nuklir berevolusi dari studi sifat-sifat nuklir yang menunjukkan bahwa massa inti selalu lebih kecil dari jumlah massa nukleon, yang merupakan istilah umum untuk proton dan neutron dalam sebuah inti. Misalnya, file19Isotop F memiliki massa atom 18,9984 amu. Inti memiliki 9 proton dan 10 neutron dan karenanya total 19 nukleon. Menggunakan massa yang diketahui dari1Atom H (1,007825 amu) dan neutron (1,008665 amu), kita dapat melakukan analisis berikut. Massa 91Atom H (yaitu massa 9 proton dan 9 elektron) adalah :
9x1.007825amu=9.070425amu
dan massa 10 neutron adalah
10 x 1.008665 amu= 10.108665 amu
Oleh karena itu, massa atom a 19F dihitung dari jumlah yang diketahui elektron, proton, dan neutron adalah :
9.070425 amu + 10.08665 amu =19.15708 amu
yang lebih besar dari 18.9984 amu (massa terukur dari 19F) oleh 0,1587 amu.
Perbedaan antara massa atom dan jumlah massa pro-ton, neutron, dan elektronnya disebut cacat massa. Teori relativitas memberi tahu kita bahwa kehilangan massa muncul sebagai energi (panas) yang dilepaskan ke lingkungan. Jadi, formasi dari19F eksotermik. Hubungan kesetaraan energi massa Einstein menyatakan hal itu
E =mc^2
di mana E adalah energi, m adalah massa, dan c adalah kecepatan cahaya. Kita bisa menghitung besarnya energi yang dilepaskan dengan menulis
𝛥E = (𝛥m)c2
di mana 𝛥E dan 𝛥m didefinisikan sebagai berikut:
𝛥E = energi produk - energi reaktan
𝛥m = massa produk - massa reaktan
Jadi, perubahan massa diberikan oleh
𝛥m=18,9984 amu - 19,15708 amu
= -0.1587 pagi
Karena 19F memiliki massa yang kurang dari massa yang dihitung dari jumlah elektron dan nukleon yang ada, ¢ m adalah besaran negatif. Akibatnya, ¢ E juga merupakan besaran negatif; yaitu, energi dilepaskan ke lingkungan sebagai hasil dari pembentukan inti fluor-19. Jadi kami menghitung ¢ E sebagai berikut:
𝛥E = (-0,1587amu) (3,00 x 108 m/s)
= -1.43 3 1016 amu m2/ s2
Dengan faktor konversi
1 kg = 6.022 x 1026 amu
1J =1 kg m2/s2
𝛥E = (-2,37x 10-11 m/s) (6,002 x 1023 /mol)
=-1,43 x 1013 j/mol
=-1,43 x 1010 kj/mol
oleh karena itu energi ikat nuklir adalah -1,43 x 1010 kj/mol untuk 1 mol inti fluor -19.
Reaksi kimia hanya berkisar sekitar 200kj.Energi ikar nuklir merupakan indikasi kestabilan dua inti mana pun,fakta memperhitungkan bahwa mereka memiliki jumlah nukleon yang berbeda.Untuk lebih berarti mengunakan enegi ikat inti per nukleon yang didefenisikan sebagai:
Energi ikat per nukleon= Energi pengikat nuklir/jumlah nukleon
Untuk florin -19 nukleus
Energi ikat per nukleon =2,37x 10-11 m/s /19 nukleon
=1,25 x 10-12 j/nucleon
19.3 Radioaktivitas Alami
Inti di luar sabuk kestabilan, serta inti dengan lebih dari 83 proton, cenderung tidak stabil. Emisi spontan oleh inti partikel yang tidak stabil atau radiasi elektromagnetik, atau keduanya, dikenal sebagai radioaktivitas. Jenis utama radiasiadalah: partikel α (atau inti helium bermuatan ganda, He21); Partikel β (atau elektron);Sinar, yang panjang gelombangnya sangat pendek (0,1 nm sampai 1024nm) gelombang elektromagnetik;emisi positron; dan penangkapan elektron. Disintegrasi inti radioaktif seringkali merupakan awal dari radioaktifderet peluruhan, yang merupakan rangkaian reaksi nuklir yang pada akhirnya menghasilkanpembentukan isotop stabil. Tabel 19.3 menunjukkan rangkaian peluruhan yang terjadi secara alami.
Kinetika peluruhan Radioaktif
Semua peluruhan radioaktif mematuhi kinetika orde pertama.Oleh karena itu peluruhan radioaktif pada waktu t diberikan oleh:
laju peluruhan pada waktu t = λN
λ = konstanta laju orde pertama
N = jumlah inti radioaktif yang ada pada waktu t.
Peluruhan radioaktif berbasis penentuan tunggal
Waktu paruh isotop radioaktif telah telah digunakan sebagai "jam atom" untuk menetukan usia benda tertentu.
- penanggulangan radio karbon
- Penanggulangan menggunakan Urnanium 238 isotop
- Penanggulangan menggunakan potasium -40 isotop
19.4. Transmutasi Nuklir
Ruang lingkup kimia nuklir akan sedikit sempit jika studi dibatasi pada unsur radioaktif alam. Eksperimen yang dilakukan oleh Rutherford pada tahun 1919,menyarankan radioaktivitas secara artifisial.Ketika dia memborbardir sampel "a" nitrogen dengan partikel ∝ menunjukan reaksi berikut:
14 4 17 1
7N + 2a => 8O + 1P
Isotop oksigen -17 diproduksi dengan emisi proton.Reaksi ini mendemonstrasikan untuk pertama kalinya kelayakan untuk mengubah satu elemen menjadi elemen lainnya,dengan transmutasi nuklir.Trnasmutasi nuklir berbeda dengan peluruhan radioaktif yang disebabkan oleh tumbukan dua partikel.
Akselerator Partikel
Banyak isotp sintetis dibuat dengan menggunakan neutron sebagai proyektil.Pendekatan ini sangat cocok karena neutron tidak membawa muatan oleh karena itu tidak ditolak oleh target inti.Sebaliknya saat proyektil adalah partikel bermuatan positif harus memiliki energi kinetik yang cukup besar untuk mengatsi tolakan elektrostatis anatar keduanya dari mereka sendiri dan inti target.
gambar 19.4
skematis dari akselerator partikel siklotron. Partikel (ion) yang akan dipercepat dimulai dari pusat dan dipaksa untuk bergerak dalam jalur spiral melalui pengaruh medan listrik dan magnet sampai itu muncul dengan kecepatan tinggi. Medan magnet tegak lurus dengan bidang dees (disebut juga karena bentuknya), yang berongga dan berfungsi sebagai elektroda
Pulau Stabilitas
Sintesis terakhir unsur 117 pada tahun 2010 mengisi tabel periodik hingga 118 yang sudah di buat. ilmuwan nuklir percaya bahwa beberapa unsur yang lebih berat mungkin menempti sebuah "Pulau Stabilitas" dimana atom-atom memiliki umur paruh yang lebih lama.Inti atom dapat dianggap konsentris cangkang proton dan neutron.Inti paling stabil terjadi ketika kulit terluar terisi.
2) Ke terminals mode untuk mengambil ground, lalu ke generator mode untuk mengambil DC, dan ke instrument untuk mengambil voltmeter, letakkan pada skema rangkaian
3) Sambungkan setiap kabel pada alat dan bahan.
4) Sebelum diuji, ubah string pada resistor menjadi 250, ubah DC menjadi 10 volts
5) Masukkan program file sensor gas pada program file dalam sensor MQ-2
6) Rangkaian sudah dapat diuji.
Rangkaian Simulasi
Sebelum Dijalankan :
Sesudah Dijalankan:
Prinsip Kerja Rangkaian
Pada rangkaian ini akan mendeteksi gas hidrogen dari percobaan elektroda platina + larutan HCl. Jika gas terdeteksi oleh sensor, maka akan megalirkan arus ke resistor, lalu ke npn, lalu ke relay, dan membuat LED green menyala.
