PENGUKURAN DOSIS IRADIATOR DENGAN DOSIMETER CERI – CERO CERO I.
Tujuan
1. Menentukan laju dosis suatu instalasi nuklir dengan dosimetri ceri-cero. 2. Mengetahui prinsip dosimetri Ceri-Cero. II.
Dasar Teori
Hampir sama dengan Dosimeter Fricke Fricke pada prinsipnya adalah suatu bahan atau zat yang dapat memberi tanggapan yang dapat diukur jika bahan atau zat tersebut dikenai oleh radiasi nuklir. Dosimeter Ceri-cero dapat digunakan sebagai dosimeter standar untuk mengukur radiasi pengion dosis tinggi, seperti sinar gamma dengan dosis 10-1000 kGy. Dosimeter standar adalah dosimetri yang digunakan sebagai acuan ICRU ( International International Commision On Radiation Units and Measurements), Measurements), karena mempunyai kestabilan tinggi dan ketelitian yang baik (± 1%). Apabila larutan ceri-cero ini diiradiasi dengan dosis tinggi, maka yang terjadi adalah reduksi ino Ce (IV) menjadi Ce (III). Semakin besar dosis radiasi, maka semakin banyak pula ion Ce(III) yang terbentuk. Perubahan densitas optik ceri-cero dapat diukur dengan spektrofotometer pada panjang gelombang 320 nm. Spesi reaktif yang dapat menimbulkan reaksi reduksi adalah e-aq dan H*. Dalam air e-aq dan H* akan mengubah ion Ce (IV) menjadi Ce (III) seperti reaksi berikut: H* + Ce4+ → H* + Ce3+ e-aq + Ce4+ → Ce3+ + H2O H2O2 + Ce4+ → H* + Ce3+ + H2O G-value Ce (III) jauh lebih kecil dibanding G -value Fe (III). Pengukuran laju dosis radiasi dari suatu irradiator gamma atau elektron beam menggunakan dosimetri Ceri-cero dapat ditentukan dengan rumus pada persamaan berikut :
D=
− ( + )
1,602 10− /
Keterangan : D = laju dosis yang dicari dalam rad/jam Doa
= densitas optik ion Ce (III) setealah sel Ceri-ceo diiradiasi
Dos
= densitas optik ion Ce (III) sebelum sel Ceri-cero diiradiasi
Σ
= koefisien ekstinksi molar pada suhu 25oC untuk ion Ce (III) atau
dosimeter Ceri-cero setelah diiradiasi dalam liter/mol.cm. Pada grafik densitas optik Vs konsentrasi ion Ce (III), harga Σ adalah tangen kurva kalibrasi. Ρ
= berat jenis dosimeter Ceri-cero dalam gram/mL
d
= tebal larutan yaitu diameter sel Ceri-cero
G (Ce3+) = jumlah molekul, radikal atau ion Ce4+ yang berubah menjadi ion Ce3+ untuk setiap absorpsi tenaga radiasi 100 eV. Harga G untuk ion Ce (III) adalah 2,34 untuk larutan cero yang jenuh udara. NA
= bilangan Avogadro (6,023 x 1023 molekul/mol)
1 eV
= 1,602 x 10-12 erg
1 rad
= 100 erg/gram
Dalam
dosimetri
Ceri-cero
yang
pengamatannya
menggunakan
UV-Vis
spektrofotometer, yang perlu diperhatikan adalah larutan ceri yang akan diiradiasi harus dibuat dalam suasana asam yaitu pada konsentrasi 0,4 M larutan H2SO4. Untuk meminimalkan kesalahan karena perubahan koefisien ekstingsi molar akibar proses iradiasi, konsentrasi larutan Ce (IV)-sulfat dibuat antara 0,2 – 50 mM. Pada saat larutan Ce (IV)-sulfat belum digunakan sebaiknya disimpan di tempat gelap. Panjang gelombang (λ) yang digunakan untuk pengukuran dengan UV-Vis spektrofotometer adalah sekitar 320 nm, sedangkan koefisien ekstingsi molar pada λ itu adalah 5600 M1
cm-1. Beberapa hal yang perlu diperhatikan dalam penentuan ceri atau cero setelah
iradiasi bila akan diukur dengan cara titrasi adalah hal-hal yang terkait dengan penentuan titrasi redoks. Cerium (IV) sulfat merupakan zat pengoksid yang sangat kuat, potensial reduksinya dalam asam sulfat 1-8 N pada 25oC adalah 1,43 ± 0,05 Volt. Larutan cerium dapat digunakan hanya dalam larutan asam dan paling baik dalam konsentrasi 0,5 N atau lebih tinggi. Selagi larutan dinetralkan, (cerium (IV) hidroksida, cerium (IV) oksida terhidrasi) atau garam-garam cerium basa dapat mengendap. Larutan berwarna kuning kuat dan dalam larutan panas yang tidak terlalu
encer, titik – titik dapat dideteksi tanpa suatu indicator. Akan tetapi, prosedur ini memerlukan suatu koreksi blanko. Keuntungan cerium (IV) sulfat sebagai suatu zat pengoksidasi standar adalah : 1. Larutan cerium (IV) sulfat secara mencolok stabil selama dalam jangka waktu yang lama. Larutan ini tidak perlu dilindungi dari cahaya dan bahkan dapat didihkan selama waktu yang singkat tanpa perubahan yang berarti dalam konsentrasi. 2. Cerium (IV) sulfat dapat digunakan dalam penetapan zat – zat pereduksi dengan adanya konsentrasi HCl yang tinggi . 3. Larutan – larutan cerium (IV) sulfat dalam larutan 0,1 N tidak terlalu berwarna untuk dapat mengaburkan penglihatan, ketika membaca miniskus dalam buret dan alat – alat titrimetri lainnya . 4. Dalam reaksi garam cerium (IV)sulfat dalam larutan asam dengan zat – zat pereduksi, perubahan valensi yang terjadi adalah : Ce4++e- ↔ Ce3+ 5. Dengan demikian maka dianggap bobot ekivalennya adalah 1 mol atau 1 Mr . 6. Ion cerium (IV) tidak berwarna (dibandingkan ion Mn (II) yang tidak berwarna dari KMnO4 , dan ion cerium (III) yang hijau dari kalium dikhromat). 7. Cerium (IV) sulfat adalah zat pengoksid yang serba guna dan dapat digunakan dalam banyak titrasi yang sama permanganat telah digunakan, serta juga untuk penetapan – penetapan lainnya . 8. Larutan cerium (IV) sulfat paling baik distandarisasikan dengan arsen (III) oksida atau natrium oksalat .
Larutan cerium (IV) sulfat dalam larutan asam sulfat encer adalah stabil, bahkan pada temperature – temperature didih .larutan dalam HCl dari garam ini tidak stabil , karena reduksi menjadi Ce (III) oleh asam tersebut dengna dibarengi pembebasan klor. Reaksinya adalah sebagai berikut : 2Ce4++2Cl- ↔ 2Ce3++Cl2 Reaksi ini berlangsung benar – benar cepat pada pendidihan , maka HCl tidak dapat digunakan dalam oksidasi – oksidasi yang memerlukan pendidihan dengan cerium(IV)sulfat berlebih dalam larutan asam .asam sulfat harus digunakan dalam
oksidasi demikian .adanya asam fluoride membentuk suatu kompleks stabil dengan cerium (IV) sulfat dan menghilangkan warna dari larutan yang kuning itu . Pengukuran potensial formal menunjukan bahwa potensial redoks dari system Ce(IV) – Ce(III) sangat banyak bergantung pada sifat serta konsentrasi dari asam yang ada .berikut tercatat nilai – nilai untuk larutan molar asam yaitu:
H2SO4
1,44V
HNO3
1,61V
HClO4
1,70V
HClO3 8M
1,87V
Larutan – larutan Ce(IV) sulfat dapat disiapkan dengan melarutkan Ce(IV)sulfat atau ammonium Ce(IV) sulfat yang lebih mudah larut itu , dalam asam sulfat encer ( 1 – 2 N ) . indikator dalam yang sesuai untuk digunakan dalam larutan Ce(IV) sulfat meliputi asam N-fenilantranilat, feroin, dan 5,6-dimetilferoin. Seperti dikatakan sebelum ini, larutan Ce(IV) dapat dipergunakan dalam kebanyakan titrasi, yang menggunakan permanganat. Penggunaan yang lebih penting termasuk penentuan besi, arsen, antimony, oksalat, ferosida, titanium, krom, vanadium, molibdenium, uranium, dan oksida timbal dan mangan. Elemen Cerium (no. atom 58) di dalam larutan ada 2 kondisi, oksida +4 dan oksida +3 (Ce4+ + e ↔ Ce3+) Ion Ce (IV) dipergunakan dalam larutan-larutan keasaman tinggi karena hidrolisa akan menghasilkan pengendapan pada larutanlarutan dengan konsentrasi ion hidrogen rendah. Potensial redoks dari pasangan Ce (IV) / Ce (III) tergantung pada sifat dan konsentrasi asam yang ada. Ketika ion Ce (IV) dipergunakan sebagai titran, senyawanya Ferroin biasanya digunakan sebagai indikator. Ion tersebut dapat dipergunakan dalam kebanyakan titrasi dimana permanganat dipergunakan, dan ion ini memiliki sifat-sifat yang sering kali membuatnya sangat baik untuk dijadikan sebagai titran. Keuntungan utama ion ini dibandingkan permanganat adalah sebagai berikut: a) Hanya ada satu kondisi oksidasi, Ce (III), berasal dari ion Ce (IV) yang direduksi. b) Merupakan agen pengoksidasi yang amat kuat. c) Larutan asamsulfat dan ion Ce (IV) amat stabil.
d) Reagentnya dapat dipergunakan untuk penitrasi besi dlm larutan asamklorida tanpa memerlukan larutan pemcegah Zimmermannn-Reindarelt, karena ion klorida tidak dapat langsung dioksidasi. Namun demikian, larutan-larutan Ce (IV) dalam asam klorida tidak stabil jika konsenarsi dari asam tersebut lebih besar dari 1 M. e) Garam Cerium (IV) ammonium nitrat, yang cukup murni untuk ditimbang secara langsung dalam pembuatan larutan standar tersedia. Larutan Ce (IV) biasanya dibuat dari Cerium (IV) hidrogen sulfat {Ce(HSO 4)4}, Cerium (IV) ammonium sulfat {Ce(SO4)2.2(NH4)2SO4.2H2O} atau Cerium (IV) hidroksida {Ce(OH)4}. Senyawa-senyawa tersebut dilarutkan sampai 0,5 M asam kuat untuk mencegah hidrolisa dan pembentukan dari garam-garam basa yang hanya larut
sedikit,
kemudian
distandardisasi
dengan
standar
primer.
Senyawa
Cerium(IV)amoniumnitrat dapat dijadikan sebagai standar primer. Metode yang paling terpercaya untuk menstandarisasi larutan Ce(IV) sulfat adalah dengan arsen (III) oksida murni. Reaksi antara lain larutan Ce (IV) sulfat dan arsen (III) oksida sangat lambat pada temperature biasa, perlulah ditambah runutan osmium tetraoksida sebagai katalis. Arsen(III)oksida itu dilarutkan dalam larutan NaOH , larutan diasamkan dengan asam sulfat encer dan setelah menambahkan 2 tetes larutan “asam osmat” yang disiapkan dengan melarutkan 0,1 gram osmium tetraoksida ke dalm 40 ml asam sulfat 0.1 N dan indicator (1-2 tetes feroin atau 0.5 asam N-fenilantranilat) ia dititrasi dengan larutan Ce (IV) Sulfat sampai perubahan warna tajam pertama; masing-masing dari merah jingga menjadi biru pucat sekali atau hijau kekuningan menjadi ungu. 2 Ce4+ + H3AsO3 + H2O ↔ 2Ce3+ + H3AsO4 + 2H+ Standardisasi dapat juga dilakukan dengan besi murni dan juga dengan natrium oksalat pa; dalam hal terakhir ini harus dipergunakan suaru prosedur tak langsug karena indikator redoks itu sendiri akan teroksidasi pada temperatu-temperatur tinggi yang diperlukan. Maka prosedurnya adalah dengan menambahkan suatu larutan Ce (IV) berlebih, lalu setelah didinginkan kelebihan itu ditetapkan dengan titrasi balik menggunakan suatu larutan besi (III).
III.
Alat dan Bahan
Bahan 1. Ce(SO4)2.4H2O 2. H2SO4 3. Aquades
Alat 1. Spectrometer UV-VIS 2. Botol Plastik 3. Labu Ukur 4. Kaca Arloji 5. Neraca Analitik 6. Sendik Sungu 7. Pipet Volume 8. Irradiator Gamma
IV.
Langkah Kerja
Preparasi sampel larutan Dibuat larutan dosimeter Ceri – cero 5 mM dengan cara melarutkan 6.0566 gram Ce(SO4)2.4H2O ke dalam H2SO4 0,8 N kemudian ditandabataskan hingga 250mL. Larutan sampel dibagi ke dalam 7 botol plastik (1 sampel tidak diiradiasi (sampel induk), 6 sampel diiradiasi). Kemudian ditentukan massa jenisnya.
Iradiasi sampel dan penentuan dosis radiasi Larutan sampel disiapkan ke dalam 6 wadah kaca dan diberi label. Kemudian 6 sampel diiradiasi. Analisis cuplikan hasil degradasi Analisis kuantitatif dilakukan untuk mengetahui perubahan akibat iradiasi berdasarkan perubahan intensitas atau pengurangan intensitas warna menggunakan spektrofotometer UV-Vis. Pengukuran intensitas warna dilakukan pada panjang gelombang tertentu pada kondisi terjadi penyerapan maksimum.
V.
Data Pengamatan
Pembuatan Larutan Ceri - Cero Massa CeSO4.4H2O
: 6.0566 gram
Volume H2SO4 0,8N
: 250 mL
Volume yang di radiasi
: 10 mL
Konsentrasi yang diiradiasi
: 0.05 M
Pengukuran Densitas Sebelum Iradiasi Massa piknometer kosong
: 8.4066 gram
Massa piknometer + aquadest
: 15.300 gram
Massa piknometer + ceri cero
: 15.5918 gram
Suhu aquadest
: 27℃
Densitas Aquadest
: 0.99654 gr/ml
Pengukuran Densitas Setelah Iradiasi Massa piknometer + ceri cero
: 15.6063 gram
Penentuan Absorbansi Ceri-Cero dengan Spektrofotometri panjang gelombang = 441 nm No Sebelum iradiasi Setelah iradiasi
VI.
Absorbansi 2.913 2.913
Perhitungan
Penentuan densitas sebelum iradiasi Pada suhu 27℃ maka densitas aquades 0.99654 gr/ml Didapat volume aquadest = v piknometer sebesar:
=
=
Densitas larutan ceri – cero :
=
(15.300 8.4066) 0.99654 /
= 6.9173
=
=
=
(15.5918 8.4066) 6.9713
= 1.0307 /
Penentuan densitas setelah iradiasi Pada suhu 27℃ maka densitas aquades 0.99654 gr/ml Didapat volume aquadest = v piknometer sebesar:
=
=
=
(15.300 8.4066) 0.99654 /
= 6.9173
Densitas larutan ceri – cero :
=
=
=
(15.6063 8.4066) 6.9713
= 1.0328 /
Jadi, densitas larutan ceri – cero sebelum iradiasi sebesar 1.0307 gr/ml sedangkan densitas larutan ceri – cero setelah iradiasi sebesar 1.0328 gr/ml.
Penentuan dosis radiasi
=
9.647 x 10 x ΔA ε .l .ρ .G
Dimana, ΔA
= selisih rapat optik larutan sebelum dan sesudah proses irradiasi = koefisien ekstensi molar pada suhu 25oC untuk ion Ce3+
ε l
= panjang optik (1 cm) = berat jenis larutan, g/cm3
ρ
= G value Ce3+
G
=
9.647 10 . . .
9.647 10 (2.913 2.913) = (5600). (1). (1.0328). ( 2.45) D=0
VII.
Pembahasan
Dosimeter Ceri-Cero merupakan salah satu jenis pengukur dosis serap yang dipakai sebagai dosimeter acuan karena absorbsinya yang tinggi dan mempunyai hubungan yang linier terhadap dosis serap. Dosimeter Ceri-Cero pada prinsipnya adalah suatu bahan atau zat yang dapat memberi tanggapan (respon) yang dapat diukur jika bahan atau zat tersebut dikenai radiasi pengion. Tanggapan tersebut berupa reaksi reduksi ion Ce4+ oleh radiasi pengion menjadi ion Ce3+. Reduksi ini akan menyebabkan terjadinya perubahan rapat optik pada larutan dosimeter sehingga dapat dimanfaatkan untuk pengukuran dosis radiasi. Jumlah ion cero (Ce3+) yang terbentuk sebanding dengan besar perubahan rapat optik dan dapat diukur secara teliti dengan metode spektrofotometri. Pada percobaan ini larutan induk yang mengandung ion ceri (Ce4+) dibuat dengan konsentrasi sebesar 50 mM dalam 0,8 N H2SO4 sebanyak 250 mL. Larutan ini kemudian dibagi menjadi larutan yang tidak diiradiasi dan larutan yang diiradiasi. Proses iradiasi dengan Iradiator Gamma ini menghasilkan elektron cepat yang kemudian dapat mengionisasi atau mengeksitasi sistem di sekitarnya. Akibat terjadinya ionisasi primer, sekunder, dan ionisasi lanjutan yang mungkin terjadi, maka akan menyebabkan kerusakan molekul air yang terjadi dalam waktu yang sangat singkat. Ion-ion yang terbentuk akan bereaksi dengan molekul-molekul air lain yang belum terionisasikan dan menghasilkan ion-ion baru serta dapat terbentuk spesi reaktif yang dapat menimbulkan reaksi reduksi ion. Spesi reaktif yang dapat menimbulkan reaksi reduksi diantaranya adalah e-aq dan H* . Dalam air, e-aq dan H* akan mengubah ion ceri menjadi ion cero seperti reaksi sebagai berikut H* + Ce4+ → H* + Ce3+ e-aq + Ce4+ → Ce3+ + H2O H2O2 + Ce4+ → H* + Ce3+ + H2O Dengan demikian, dosimeter Ceri-Cero dapat digunakan untuk mengukur dosis berdasarkan reaksi reduksi ion ceri menjadi ion cero. Analisis kuantitatif untuk mengetahui perubahan densitas optik, dalam hal ini absorbansi dari larutan Ceri-Cero sebelum dan setelah diiradiasi dilakukan dengan menggunakan spektrofotometer uv-vis pada panjang gelombang 441 nm. Larutan
Ce4+ memiliki warna kuning yang cukup kuat dan stabil sehingga dapat dianalisis secara langsung menggunakan spektrofotometer UV-Vis tanpa harus menambahkan zat pembentuk warna. Dari hasil analisis dapat diketahui bahwa tidak terjadi perubahan absorbansi sebelum dan setelah iradiasi. Hal ini dikarenakan tidak meratanya iradiasi pada larutan. Sehingga tidak adanya reaksi reduksi yang mengubah Ce4+ menjadi Ce3+.
VIII. Kesimpulan
1. Dosimeter Ceri- Cero merupakan salah satu jenis pengukur dosis serap yang dipakai sebagai dosimeter acuan berdasarkan perubahan absorbansi larutan sebelum dan sesudah iradiasi akibat terjadinya reduksi ion Ce4+ menjadi ion Ce3+. 2. Dosis yang didapat sebesar 0 dikarenakan tidak meratanya pada saat iradiasi pada larutan.
IX.
DaftarPustaka
Thamrin, M.Thoyib, dkk. 2004. Pengukuran Dosis Serap dengan Dosimeter Kimia. Jakarta: PKRBN-BATAN. Jundiy, Anwar, dkk. 2015. Pengukuran Dosis Iradiasi Radiator Gamma dan Mesin Berkas Elektron dengan Dosimeter Ceri Cero. Yogyakarta: PSTA -BATAN
