KIMIA - ISOTOP / STRUKTUR ATOM

PENDAHULUAN

Isotop merupakan variasi sesuatu unsur kimia. Walaupun hampir semua isotop sesuatu unsur mempunyai bilangan proton yang sama, setiap isotop mempunyai bilangan neutron yang berbeza. Perkataan isotop berasal dari perkataan Yunani isos ( ἴσος yang bermaksud persamaan) dan topos (τόπος yang bermaksud tempat). Oleh itu, perkataan isotop bermaksud "persamaan dalam tempat yang sama" yang merujuk kepada isotop sesuatu unsur yang mempunyai posisi yang sama dalam jadual berkala. Bilangan proton dalam atom sesuatu nukleus digunakan untuk mengenal pasti sesuatu unsur, namun begitu sesuatu unsur secara prinsip boleh mempunyai bilangan neutron yang berbeza. Nombor neukleon atau nombor jisim (iaitu jumlah proton dan neutron) untuk setiap isotop turut berbeza.

Walaupun bilangan proton dalam atom sesuatu unsur adalah tetap, tetapi kadangkala bilangan neutron mungkin berbeza. Unsur itu dapat wujud dalam lebih daripada satu jenis atom. Atom-atom berbeza bagi unsur yang sama itu dipanggil isotop.

Isotop-isotop sesuatu unsur ialah atom-atom sesuatu unsur yang mempunyai bilangan proton yang sama, tetapi bilangan neutron yang berbeza. Ini bermakna isotop-isotop itu mempunyai nombor atom yang sama, tetapi nombor jisim yang berlainan.

Kebanyakan unsur menunjukkan keisotopan, iaitu boleh mempunyai lebih dari satu jenis isotop.

Isotop-isotop sesuatu unsur mempunyai bilangan proton per atom yang sama. Ini bermakna bilangan elektron per atom isotop-isoop itu juga adalah sama. Jadi konfigurasi elektron bagi semua isotop suatu unsur adalah sama dan oleh itu, isotop-isotop suatu unsur akan mempunyai sifat-sifat fizik iaitu ketumpatan, takat lebur, takat didih, dan lain-lain yang berbeza.

DEFINISI ISOTOP

"Pelbagai jenis atom unsur yang sama yang mempunyai nombor atom yang sama, tetapi nombor jisim atom yang berbeza (atau berat atom) unsur dipanggil isotop."

Apabila isotop mempunyai nombor atom yang sama, kita boleh mentakrifkannya sebagai:

"Atom unsur yang sama dengan bilangan proton yang sama tetapi nombor yang berlainan neutron dalam nukleus setiap."

Ciri-ciri isotop

Isotop setiap elemen akan mempunyai bilangan yang sama elektron valens atau valens, jadi sifat kimia yang sama.

Ciri-ciri fizikal isotop 'berbeza terutamanya disebabkan oleh variasi dalam bilangan neutron, yang hadir dalam nukleus. Sifat seperti takat lebur, takat didih, ketumpatan dan lain-lain, yang bergantung kepada jisim atom perlu berbeza untuk isotop berbeza sebagai unsur isotop dengan jisim yang berbeza.

Cl - 35.5

Cu = 63.5

Jisim isotop Atom

Kita tahu bahawa atom terdiri daripada neutron, proton dan elektron. Jumlah zarah sokongan besar-besaran di isotop tertentu unsur dipanggil jisim atom.

Jisim atom isotop = jisim neutron + elektron massa + jisim proton.

Oleh kerana jisim elektron adalah mustahil, dalam lingkungan 0.0005449 Amu, jisim atom elektron bersamaan dengan nombor jisim neutron dan proton di dalamnya.

Jisim atom isotop = jisim neutron proton massa +

Juga, kita tahu bahawa jumlah isotop massa adalah nombor bulat. Sekarang, disebabkan isotop jisim atom unsur umumnya pecahan, jumlah jisim isotop perlu integer yang diperolehi oleh pembundaran nilai jisim atom isotop kepada nombor bulat yang terdekat.

Sebagai contoh, dua isotop klorin mempunyai jisim atom sama dengan 34,980 dan 36,977, masing-masing nombor jisim digenapkan kepada 35 dan 37.

SUSUNAN ELEKTRON DALAM ISOTOP

Atom terdiri daripada nukleus yang mengandungi proton dan neutron dengan electron yang mengelilingi nukleus itu. Elektron mengisi petala yang berada pada aras tenaga yang berlainan. Petala pertama hanya boleh menampung dua elektron. Petala kedua boleh menampung maksimum lapan elektron. Petala ketiga boleh menampung lapan atau lapan belas elektron. Elektron perlu mengisi petala pertama sebelum bergerak kepada petala seterusnya.

Sebagai contoh, jika satu atom neutral yang mempunyai nombor proton lapan, petala pertama akan menampung dua elektron dan enam elektron lagi akan ditampung pada petala yang kedua. Maka susunan elektron adalah 2.6 .

JENIS-JENIS ISOTOP

Kebanyakan unsur menunjukkan keisotopan, iaitu boleh mempunyai lebih dari satu jenis isotop.

Contoh:

• Hidrogen-1 dengan nama isotopnya ialah Protium

Ø  ¹H ialah isotop hidrogen yang paling biasa dengan ketumpatan sebanyak lebih daripda 99.98%. Kerana nukleus isotop ini hanya terdiri daripada satu proton, ia diberikan nama yang menjelaskan tetapi kurang digunakan; protium. Atom hidrogen ialah atom unsur kimia hidrogen. Atom dengan cas elektrik neutral ini mempunyai satu proton bercas positif dan satu elektron bercas negatif yang diikat pada nukleus oleh daya Coulomb. Hidrogen atom membentuk kira-kira 75% jisim unsur alam semesta. (Kebanyakan jisim alam semesta bukannya dalam bentuk unsur kimia, iaitu jirim "barion", tetapi dalam bentuk jirim gelap dan tenaga gelap.)

Ø  Dalam kehidupan seharian di Bumi, atom hidrogen yang terasing (biasanya dinamakan "hidrogen atom", atau lebih tepat lagi "hidrogen monoatom") adalah sangat jarang. Sebaliknya, hidrogen cenderung untuk bergabung dengan atom-atom lain dalam bentuk sebatian, atau dengan dirinya sendiri untuk menghasilkan gas hidrogen dwiatom yang biasa, H₂. Istilah "hidrogen atom" dan "atom hidrogen" memberi makna yang berbeza. Misalnya, satu molekul air mengandungi dua atom hidrogen, tetapi tidak mengandungi hidrogen atom (yang merujuk kepada atom hidrogen yang terasing).

• Hidrogen-2 dengan nama isotopnya ialah Deuterium

Ø  ²H, satu lagi isotop stabil hidrogen, dikenali dengan nama deuterium dan terdiri daripada satu proton dan satu neutron di dalam nukleusnya. Deuterium merangkumi 0.0026 - 0.0184% (berdasarkan populasi, bukan jisim) daripada sampel hidrogen yang terdapat di bumi. Sebahagian kecil nilai ini dijumpai dalam sampel-sampel gas hidrogen, dan sebahagian besar lagi terdapat dalam air laut (0.015% atau 150 ppm). Deuterium tidak radioaktif, dan tidak mendatangkan bahaya toksik yang tinggi. Air yang terdiri daripada deuterium berbanding hidrogen biasa digelar air berat. Deuterium dan sebatiannya digunakan sebagai label tidak radioaktif dalam ujikaji kimia dan sebagai pelarut dalam spektroskopi NMR ¹H. Air berat digunakan sebagai penyederhana neutron dan penyejuk dalam reaktor nuklear. Deuterium juga berpotensi menjadi bahan api untuk pelakuran nuklear dagangan.

• Hidrogen-3 dengan nama isotopnya ialah Tritium

Ø  ³H dikenali sebagai tritium dan mengandungi 1 proton dan 2 neutron di dalam nukleusnya. Tritium adalah radioaktif; ia mereput melalui pereputan β⁻ untuk membentuk helium-3, dan mempunyai separuh hayat selama 12.32 tahun. Tritium dihasilkan secara semulajadi dalam jumlah yang sedikit melalui interaksi sinar kosmik dengan gas-gas di atmosfera. Tritium juga dilepaskan sewaktu ujian senjata nuklear. Ia digunakan dalam senjata pelakuran termonuklear, sebagai pengesan dalam geokimia isotop, dan dalam perkakas pencahayaan berkuasa sendiri.

Ø  Cara paling biasa untuk menghasilkan tritium ialah dengan melagakan litium-6, isotop biasa litium, dengan neutron di dalam reaktor nuklear.

Ø  Tritium pernah digunakan sebagai radiolabel dalam ujikaji pelabelan kimia dan biologi, namun kegunaannya untuk tujuan itu semakin berkurangan pada hari ini.Pelakuran nuklear D-T menggunakan tritium sebagai zat tindak balas utama bersama dengan deuterium. Proses ini membebaskan tenaga melalui kehilangan jisim apabila kedua-dua zarah itu bertembung dan melakur dalam suhu yang tinggi.

KEGUNAAN ISOTOP DALAM BERBAGAI BIDANG YANG BERLAINAN

KEGUNAAN ISOTOP

              Isotop suatu unsur ialah atom-atom yang mempunyai bilangan proton yang sama tetapi bilangan neutron yang berlainan. Isotop-isotop mempunyai nombor proton Z yang sama tetapi nombor nukleon a yang berlainan. Radioisotop ialah isotop yang nukleusnya  tidak stabil. Radioisotop wujud secara semula jadi atau dihasilkan apabila nukleus stabil dihentam dengan zarah alfa, proton atau neutron. Radioisotop akan mereput dengan memancar sinaran radioaktif iaitu zarah alfa, zarah beta atau sinar gama. Ciri-ciri reputan dan sinaran radioaktif yang membolehkan  radioisotop mempunyai kegunaan yang luas ialah:

(a) Bahan radioaktif mereput dengan keaktifan yang semakin berkurangan  berkurangan

(b) Bahan radioaktif mengeluarkan sinaran radioaktif.  

(c) Sinaran radioaktif menembusi bahan.

(d) Sinaran radioaktif menyebabkan pengionan molekul bahan.

(e) Sinaran radioaktif menyebabkan mutasi sel.

(f) Sinaran radioaktif membunuh sel

Ciri-ciri yang berlainan bagi radioisotop yang berbeza menentukan kegunaan radioisotop untuk tujuan yang berlainan dalam bidang perubatan, pertanian, dan perindustrian.

KEGUNAAN ISOTOP DALAM BERBAGAI BIDANG YANG BERLAINAN

Perubatan

            Sinar gama dari kobalt-60 digunakan untuk membunuh sel-sel barah dalam rawatan radioterapi. Sinar gama ini juga digunakan untuk membunuh kuman dalam proses pensterilan alat perubatan seperti termometer, jarum dan picagari suntikan, alat pembedahan dan sebagainya. Radioisotop natrium-24 disuntik ke dalam salur darah pesakit untuk mengesan kedudukan di mana salur darah disumbat oleh pembekuan darah. Radioisotop fosforus-32 disuntik ke dalam darah pesakit untuk menentukan kedudukan tumor otak. 

Radioisotop iodin-131 digunakan untuk menentukan aktiviti kelenjar tiroid. radioisotop ferum-59 digunakan sebagai unsur penyurih peredaran besi dalam darah. teknetium-99m (m bermaksud metastabil) merupakan satu penyurih yang sesuai digunakan di dalam badan manusia sebab :-

a)      Memancarkan sinar gama sahaja. Sinar gama boleh dikesan dari luar badan dan tidak menyebabkan banyak pengionan semasa melalui tisu badan, dan

b)      Mempunyai setengah hayat yang pendek (6 jam). Selepas 1 hari, keaktifannya tinggal  1/16 daripada nilai asalnya sahaja.

Pertanian

            Kadar dan kuantiti penyerapan baja oleh tumbuhan ditentukan dengan mencampurkan fosfat yang radioaktif ke dalam baja. Selepas suatu masa, tumbuhan itu diuji dengan pembilang Geiger-Muller. Sinaran radioaktif daripada radioisotop digunakan untuk membunuh sertangga perosak. Serangga perosak juga boleh dibiakkkan di makmal. kumudian didedahkan kepada sinar gama. Mutasi berlaku di mana serangga itu boleh menjadi mandul dan tidak dapat membiak.

  

Perindustrian

             Dalam pembuatan kertas,kepingan plastik, dan kepingan logam, pengawalan ketebalan secara automatik boleh dicapai dengan ,meletakkan sumber zarah beta di sebelah kepingan dan pengesan di sebelah yang lain. Jika kepingan itu terlalu nipis, pembilangan yang dicatat oleh pengesan bertambah dan isyarat akan dihantar ke penggelek supaya tekanan pada kepingan dikurangkan.

Tin dan bungkusan disemak dengan memancar zarah beta menerusinya. Jika pembilangan bertambah, tin itu tidak diisi dengan penuh dan akan disingkirkan. 

Radioisotop digunakan untuk mengesan kebocoran paip air bawah tanah. Sedikit garam(NaCl) yang mengandungi radioisotop natrium-24 (setengah hayat yang pendek) dilarutkan ke dalam air di tangki simpanan. 

Satu pengesan tiub Geiger-Muller digerakkan di permukaan tanah mengikut laluan paip itu sehingga pembilangan yang besar dikesan. natrium-24 digunakan sebagai penyurihj kerana:-

·         mempunyai setengah hayat yang pendek supaya keaktifannya dalam air akan turun ke nilai yang tidak merbahaya dalam tempoh yang singkat.

·         memancarkan zarah beta yang dapat menembusi tanah untuk dikesan . (Zarah alfa tidak dapat menembusi tanah manakala sinar gama pula akan menembusi paip yang tidak bocor).

               Semasa pembuatan kain sintetik, kain dicaskan dan akan menarik habuk serta kotoran dari udara. Sumber zarah alfa yang kuat digunakan untuk menyahcas kain sintetik. Sinar gama yang mempunyai kuasa penembusian yang tinggi digunakan untuk mengesan rekahan dalam yang mungkin terdapat di dalam plat keluli.      

 KEBAIKAN ISOTOP DAN KEBURUKAN

KEBAIKAN ISOTOP

1.     pengesan asap

·         Kebanyakan pengesan asap biasa (Gamb. 13-2 ) mengandungi sejumlah kecil 241Am , isotop radioaktif. 241Am dihasilkan dan pulih daripada reaktor nuklear. zarah alfa yang dipancarkan oleh pereputan daripada 241Am mengion udara ( memecahkan molekul udara ke dalam elektron dan ion positif) dan menjana semasa kecil elektrik yang diukur oleh litar semasa yang sensitif.

2.     aplikasi pertanian

·         isotop stabil adalah tracers amat berkesan untuk mengkaji kitaran nitrogen yang pokok. Dalam penyelidikan pertanian , garam 15N adalah digunakan untuk menentukan transformasi nitrogen , metabolisme loji dan kecekapan pengambilan fertilzer . Isotec menyediakan komuniti penyelidikan pertanian dengan pelbagai sebatian 15N dilabelkan dalam pelbagai enrichments isotop.

3.     radioactive tracers

·         pelbagai prosedur diagnostik menggunakan sejumlah kecil isotop radioaktif , biasanya disuntik ke dalam pesakit aliran darah untuk tujuan pengimejan beberapa bahagian badan. Radiasi yang berguna daripada isotop seperti biasanya sinar gamma , yang boleh dikesan di luar badan.

4.     archaeological dating

·         dengan membandingkan aktiviti sampel mati dengan aktiviti massa sama sampel hidup.

·         karbon -14 adalah radioisotop dengan separuh hayat 5730 tahun dan pereputan yang  dengan mengeluarkan zarah beta.

·         haiwan tamu dan tumbuh-tumbuhan mempunyai bahagian yang dikenali karbon - 14 dalam  tisu mereka yang masih berterusan.

5.     kegunaan perubatan

·         Ujian dan merawat kelenjar tiroid terlalu aktif atau beberapa jenis kanser tiroid.

-          Suntikan intravena iodin- 123 ( separuh hayat 13 jam) atau Iodin -131 (Separuh hayat 8 hari)

·         Mengesan kedudukan darah beku / trombosis

-          Suntik natrium -24 ke dalam aliran darah

·         Mengesan dan merawat tumor otak

-          Menggunakan fosforus – 32

·         Cobalt -60 ( mengeluarkan gamma ray ) digunakan untuk

-          Musnahkan sel kanser dalam radioterapi

KEBURUKAN ISOTOP

1.     negatif ke atas kesihatan

·         demerit utama menggunakan radioisotop dalam perubatan nuklear adalah bahawa ia mempunyai kesan negatif ke atas kesihatan. Tisu yang rosak, yang membawa kepada kulit terbakar, mual, penyakit seperti leukemia dan kanser paru-paru, ini akhirnya membawa kepada kematian.

2.     mahal

·         radioisotop adalah lebih mahal dan tidak semua hospital boleh membayar harga untuk memakan mereka. Mereka juga tidak dapat tidak sukar untuk menyimpan kerana mereka terus meninggalkan radiasi

3.     kesan terhadap organisma

·         jika radioisotop terdedah kepada benda hidup dalam kuantiti yang besar, ia akan mempunyai kesan ke atas ini organisma imuniti dan ketahanan, bergantung kepada jenis radioisotop dikeluarkan pada kepada organisma.

4.     mutasi

·         salah satu masalah yang radioisotop menyebabkan mutasi genetik

5.     hapus keaslian

·         satu enzim yang boleh menghapuskan keaslian dan gangguan sintesis protein boleh berlaku jika radioisotop digunakan dalam jumlah yang berlebihan, sekali gus membawa kepada rosak enzim atau protein