Hidrogen

Pengenalan unsur Hidrogen

Nama kimia untuk unsur dengan lambang H ini adalah Hydrogen. Nama hydrogen diberikan oleh Lavoiser pada tahun 1783 dan berasal dari bahasa Yunani yaitu “Hydro” yang airtinya air dan “Genes” yang artinya membentuk atau mengasilkan. Jadi hydrogen berarti unsur pembentuk air atau yang menghasilkan air.
Hidrogen adalah unsur teringan yang terdapat dalam tabel periodik dan merupakan unsur yang paling banyak terdapat di jagat raya dengan prosentase kadar hydrogen di jagat raya adalah 75% berat atau 93% mol. Hidrogen terdapat di bumi  sampai diruang angkasa sebagai penyusun bintang. Hidrogen dalam bentuk unsurnya berupa gas diatomic (H2), gas H2 merupakan gas yang paling ringan, tidak berwarna, dan tidak berbau, dan gas ini bersifat mudah terbakar dengan adanya oksigen. Gas hydrogen dialam terdapat dalam dua bentuk molekular yaitu orthohidrogen dan parahidrogen, kedua bentuk molekular ini berbeda dalam hal spin relative electron dan inti atomnya. Pada ortohidrogen spin dua protonnya adalah parallel sehingga membentuk keadaan olekular yang disebut sebagai “triplet dengan bilangan kuantum spin 1 (1/2+1/2), pada parahidrogen maka spin protonya antiparalel sehingga membentuk keadaan “singlet” dan bilangan kuantum spinnya 0 (1/2-1/2). Pada keadaan STP (Standard Temperature Pressure) gas hydrogen tersusun dari 25% bentuk para dan 75% bentuk ortho. Bentu orto tidak dapat dimurnikan, disebabkan perbedaan kedua bentuk hydrogen tersebut maka sifat fisika keduanya juga berbeda.
Hidrogen memiliki nomor atom1 dan nomor massa 1,008. Dengan nomor atom ini maka Hidrogen memiliki konfigurasi electron 1s1 dan jumlah electron dalam kulit atomnya 1. Hidrogen diletakkan dibagian atas bersama dengan golongan 1A, tapi perlu diingat bahwa hydrogen bukan merupakan anggota golongan 1A dan hydrogen bukan anggota golongan manapun di dalam tabel periodic. Hidrogen diletakkan dalam periode 1 bersama dengan helium, dan blok tempat hydrogen berada pada sistem periodic adalah pada blok s.
Hidrogen dialam memiliki 3 isotop yaitu ¹H, ²H, dan ³H. ¹H adalah isotop hydrogen dengan kelimpahan yang melimpah dimana kelimpahannya adalah 99,98%. Disebabkan isotop ini memiliki 1 proton dan 1 elektron maka nama lainnya adalah protium. Isotop stabil yang lain adalah ²H dikenal dengan nama Deuterium dan intinya terdiri dari 1 proton dan 1 neutron. Deuterium bukanlah radioaktif dan tidak berbahaya. Isotop ini dipakai sebagai penanda dalam sintesis senyawa organic. Deuterium dalam bentuk ²H2O sering juga dipakai sebagai pendingin dalam reactor nuklir dan juga dipakai untuk reaksi fusi. Isotop ³H disebut sebagai Tritium mengandung 2 netron dan 1 proton dalam intinya dan bersifat radioaktif dan meluruh menjadi Helium-3 dengan memancarkan sinar beta. Banyak dipakai sebagai pelacak dalam bidang geokimia dan juga sebagai penanda dalam eksperimen kimia maupun biologi.

Sumber Hidrogen di Alam
Jarang sekali menemukan hydrogen dalam bentuk unsurnya (H2) di alam bebas (bumi). Pada kondisi biasa hydrogen terdapat dalam gas diatomik H2 dimana gas ini bisa keluar dari atmosfer bumi disebabkan berat molekulnya yang ringan. Hidrogen adalah unsur ketiga yang paling banyak terdapat di bumi yaitu kadar hydrogen dibumi adalah 1400 ppm (0,14% berat) atau 2,9% mol. Hidrogen terdapat dalam keadaan bebasnya banyak ditemukan pada gas yang dikeluarkan oleh gunung berapi dan dibeberapa tempat penyulingan gas alam. Disebabkan hydrogen adalah unsur yang reaktif maka umumnya hydrogen dibumi ditemukan dalam bentuk senyawaanya misalnya dalam bentuk hidrokarbon seperti metana dan air. Beberapa jenis bakteri dan alga menghasilkan gas hydrogen dalam sitem metabolimesnya.
Dalam sistem tata surya kita hydrogen terdapat dalam jumlah yang sangat melimpah yaitu berkisar 75% berat dan 93% mol. Di jagat raya hydrogen ditemukan sebagai penyusun bintang dan planet-planet yang sangat besar. Dijagat raya hydrogen terdapat dalam bentuk atomiknya dan dalam bentuk plasma dimana sifatnya berbeda dengan molekul hydrogen biasa. Dalam bentuk plasma electron dan proton hydrogen tidak terikat secara bersama sehingga hal ini menghasilkan konduktifitas listrik dan tingkat emisifitas (menghasilkan cahaya) yang tinggi. Sedangkan dalam bentuk atom netralnya hydrogen di jagat raya terdapat di medium interstellar yaitu materi yang menyusun bintang yang umumnya terdiri dari gas dan debu luar angkasa.
Dalam atmosfer bumi kandungan hydrogen diperkirakan antara 15000-20000 (dalam jumlah molekul), dan nilai ini naik dengan naiknya ketinggian atmosfer. Dan air merupakan sumber hydrogen yang murah selain dari senyawa hidrokarbon.

Memproduksi Hidrogen
Skala Laboratorium
Dalam skala laboratorium hydrogen biasanya dibuat dari hasil samping reaksi tertentu misalnya mereaksikan logam dengan asam seperti mereaksikan antara besi dengan asam sulfat.

Fe(s)  + H2SO4(aq)         ->             FeSO4(aq)  + H2(g)

Sejumlah kecil hydrogen dapat juga diperoleh dengan mereaksikan kalsium hidrida dengan air. Reaksi ini sangat efisien dimana 50% gas hydrogen yang dihasilkan diperoleh dari air.

CaH2(s)  + 2 H2O(l)          ->       Ca(OH)2(aq)  + 2 H2(g)

Elektrolisis air juga sering dipakai untuk menghasilkan hydrogen dalam skala laboratorium, arus dengan voltase rendah dialirkan dalam air kemudian gas oksigen akan terbentuk di anoda dan gas hydrogen akan terbentuk di katoda.

2 H2O(l)         ->          2 H2(g)    +  O2(g)

Skala industri
Dalam skala industri hydrogen dapat dibuat dari hidrokarbon, dari produksi secara biologi melalui bantuan alga dan bakteri, melalui elektrolisis, ataupun termolisis. Produksi hydrogen dari hidrokarbon masih menjadi primadona disebabkan dengan metode ini bisa dihasilkan hydrogen dalam jumlah yang melimpah sehingga metode yang lain perlu dikembangkan lagi akar meningkatkan nilai ekonomi hydrogen.
Pembuatan Hidrogen dari Hidrokarbon
Hidrogen dapat dibuat dari gas alam dengan tingkat efisiensi sekitar 80% tergantung dari jenis hidrokarbon yang dipakai. Pembuatan hydrogen dari hidrokarbon menghasilkan gas CO2, sehingga CO2 ini dalam prosesnya dapat dipisahkan. Produksi komersial hydrogen menggunakan proses “steam reforming” menggunakan methanol atau gas alam dan menghasilkan apa yang disebut sebagai syngas yaitu campuran gas H2 dan CO.

CH4  +  H2O       ->       3H2 + CO  + 191,7 kJ/mol

Panas yang dibutuhkan oleh reaksi diperoleh dari pembakaran beberapa bagian methane. Penambahan hasil hydrogen dapat diperoleh dengan menambahkan uap air kedalam gas hasil reaksi yang dialirkan dalam reactor bersuhu 130 C.

CO  + H2O       ->           CO2  + H2  – 40,4 kJ/mol

Reaksi yang terjadi adalah pengabilan oksigen dari molekul air ke CO untuk menjadi CO2. Reaksi ini menghasilkan panas yang dapat dipakai untuk menjaga suhu reactor.
Pembuatan Hidrogen dari air Melalui elektrolisis
Hidrogen dapat dibuat dari proses elektrolisis air dengan menggunakan suplai energi yang dapat diperbaharuhi misalnya angina, hydropower, atau turbin. Dengan cara elektrolisis maka produksi yang dijalankan tidak akan menghasilkan polusi. Proses elektrolisis menjadi salah satu proses yang memiliki nilai ekonomi yang urah dibandingkan dengan menggunakan bahan baku hidrokarbon. Salah satu teknik elektrolisis yang mendapatkan perhatian cukup tinggi adalah “elektrolisis dengan menggunakan tekanan tinggi” dalam teknik ini elektrolisis dijalankan untuk menghasilkan gas hydrogen dan oksigen dengan tekanan sekitar 120-200 Bar. Teknik lain adalah dengan dengan menggunakan “elektrolisis temperature tinggi” dengan teknik ini konsumsi energi untuk proses elektrolisis sangat rendah sehingga bisa meningkatkan efisiensi hingga 50%. Proses elektrolisis dengan menggunakan metode ini biasanya digabungkan dengan instalasi reactor nulklir disebabkan karena bila menggunakan sumber panas yang lain maka tidak akan bisa menutup biaya peralatan yang tergolong cukup mahal.
Pembuatan hydrogen melalui proses biologi
Beberapa macam alga dapat menghasilkan gas hydrogen sebagai akibat proses metabolismenya. Produksi secara biologi ini dapat dilakukan dalam bioreactor yang mensuplay kebutuhan alga seperti hidrokarbon dan dari hasil reaksi menghasilkan H2 dan CO2 Dengan menggunakan metode tertentu CO2 dapat dipisahkan sehingga kita hanya mendapatkan gas H2nya saja.
Dekomposisi air dengan gelombang radio
Dengan menggunakan gelombang radio maka kita dapat menghasilkan hydrogen dari air laut dengan dasar proses dekomposisi. Jika air ini diekspos dengan sinar terpolarisasi dengan frekuensi 13,56 MHz pada suhu kamar maka air laut dengan konsentrasi NaCl antara 1-30% dapat terdekomposisi menjdi hydrogen dan oksigen.
Termokimia
Terdapat lebih dari 352 proses termokimia yang dapat dipakai untuk proses splitting atau termolisis dengan cara ini kita tidak membutuhkan arus listrik akan tetapi hanya sumber panas. Beberapa proses termokimia ini adalah CeO2/Ce2O3, Fe3O4/FeO, S-I, Ce-Cl, Fe,Cl dan lainnya. Reaski yang terjdi pada proses ini adalah:

2H2O -> 2H2 + O2

Dan semua bahan yang dipergunakan dapat didaur ulang kembali menuju proses yang baru
Sifat Fisika Dan Kimia Hidrogen
Sifat Fisika

• Titik lebur                     : -259,14⁰C
• Titik didih                     : -252,87 ⁰C
• Warna                          : tidak berwarna
• Bau                              : tidak berbau
• Densitas                       : 0,08988 g/cm3 pada 293 K
• Kapasitas panas           : 14,304 J/gK

Sifat Kimia

• Panas Fusi                    : 0,117 kJ/mol H2
• Energi ionisasi 1            : 1312 kJmol
• Afinitas electron            : 72,7711 kJ/mol
• Panas atomisasi            : 218 kJ/mol
• Panas penguapan          : 0,904 kJ/mol H2
• Jumlah kulit                   : 1
• Biloks minimum            : -1
• Elektronegatifitas          : 2,18 (skala Pauli)
• Konfig electron : 1s1
• Biloks maksimum          : 1
• Volume polarisasi         : 0,7 ų
• Struktur                        : hcp (hexagonal close packed) (padatan H2)
• Jari-jari atom                : 25 pm
• Konduktifitas termal      : 0,1805 W/mK
• Berat atom                   : 1,0079
• Potensial ionisasi           : 13,5984 eV

Gas hydrogen adalah gas yang mudah terbakar. Gas hydrogen bersifat eksplosif jika membentuk campuran dengan udara dengan perbandingan volume 4%-75% dan dengan klorin dengan perbandingan volume 5%-95%. Disebabkan gas hydrogen sangat ringan maka api yang disebabkan pembakaran gas hydrogen cenderung bergerak ke atas dengan cepat sehingga mengakibatan kerusakan yang sangat sedikit jika dibandingkan dengan api yang berasal dari pembakaran hidrokarbon. Reaksi spontanitas ini biasanya di picu oleh adanya kilatan api, panas, atau cahaya matahari. Entalpi pembakaran gas hydrogen adalah -256 kJ/mol dengan reaksi:

2 H2(g)  + O(g)        ->            2H2O(l) + 572 kJ

Hidrogen sangat reaktif dan bereaksi dengan setiap unsur yang bersifat oksidator dan bersifat lebih elektronegatif dibandingkan hydrogen seperti golongan halide. Hidrogen dapat bereaksi secara spontan dengan klorin dan florin pada temperature kamar membentuk hydrogen halide. Hidrogen juga dapat membentuk senyawa dengan unsur yang kurang bersifat elektronegatif misalnya logam dengan membentuk hidrida.
Kelarutan hydrogen dalam pelarut organic sangat kecil jika dibandingkan dengan kelarutannya dalam air.
Hidrogen dapat terserap dalam metal seperti baja. Penyerapan hydrogen oleh baja ini menyebabkan baja bersifat mudah patah sehingga menyebabkan kerusakan dalam pembuatan peralatan. Dengan sifat ini maka ilmuwan dapat menyimpan ga hydrogen dalam logam platinum.
Pada suhu normal hydrogen terdapat dalam bentuk diatomiknya akan tetapi pada suhu yang sangat tinggi hydrogen terdisosiasi menjadi atom-ataomnya. Atom hydrogen sangat reaktif dan dapat bereaksi dengan oksida logam seperti perak, tembaga, timbale, bismuth, dan raksa untuk menghasilkan logam bebasnya.
Atom hydrogen juga dapat bereaksi dengan senyawa organic untuk membentuk kompleks seperti dengan C2H4 membentuk C2H6 dan C4H10.
Pada tekanan yang sangat tinggi hydrogen bisa memiliki sifat seperti logam
Kegunaan Hidrogen
Dalam kimia organik. Hidrogen sering dipakai untuk reaksi hidrogenasi senyawa alkena atau alkuna untuk sintesis senyawa organic. Senyawa hidrida misalnya MgH2, NaH, LiH dll sering dipakai untuk reagen pereduksi senyawa organic dan hal ini sering dipakai dalam proses sistesis senyawa organic misalnya untuk reduksi senyawa aldehid atau keton.
Dibidang Industri. Hidrogen banyak digunakan dalam industri kimia maupun industri petrokimia. Penggunaan terbesar hydrogen adalah untuk proses peng-upgrading-an bahan bakar fosil dan untuk pembuatan gas NH3 sebagai bahan dasar untuk industri pupuk. Dalam industri makanan hydrogen banyak dipakai untuk meningkatkan kejenuhan minyak menjadi lemak seperti banyak dipergunakan dalam industri margarine. Untuk industri petrokimia maka hydrogen banyak dipakai untuk proses hidrodealkilasi, hidrodesulfurasi, dan hidrocracking. Hidrogen juga dipakai sebagai bahan dasar untuk industri penghasil methanol dan industri penghasil HCl. Di industri pertambangan hydrogen dipakai untuk agen pereduksi biji logam.
Dalam bidang fisika dan teknik. Hidrogen dipakai sebagai “shielding gas” untuk pengelasan. Hydrogen juga dipakai sebagai zat pendingin rotor dalam generator listrik di stasiun penghasil listrik. Disebabkan hydrogen memiliki konduktifitas termal yang tingga maka hydrogen cair dipakai dalam studi-studi kriyogenik meliputi penelitian superkonduktor. Karena hydrogen sangat ringan maka banyak dipakai sebagai “gas pengangkat” dalam balon dan pesawat udara kecil untuk tujuan penelitian.
Hidrogen di campur dengan nitrogen dipakai sebagai gas pelaca kebocoran yang dapat diaplikasikan dalam bidang otomotif, kimia, stasiun pembangkit listrik, aerospace, dan telekomonikasi.
Isotop hydrogen seperti Deuterium dipakai dalam aplikasi reaksi nuklir sebagai medium yang dapat memperlambat laju netron yang dihasilkan dari reaksi fisi dan fusi. Deuterium juga dipakai untuk penanda reagen yang akan direaksikan untuk proses sintesis. Tritium dihasilkan dari reactor nuklir dipakai untuk produksi bom hydrogen dan sebagai label dalam cat luminasi.
Senyawaan Hidrogen
Hidrida
Istilah hidrida dipakai untuk menyatakan bahwa bilangan oksidasi hydrogen yang bereaksi dengan unsur yang lain adalah -1 dan dinotasikan sebagai H-. Beberapa contoh senyawa hidrida adalah LiH, NaH, LiAlH4, BeH2 dan lainnya. Ikatan dalam senyawa hidrida dapat bersifat kovalen hingga sangat bersifat ionic dan hidrida ini bisa menjadi bagian molekul, oligomer, polimer, padatan ion, layer dalam absorbsi kimia, atau bahkan menjadi bagian dari suatu logam. Hidrida bereaksi sebagai basa lewis dan bersifat sebagai reduktor dan bisa juga bisa bereaksi dengan radikal hydrogen dan proton. Berbagai macam unsur dapat membentuk hidrida dan sekarang menjadi subyek penelitian yang penting untuk menemukan logam yang dapat menyimpan hydrogen untuk pembangkit listrik atau baterai. Hidrida juga memerankan peranan yang penting dalam sintesis senyawa organic disebabkan bersifat sebagai reduktor.
Hidrokarbon
Dalam bidang organic senyawabhidrokarbon didefinisikan sebagai senyawa yang pada dasarnya terdiri dari hydrogen dan karbon, akan tetapi pengertian ini semakin meluas disebabkan beberapa hidrokarbon juga mengandung unsur lain seperti fosfor, nitrogen, belerang dan bahkan logam (organometalik). Golongan hidrokarbon sangat luas diantaranya alkana, alkena, alkuna, alkohol, ester, asam karboksilat, aldehid, keton, amida, senyawa aromatic dan berbabagai macam makromolekul seperti golongan proten, dan karbohidrat.
Umumnya hidrokarbon merupakan sumber energi utama yang ada di bumi akan tetapi dengan pertimbangan kondisi bumi saat ini maka penggunaan energi ini mulai sedikit-demi sedikit dialihkan ke sumber energi yang ramah lingkunga. Hidrokarbon juga merupakan sumber atau bahan dasar untuk membuat berbagai macam senyawa organic yang lain misalnya industru petrokimia menjadi dasar untuk pembuatan senyawa kimia yang lain.
Hidrogen Halida
Hidrogen halide adalah senyawa kimia yang dihasilkan dari reaksi antara hydrogen dengan unsur halide yaitu golongan 7 misalnya HF, HCl, HBr, dan HI. Senyawa HAt jarang ditemukan di alam dan bersifat tidak stabil. Senyawa hydrogen halide (HX) bersifat asam disebabkan kecenderungan mereka melepaskan H+ dalam larutan. Kecuali HF maka hydrogen halide yang lain adalah asam kuat. Dalam larutan sesama molekul halide dapat membentuk ikatan hydrogen dimana ikatan ini menyebabkan beberapa senyawa memiliki titik didih yang lebih tinggi dari yang diperkirakan. Kecenderungan hidrogen bereaksi dengan halide ini disebakan mereka memiliki perbedaan kelektronegatifitas yang cukup besar. Berikut perbandingan ukuran atom dan momen dipole beberapa hydrogen halide.

H2O
Air merupakan oksida dari hydrogen dengan rumus H2O dan air menjadi molekul yang paling banyak terdapat di bumi. Di alam air terdapat dalam tiga wujud yaitu cair, padat, dan gas, tidak bewarna, dan berbau. Terdapat banyak sekali senyawa kimia yang larut dalam air sehingga tidak dipungkiri air merupakan pelarut yang paling banyak dipakai. Air juga merupakan senyawa yang penting bagi kehidupan manusia dan makhluk lain yang ada dibumi bisa dibayangkan kehidupan makhluk hidup tanpa air bukan?
Molekul air memiliki dua atom hydrogen dan satu atom Oksigen yang terikat secara kovalen. Oksigen mengikat hydrogen dengan kuat disebabkan oksigen memiliki elektronegatifitas yang tinggi sehingga dihasilkan kutub positif dan negative dalam molekul air sehingga hal ini menyumbangkan bahwa molekul air memiliki momen dipole. Sesama molekul air dapat membentuk ikatan hydrogen sehingga meningkatkan titik didih air. Air dapat didiskripsikan sebagai molekul yang memiliki kepolaran sehingga dapat terdeprotonasi dengan reaksi:

2 H₂O (l)  H₃O⁺ (aq) + OH^? (aq)

Konstanta disosiasi ini atau Kw adalah 10-14 pada 25 C.