Isotop: Struktur Atom - Kimia (Kelas 10)

Unsur yang Sama, Massa yang Berbeda

Hidrogen di Matahari, karbon di tubuh kita, dan oksigen di air tidak selalu hadir sebagai satu "versi" massa saja. Satu unsur bisa memiliki beberapa atom yang jumlah protonnya sama, tetapi jumlah neutronnya berbeda. Atom-atom seperti itu disebut isotop.

Bagian Atomic Structure and Symbolism dari OpenStax menjelaskan bahwa isotop adalah atom dari unsur yang sama dengan nomor atom sama, tetapi nomor massa berbeda. Bagian sumber itu bisa dibuka di openstax.org.

IUPAC Gold Book juga menekankan ide yang sama: isotop memiliki nomor atom sama, tetapi nomor massa berbeda. Rujukan istilahnya bisa dibuka di goldbook.iupac.org.

Cara membacanya:

\text{isotop} \Rightarrow Z\ \text{sama},\ n^0\ \text{berbeda},\ A\ \text{berbeda}

Simbol $Z$ adalah nomor atom, yaitu jumlah proton. Simbol $A$ adalah nomor massa, yaitu jumlah proton dan neutron. Kalau $Z$ sama, unsurnya sama. Kalau $n^0$ berbeda, nomor massanya ikut berbeda.

Jadi, isotop adalah versi massa dari unsur yang sama, bukan unsur baru. Kuncinya tetap jumlah proton. Neutron hanya mengubah nomor massa.

Mini Lab Isotop

Pilih isotop di bawah ini. Perhatikan bagian yang tidak berubah dulu: jumlah proton. Setelah itu, bandingkan jumlah neutronnya.

Pembaca Isotop

Bandingkan isotop hidrogen dan karbon. Unsurnya tetap sama ketika nomor atom tetap sama, tetapi nomor massa berubah ketika neutron berubah.

{}^{1}_{1}\mathrm{H}

{}^{1}_{1}\mathrm{H}

Nomor atom: $Z = 1$
Nomor massa: $A = 1$
Neutron: $n^0 = 1 - 1 = 0$
Kelimpahan alami: Sekitar $99{,}9885\%$

Proton: $1$
Elektron netral: $1$
Neutron: Tidak memiliki neutron.

Hidrogen Punya Tiga Contoh Penting

Semua isotop hidrogen memiliki $1$ proton. Karena jumlah protonnya $1$ , semuanya tetap unsur hidrogen. Perbedaannya ada pada jumlah neutron.

Isotop hidrogen	Lambang	Proton	Elektron netral	Neutron
Hidrogen ringan	${}^{1}_{1}\mathrm{H}$	$1$	$1$	$0$
Deuterium	${}^{2}_{1}\mathrm{H}$	$1$	$1$	$1$
Tritium	${}^{3}_{1}\mathrm{H}$	$1$	$1$	$2$

Deuterium kadang ditulis $\mathrm{D}$ , dan tritium kadang ditulis $\mathrm{T}$ . Kedua simbol singkat itu tidak berarti unsur baru. Deuterium dan tritium tetap hidrogen karena jumlah protonnya tetap $1$ .

Karbon Menunjukkan Peran Neutron

Karbon selalu memiliki $6$ proton. Pada ${}^{12}_{6}\mathrm{C}$ , ${}^{13}_{6}\mathrm{C}$ , dan ${}^{14}_{6}\mathrm{C}$ , jumlah neutronnya bertambah.

\begin{aligned} {}^{12}_{6}\mathrm{C} &: n^0 = 12 - 6 = 6 \\ {}^{13}_{6}\mathrm{C} &: n^0 = 13 - 6 = 7 \\ {}^{14}_{6}\mathrm{C} &: n^0 = 14 - 6 = 8 \end{aligned}

${}^{12}_{6}\mathrm{C}$ dan ${}^{13}_{6}\mathrm{C}$ stabil. ${}^{14}_{6}\mathrm{C}$ radioaktif, sehingga jumlahnya sangat kecil di alam. Karena ${}^{14}_{6}\mathrm{C}$ meluruh seiring waktu, ilmuwan dapat memakainya untuk memperkirakan usia benda yang pernah berasal dari makhluk hidup, misalnya kayu tua atau tulang.

Jangan Campur dengan Ion

Ion dan isotop sama-sama mengubah angka pada atom, tetapi bagian yang berubah berbeda.

Konsep	Yang berubah	Yang tetap mengunci unsur
Ion	Elektron	Proton
Isotop	Neutron	Proton

Contohnya, $\mathrm{C}^{2-}$ adalah ion karbon karena elektronnya berubah. Sebaliknya, ${}^{14}_{6}\mathrm{C}$ adalah isotop karbon karena neutronnya berbeda dari ${}^{12}_{6}\mathrm{C}$ .

Jika atomnya netral, elektron tetap sama dengan proton:

\text{atom netral} \Rightarrow e^- = p^+

Jadi, ${}^{14}_{6}\mathrm{C}$ netral memiliki $6$ proton, $6$ elektron, dan $8$ neutron.

Kegunaan Isotop

Isotop tidak hanya berbeda di tabel. Perbedaan neutron dapat membuat beberapa isotop berguna untuk penelitian, energi, atau penentuan umur bahan.

Deuterium dan tritium, dua isotop hidrogen, banyak dibahas dalam riset fusi nuklir. Department of Energy menjelaskan bahan bakar deuterium-tritium sebagai salah satu pasangan isotop penting dalam pengembangan energi fusi. Rujukannya bisa dibuka di energy.gov.

${}^{14}_{6}\mathrm{C}$ dipakai dalam penanggalan radiokarbon untuk memperkirakan umur bahan organik, yaitu bahan yang pernah berasal dari makhluk hidup. University of Chicago menjelaskan bahwa penanggalan ${}^{14}_{6}\mathrm{C}$ dapat menentukan usia material organik hingga sekitar $60\,000$ tahun. Rujukannya bisa dibuka di news.uchicago.edu.

Catatan pentingnya: kegunaan isotop harus dibaca bersama sifat kestabilannya, yaitu apakah inti atom mudah meluruh atau tidak. Isotop radioaktif seperti tritium dan ${}^{14}_{6}\mathrm{C}$ bukan bahan percobaan bebas, sehingga pemakaiannya memerlukan aturan keselamatan.

Dari Isotop ke Massa Atom Rata-Rata

Pada tabel periodik, massa atom relatif sering berupa angka desimal. Angka itu bukan nomor massa satu isotop, melainkan rata-rata tertimbang dari isotop-isotop yang ada di alam.

NIST menjelaskan bahwa massa atom relatif unsur dihitung dari massa isotop dan komposisi isotopnya. Penjelasan kolom datanya bisa dibuka di nist.gov.

Karbon menjadi contoh yang mudah:

Isotop karbon	Nomor massa	Kelimpahan alami
${}^{12}_{6}\mathrm{C}$	$12$	Sekitar $98{,}93\%$
${}^{13}_{6}\mathrm{C}$	$13$	Sekitar $1{,}07\%$
${}^{14}_{6}\mathrm{C}$	$14$	Sangat kecil

Karena ${}^{12}_{6}\mathrm{C}$ paling melimpah, massa atom relatif karbon di tabel periodik berada dekat $12$ , tetapi tidak tepat sama dengan $12$ .

Membedakan Isotop dari Nomor Atom dan Nomor Massa

Gunakan tiga pertanyaan ini setiap membaca isotop:

Berapa jumlah protonnya?
Berapa nomor massanya?
Berapa neutronnya dari $A - Z$ ?

Untuk ${}^{92}_{40}\mathrm{Zr}$ :

\begin{aligned} n^0 &= A - Z \\ &= 92 - 40 \\ &= 52 \end{aligned}

Jadi, ${}^{92}_{40}\mathrm{Zr}$ memiliki $52$ neutron. Cara ini lebih aman daripada menghafal tabel, karena kalian bisa menghitung isotop apa pun selama nomor atom dan nomor massanya diketahui.