Hidrogen
Hidrogen (Latin: hydrogenium, dari bahasa Yunani: hydro: air, genes: membentuk) adalah unsur kimia pada tabel periodik yang memiliki simbol H dan nomor atom 1. Pada suhu dan tekanan standar, hidrogen tidak berwarna, tidak berbau, bersifat non-logam, bervalensi tunggal, dan merupakan gas diatomik yang sangat mudah terbakar. Dengan massa atom 1,00794 amu[n 1], hidrogen adalah unsur teringan di dunia.
Hidrogen juga adalah unsur paling melimpah dengan persentase kira-kira 75% dari total massa unsur alam semesta.[1][n 2] Kebanyakan bintang dibentuk oleh hidrogen dalam keadaan plasma. Senyawa hidrogen relatif langka dan jarang dijumpai secara alami di bumi, dan biasanya dihasilkan secara industri dari berbagai senyawa hidrokarbon seperti metana. Hidrogen juga dapat dihasilkan dari air melalui proses elektrolisis, namun proses ini secara komersial lebih mahal daripada produksi hidrogen dari gas alam.[2]
Isotop hidrogen yang paling banyak dijumpai di alam adalah protium, yang inti atomnya hanya mempunyai proton tunggal dan tanpa neutron. Senyawa ionik hidrogen dapat bermuatan positif (kation) ataupun negatif (anion). Hidrogen dapat membentuk senyawa dengan kebanyakan unsur dan dapat dijumpai dalam air dan senyawa-senyawa organik. Hidrogen sangat penting dalam reaksi asam basa yang mana banyak reaksi ini melibatkan pertukaran proton antar molekul terlarut. Oleh karena hidrogen merupakan satu-satunya atom netral yang persamaan Schrödingernya dapat diselesaikan secara analitik, kajian pada energetika dan ikatan atom hidrogen memainkan peran yang sangat penting dalam perkembangan mekanika kuantum.
Kelarutan dan karakteristik hidrogen dengan berbagai macam logam merupakan subjek yang sangat penting dalam bidang metalurgi (karena perapuhan hidrogen dapat terjadi pada kebanyakan logam [3]) dan dalam riset pengembangan cara yang aman untuk meyimpan hidrogen sebagai bahan bakar.[4] Hidrogen sangatlah larut dalam berbagai senyawa yang terdiri dari logam tanah nadir dan logam transisi[5] dan dapat dilarutkan dalam logam kristal maupun logam amorf.[6] Kelarutan hidrogen dalam logam disebabkan oleh distorsi setempat ataupun ketidakmurnian dalam kekisi hablur logam.[7]
Gas hidrogen sangat mudah terbakar dan akan terbakar pada konsentrasi serendah 4% H2 di udara bebas.[8] Entalpi pembakaran hidrogen adalah -286kJ/mol[9]. Hidrogen terbakar menurut persamaan kimia:
2 H 2 ( g ) + O 2 ( g ) ⟶ 2 H 2 O ( l ) + 572 k J ( 286 k J ⋅ m o l − 1 ) {\displaystyle 2{\text{H}}_{2(g)}+{\text{O}}_{2(g)}\longrightarrow 2{\text{H}}_{2}{\text{O}}_{(l)}+572kJ{\text{ }}(286kJ\centerdot mol^{-1})} [n 3]
Ketika dicampur dengan oksigen dalam berbagai perbandingan, hidrogen meledak seketika disulut dengan api dan akan meledak sendiri pada temperatur 560°C.[10] Lidah api hasil pembakaran hidrogen-oksigen murni memancarkan gelombang ultraviolet dan hampir tidak terlihat dengan mata telanjang. Oleh karena itu, sangatlah sulit mendeteksi terjadinya kebocoran hidrogen secara visual. Kasus meledaknya pesawat Hindenburg adalah salah satu contoh terkenal dari pembakaran hidrogen.[11] Karakteristik lainnya dari api hidrogen adalah nyala api cenderung menghilang dengan cepat di udara, sehingga kerusakan akibat ledakan hidrogen lebih ringan dari ledakan hidrokarbon. Dalam kasus kecelakaan Hidenburg, dua pertiga dari penumpang pesawat selamat dan kebanyakan kasus meninggal disebabkan oleh terbakarnya bahan bakar diesel yang bocor.[12]
H2 bereaksi secara langsung dengan unsur-unsur oksidator lainnya. Ia bereaksi dengan spontan dan hebat pada suhu kamar dengan klorin dan fluorin, menghasilkan hidrogen halida berupa hidrogen klorida dan hidrogen fluorida, yang merupakan asam berbahaya.[13]
Aras tenaga keadaan dasar elektron pada atom hidrogen adalah −13.6eV, yang ekuivalen dengan foton ultraviolet kira-kira 92nm.[14]
Aras tenaga hidrogen dapat dihitung dengan cukup akurat menggunakan model atom Bohr yang menggambarkan elektron beredar mengelilingi proton dengan analogi Bumi beredar mengelilingi Matahari. Oleh karena diskretisasi momentum sudut yang dipostulatkan pada awal mekanika kuantum oleh Bohr, elektron pada model Bohr hanya dapat menempati jarak-jarak tertentu saja dari proton dan oleh karena itu hanya beberapa energi tertentu saja yang diperbolehkan.[15]
Deskripsi atom hidrogen yang lebih akurat didapatkan dengan perlakuan mekanika kuantum murni menggunakan persamaan Schrödinger atau dengan perumusan integral lintasan Feyman untuk menghitung rapat kementakan elektron di sekitar proton.[16]
Terdapat dua jenis molekul diatomik hidrogen yang berbeda berdasarkan spin relatif inti.[17] Dalam bentuk ortohidrogen, spin dari dua proton adalah paralel dan dalam keadaan triplet; dalam bentuk parahidrogen, spin-nya adalah antiparalel dan dalam keadaan singlet. Pada keadaan standar, gas hidrogen terdiri dari 25% bentuk para dan 75% bentuk orto, juga dikenal dengan sebutan "bentuk normal".[18] Rasio kesetimbangan antara ortohidrogen dan parahidrogen tergantung pada termperatur. Namun oleh karena bentuk orto dalam keadaan tereksitasi, bentuk ini tidaklah stabil dan tidak bisa dimurnikan. Pada suhu yang sangat rendah, hampir semua hidrogen yang ada adalah dalam bentuk parahidrogen. Sifat fisik dari parahidrogen murni berbeda sedikit dengan "bentuk normal".[19] Perbedaan orto/para juga terdapat pada molekul yang terdiri dari atom hidrogen seperti air dan metilena.[20]
Antarubahan yang tidak dikatalis antara H2 para dan orto meningkat seiring dengan meningkatnya temperatur; oleh karenanya H2 yang diembunkan dengan cepat mengandung banyak hidrogen dalam bentuk orto yang akan berubah menjadi bentuk para dengan sangat lambat.[21] Nisbah orto/para pada H2 yang diembunkan adalah faktor yang perlu diperhitungkan dalam persiapan dan penyimpanan hidrogen cair: antarubahan dari bentuk orto ke para adalah eksotermik dan dapat menghasilan bahang yang cukup untuk menguapkan hidrogen cair tersebut dan menyebabkan berkurangnya komponen cair. Katalis untuk antarubahan orto-para, seperti misalnya senyawa besi, sering digunakan selama pendinginan hidrogen.[22]
Sebuah bentuk molekul yang disebut molekul hidrogen terprotonasi, atau H, ditemukan pada medium antarbintang (Interstellar medium) (ISM), di mana ia dihasilkan dengan ionisasi molekul hidrogen dari sinar kosmos. Molekul ini juga dapat dipantau di bagian atas atmosfer planet Yupiter. Molekul ini relatif cukup stabil pada lingkungan luar angkasa oleh karena suhu dan rapatan yang rendah. H adalah salah satu dari ion yang paling melimpah di alam semesta ini, dan memainkan peran penting dalam proses kimia medium antarbintang.[23]
Hidrogen bertekanan Hidrogen cair Hidrogen slush Hidrogen padat Hidrogen logam
Atom H, juga disebut hidrogen nasen atau hidrogen atomik, diklaim eksis secara fana namun cukup lama untuk menimbulkan reaksi kimia. Menurut klaim itu, hidrogen nasen dihasilkan secara in situ, biasanya reaksi antara seng dengan asam, atau dengan elektrolisis pada katode. Sebagai molekul monoatomik, atom H sangat reaktif dan oleh karena itu adalah reduktor yang lebih kuat dari H2 diatomik, namun pertanyaan kuncinya terletak pada keberadaan atom H itu sendiri. Konsep ini lebih populer di bidang teknik dan di literatur-literatur lama.
Hidrogen nasen diklaim mereduksi nitrit menjadi amonia atau arsenik menjadi arsina bahkan dalam keadaan lunak. Penelitian yang lebih mendetail menunjukkan lintasan alternatif lainnya dan bukanlah atom H.
Atom hidrogen dapat dihasilkan pada temperatur yang cukup tinggi (>2000 K) agar molekul H2 dapat berdisosiasi. Selain itu, radiasi elektromagentik di atas 11 eV juga dapat diserap H2 dan menyebabkan disosiasi.
Kadang kala, hidrogen yang terserap secara kimiawi pada permukaan logam juga dirujuk sebagai hidrogen nasen, walaupun terminologi ini sudah mulai ditinggalkan. Pandangan lainnya mengatakan bahwa hidrogen yang terserap secara kimiawi itu "kurang reaktif" dari hidrogen nasen disebabkan oleh ikatan yang dihasilkan oleh permukaan katalis logam tersebut.
Walaupun H2 tidaklah begitu reaktif dalam keadaan standar, ia masih dapat membentuk senyawa dengan kebanyakan unsur. Jutaan jenis hidrokarbon telah diketahui, namun itu semua tidaklah dihasilkan secara langsung dari hidrogen dan karbon. Hidrogen dapat membentuk senyawa dengan unsur yang lebih elektronegatif seperti halogen (F, Cl, Br, I); dalam senyawa ini hidrogen memiliki muatan parsial positif.[24] Ketika berikatan dengan fluor, oksigen ataupun nitrogen, hidrogen dapat berpartisipasi dalam bentuk ikatan non-kovalen yang kuat, yang disebut dengan ikatan hidrogen yang sangat penting untuk menjaga kestabilan kebanyakan molekul biologi.[25][26] Hidrogen juga membentuk senyawa dengan unsur yang kurang elektronegatif seperti logam dan metaloid, yang mana hidrogen memiliki muatan parsial negatif. Senyawa ini dikenal dengan nama hidrida.[27]
Hidrogen membentuk senyawa yang sangat banyak dengan karbon. Oleh karena asosiasi senyawa itu dengan kebanyakan zat hidup, senyawa ini disebut sebagai senyawa organik[28]. Studi sifat-sifat senyawa tersebut disebut kimia organik[29] dan studi dalam konteks kehidupan organisme dinamakan biokimia.[30] Pada beberapa definisi, senyawa "organik" hanya memerlukan atom karbon untuk disebut sebagai organik. Namun kebanyakan senyawa organik mengandung atom hidrogen. Dan oleh karena ikatan ikatan hidrogen-karbon inilah yang memberikan karakteristik sifat-sifat hidrokarbon, ikatan hidrogen-karbon diperlukan untuk beberapa definisi dari kata "organik" di kimia.[28]
Dalam kimia anorganik, hidrida dapat berperan sebagai ligan penghubung yang menghubungkan dua pusat logam dalam kompleks berkoordinasi. Fungsi ini umum ditemukan pada unsur golongan 13, terutama pada kompleks borana (hidrida boron) dan aluminium serta karborana yang bergerombol.[31]
Senyawa hidrogen sering disebut sebagai hidrida, sebuah istilah yang tidak mengikat. Oleh kimiawan, istilah "hidrida" biasanya memiliki arti atom H yang mendapat sifat anion, ditandai dengan H−. Keberadaan anion hidrida, dikemukakan oleh Gilbert N. Lewis pada tahun 1916 untuk gologngan I dan II hidrida garam, didemonstrasikan oleh Moers pada tahun 1920 dengan melakukan elektrolisis litium hidrida cair (LiH) yang menghasilkan sejumlah hidrogen pada anode.[32] Untuk hidrida selain logam golongan I dan II, istilah ini sering kali membuat kesalahpahaman oleh karena elektronegativitas hidrogen yang rendah. Pengecualian adalah hidrida golongan II BeH2 yang polimerik. Walaupun hidrida dapat dibentuk dengan hampir semua golongan unsur, jumlah dan kombinasi dari senyawa bervariasi, sebagai contoh terdapat lebih dari 100 hidrida borana biner yang diketahui, namun cuma satu hidrida aluminium biner yang diketahui.[33] Hidrida indium biner sampai sekarang belum diketahui, walaupun sejumlah komplek yang lebih besar eksis.[34]
Oksidasi H2 secara formal menghasilkan proton H+. Spesies ini merupakan topik utama dari pembahasan asam, walaupun istilah proton digunakan secara longgar untuk merujuk pada hidrogen kationik yang positif dan ditandai dengan H+. Menurut teori Brønsted–Lowry, asam adalah donor proton, sementara basa adalah akseptor (penerima) proton.
Proton H+ tidak dapat ditemukan berdiri sendiri dalam laurtan karena ia memiliki kecenderungan mengikat pada atom atau molekul yang memiliki elektron. Selain pada temperatur tinggi dan bergabung dengan plasma, proton semacam ini tidak dapat dihilangkan dari awan elektron atom dan molekule, dan akan tetap terikat pada atom dan molekul tersebut.
Untuk menghindari kesalahpahaman akan "proton terlarut" dalam larutan, larutan asam sering dianggap memiliki spesies fiktif yang disebut ion hidronium (H3O+) yang bergerombol membentuk H9O4+.[35] Ion oksonium juga ditemukan ketika air dalam larutan asam dengan pelarut lain.[36]
Walaupun sangat langka di bumi, salah satu ion yang paling melimpah dalam alam semesta ini adalah H3+, dikenal sebagai molekul hidrogen terprotonasi ataupun kation hidrogen triatomik.[37]
Hidrogen memiliki tiga isotop alami, ditandai dengan 1H, 2H, dan 3H. Isotop lainnya yang tidak stabil (4H hingga 7H) juga telah disintesiskan di laboratorium namun tidak pernah dijumpai secara alami.[38][39]
1H adalah isotop hidrogen yang paling melimpah, memiliki persentase 99.98% dari jumlah atom hidrogen. Oleh karena inti atom isotop ini hanya memiliki proton tunggal, ia diberikan nama yang deskriptif sebagai protium, namun nama ini jarang sekali digunakan.[40] 2H, isotop hidrogen lainnya yang stabil, juga dikenal sebagai deuterium dan mengandung satu proton dan satu neutron pada intinya. Deuterium tidak bersifat radioaktif, dan tidak memberikan bahaya keracunan yang signifikan. Air yang atom hidrogennya merupakan isotop deuterium dinamakan air berat. Deuterium dan senyawanya digunakan sebagai penanda non-radioaktif pada percobaan kimia dan untuk pelarut 1H-spektroskopi NMR.[41] Air berat digunakan sebagai moderator neutron dan pendingin pada reaktor nuklir. Deuterium juga berpotensi sebagai bahan bakar fusi nuklir komersial.[42] 3H dikenal dengan nama tritium dan mengandung satu proton dan dua neutron pada intinya. Ia memiliki sifat radioaktif, dan mereras menjadi Helium-3 melalui pererasan beta dengan umur paruh 12,32 tahun.[31] Sejumlah kecil tritium dapat dijumpai di alam oleh karena interaksi sinar kosmos dengan atmosfer bumi; tritium juga dilepaskan selama uji coba nuklir.[43] Ia juga digunakan dalam reaksi fusi nuklir,[44] sebagai penanda dalam geokimia isotop,[45] dan terspesialisasi pada peralatan self-powered lighting.[46] Tritium juga digunakan dalam penandaan percobaan kimia dan biologi sebagai radiolabel.[47]
Hidrogen adalah satu-satunya unsur yang memiliki tiga nama berbeda untuk isotopnya. (Dalam awal perkembangan keradioaktivitasan, beberapa isotop radioaktif berat diberikan nama, namun nama-nama tersebut tidak lagi digunakan). Simbol D dan T kadang-kadang digunakan untuk merujuk pada deuterium dan tritium, namun simbol P telah digunakan untuk merujuk pada fosfor, sehingga tidak digunakan untuk merujuk pada protium.[48] Dalam tatanama IUPAC, International Union of Pure and Applied Chemistry mengizinkan penggunaan D, T, 2H, dan 3H walaupun 2H dan 3H lebih dianjurkan.[49]
Hidrogen adalah unsur yang paling melimpah di alam semesta ini dengan persentase 75% dari barion berdasarkan massa dan lebih dari 90% berdasarkan jumlah atom.[50] Unsur ini ditemukan dalam kelimpahan yang besar di bintang-bintang dan planet-planet gas raksasa. Awan molekul dari H2 diasosiasikan dengan pembentukan bintang. Hidrogen memainkan peran penting dalam pemberian energi bintang melalui reaksi proton-proton dan fusi nuklir daur CNO.[51]
Di seluruh alam semesta ini, hidrogen kebanyakan ditemukan dalam keadaan atomik dan plasma yang sifatnya berbeda dengan molekul hidrogen. Sebagai plasma, elektron hidrogen dan proton terikat bersama, dan menghasilkan konduktivitas elektrik yang sangat tinggi dan daya pancar yang tinggi (menghasilkan cahaya dari Matahari dan bintang lain). Partikel yang bermuatan dipengaruhi oleh medan magnet dan medan listrik. Sebagai contoh, dalam angin surya, partikel-partikel ini berinteraksi dengan magnetosfer bumi dan mengakibatkan arus Birkeland dan fenomena Aurora. Hidrogen ditemukan dalam keadaan atom netral di medium antarbintang. Sejumlah besar atom hidrogen netral yang ditemukan di sistem Lyman-alpha teredam diperkirakan mendominasi rapatan barionik alam semesta sampai dengan pergeseran merah z=4.[52]
Dalam keadaan normal di bumi, unsur hidrogen berada dalam keadaan gas diatomik, H2 (silakan lihat tabel data). Namun, gas hidrogen sangatlah langka di atmosfer bumi (1 ppm berdasarkan volume) oleh karena beratnya yang ringan yang menyebabkan gas hidrogen lepas dari gravitasi bumi. Walaupun demikian, hidrogen masih merupakan unsur paling melimpah di permukaan bumi ini.[53] Kebanyakan hidrogen bumi berada dalam keadaan bersenyawa dengan unsur lain seperti hidrokarbon dan air.[31] Gas hidrogen dihasilkan oleh beberapa jenis bakteri dan ganggang dan merupakan komponen alami dari kentut. Penggunaan metana sebagai sumber hidrogen akhir-akhir ini juga menjadi semakin penting.[54]
Bentuk molekuler yang disebut molekul hidrogen terprotonasi (H+3) ditemukan dalam media antarbintang. Ini terbentuk melalui ionisasi hidrogen molekuler dari sinar kosmik. Ion bermuatan ini juga telah diamati dalam atmosfer atas planet Jupiter. Ion ini relatif stabil di lingkungan angkasa luar karena rendahnya temperatur dan kerapatan. H+3 adalah ion paling melimpah di jagat raya, dan memainkan peran penting dalam kimia media antarbintang.[55] Hidrogen triatomik netral H3 hanya ada dalam bentuk tereksitasi dan tidak stabil.[56] Sebaliknya, ion positif hidrogen molekular (H+2) adalah molekul yang jarang ditemukan di jagat raya.
Gas hidrogen, H2, pertama kali dihasilkan secara artifisial oleh T. Von Hohenheim (dikenal juga sebagai Paracelsus, 1493–1541) melalui pencampuran logam dengan asam kuat.[57] Dia tidak menyadari bahwa gas mudah terbakar yang dihasilkan oleh reaksi kimia ini adalah unsur kimia yang baru. Pada tahun 1671, Robert Boyle menemukan kembali dan mendeskripsikan reaksi antara besi dan asam yang menghasilkan gas hidrogen.[58] Pada tahun 1766, Henry Cavendish adalah orang yang pertama mengenali gas hidrogen sebagai zat diskret dengan mengidentifikasikan gas tersebut dari reaksi logam-asam sebagai "udara yang mudah terbakar". Pada tahun 1781 dia lebih lanjut menemukan bahwa gas ini menghasilkan air ketika dibakar.[59][60] Pada tahun 1783, Antoine Lavoisier memberikan unsur ini dengan nama hidrogen (dari Bahasa Yunani hydro yang artinya air dan genes yang artinya membentuk)[61] ketika dia dan Laplace mengulang kembali penemuan Cavendish yang mengatakan pembakaran hidrogen menghasilkan air.[60] Lavoisier menghasilkan hidrogen pada percobaannya tentang konservasi massa dengan mereaksikan flux uap dengan besi logam melalui tabung besi pijar yang dipanaskan dalam api. Oksidasi anaerobik besi oleh proton air pada temperatur tinggi dapat digambarkan sebagai berikut:
Banyak logam seperti zirkonium mengalami reaksi yang sama dengan air menghasilkan hidrogen.
Hidrogen pertama kali dicairkan oleh James Dewar pada tahun 1898 dengan menggunakan penemuannya, guci hampa.[60] Dia kemudian menghasilkan hidrogen padat setahun kemudian.[60] Deuterium ditemukan pada tahun 1931 Desember oleh Harold Urey, dan tritium dibuat pada tahun 1934 oleh Ernest Rutherford, Mark Oliphant, and Paul Harteck.[59] Air berat, yang mengandung deuterium menggantikan hidrogen biasa, ditemukan oleh Urey dkk. pada tahun 1932.[60] Salah satu dari penggunaan pertama H2 adalah untuk sinar sorot.[60]
Balon pertama yang diisikan dengan hidrogen diciptakan oleh Jacques Charles pada tahun 1783.[60] Hidrogen memberikan tenaga dorong untuk perjalanan udara yang aman dan pada tahun 1852 Henri Giffard menciptakan kapal udara yang diangkat oleh hidrogen.[60] Bangsawan Jerman Ferdinand von Zeppelin mempromosikan idenya tentang kapal udara yang diangkat dengan hidrogen dan kemudian dinamakan Zeppelin dengan penerbangan perdana pada tahun 1900.[60] Penerbangan yang terjadwal dimulai pada tahun 1910 dan sampai pecahnya Perang dunia II, Zeppelin telah membawa 35.000 penumpang tanpa insiden yang serius.
Penerbangan tanpa henti melewati samudra atlantik pertama kali dilakukan kapal udara Britania R34 pada tahun 1919. Pelayanan penerbangan udara dipulihkan pada tahun 1920 dan penemuan cadangan helium di Amerika Serikat memberikan peluang ditingkatkannya keamanan penerbangan, namun pemerintah Amerika Serikat menolak menjual gas tersebut untuk digunakan dalam penerbangan. Oleh karenanya, gas H2 digunakan di pesawat Hindenburg, yang pada akhirnya meledak di langit New Jersey pada tanggal 6 Mei 1937.[60] Insiden ini ditayangkan secara langsung di radio dan direkam. Banyak yang menduga terbakarnya hidrogen yang bocor sebagai akibat insiden tersebut, namun investigasi lebih lanjut membuktikan sebab insiden tersebut karena terbakarnya salut fabrik oleh keelektrikan statis. Walaupun demikian, sejak itu keragu-raguan atas keamanan penggunaan hidrogen muncul.
Pada tahun yang sama, turbogenerator berpendingin hidrogen diluncurkan pertama kali dengan gas hidrogen sebagai pendingin dalam rotor dan stator pada tahun 1937 di Dayton, Ohio oleh Dayton Power & Light Co.;[62] karena konduktivitas termal gas hidrogen, ini adalah jenis yang palling umum di lapangan saat ini.
Baterai nikel hidrogen pertama kali digunakan pada tahun 1977 dalam U.S Navy's Navigation Technology Satellite-2 (NTS-2).[63] Sebagai contoh, ISS [64] Mars Odyssey[65] dan Mars Global Surveyor[66] dilengkapi dengan baterai nikel-hidrogen. Di bagian gelap orbitnya, Teleskop Angkasa Hubble juga di bertenaga baterai nikel-hidrogen, yang akhirnya diganti pada Mei 2009,[67] lebih dari 19 tahun setelah diluncurkan, dan 13 tahun setelah mulai dihidupkan.[68]
Oleh karena struktur atomnya yang relatif sederhana, atom hidrogen bersama dengan spektrum emisinya menjadi pusat perkembangan teori sturktur atom.[69] Lebih jauh lagi, kesederhanaan molekul hidrogen dan kationnya H membantu pemahaman yang lebih jauh mengenai ikatan kimia.
Salah satu dari efek kuantum yang secara eksplisit disadari (namun masih belum sepenuhnya dimengerti saat itu) adalah pengamatan Maxwell yang melibatkan hidrogen setengah abad sebelum teori mekanika kuantum benar-benar berkembang. Maxwell mengamati bahwa kapasitas bahang spesifik dari H2 tidak sesuai dengan tren gas diatomik lainnya di bawah suhu kamar dan mulai menyerupai tren gas monoatomik di temperatur kriogenik. Menurut teori kuantum, sifat-sifat ini disebabkan oleh jarak antara aras tenaga rotasi hidrogen yang lebar oleh karena massanya yang ringan. Aras yang lebar ini menghambat partisi energi bahang secara merata menjadi gerak berputar hidrogen pada temperatur yang rendah. Gas diatomik yang terdiri dari atom-atom yang lebih berat tidak mempunyai aras tenaga yang cukup lebar untuk menyebabkan efek yang sama.[70]
Antihidrogen (The element Hidrogen does not exist.) adalah antimateri lawan dari hidrogen. Ia tersusun dari sebuah antiproton dan sebuah positron. Antihidrogen adalah satu-satunya atom antimateri yang telah diproduksi per 2015.[71][72]
H diproduksi di laboratorium kimia dan biologi, seringkali sebagai produk sampingan dari reaksi lain; di industri untuk hidrogenasi substrat tak jenuh; dan di alam sebagai sarana penyetara reaksi biokimia.
Di laboratorium, H biasanya dibuat dengan mereaksikan asam non-oksidator encer dengan beberapa logam yang reaktif seperti seng dengan peralatan Kipp.
Aluminium juga dapat menghasilkan H jika direaksikan dengan basa:
Elektrolisis air adalah metode sederhana produksi hidrogen. Arus listrik lemah dialirkan melalui listrik, dan gas oksigen terbentuk di anoda sementara gas hidrogen terbentuk di katoda. Biasanya katoda terbuat dari platina atau logam inert lainnya ketika hidrogen diproduksi untuk disimpan. Namun, jika gas akan dibakar di tempat, oksigen yang dihasilkan harus mendukung pembakaran, sehingga kedua elektrode harus terbuat dari bahan inert. (Besi, misalnya, akan teroksidasi, dan akibatnya menurunkan jumlah oksigen yang dihasilkan.) Efisiensi maksimum teoretis (listrik yang digunakan vs. nilai energetik hidrogen yang dihasilkan) adalah antara 80–94%.[73]
Paduan aluminium dan galium dalam bentuk pelet yang ditambahkan ke dalam air dapat digunakan untuk menghasilkan hidrogen. Proses ini juga menghasilkan alumina, tetapi harga galium yang mahal, dengan sifatnya yang dapat mencegah pembentukan lapisan oksida pada permukaan pelet, membuatnya dapat digunakan ulang. Hal ini membawa implikasi penting pada keekonomian hidrogen, karena hidrogen dapat diproduksi di tempat dan tidak memerlukan transportasi.[74]
Hidrogen dapat diproduksi dalam beberapa cara, tetapi proses paling penting secara ekonomis adalah penghilangan hidrogen dari hidrokarbon. Hidrogen komersial biasanya diproduksi dengan cara steam reforming gas alam.[75] Pada tempratur tinggi (1,000K (730°C; 1,340°F) – 1,400K (1,130°C; 2,060°F)), steam (uap air) bereaksi dengan metana menghasilkan karbon monoksida dan H.
Reaksi ini disukai pada tekanan rendah tetapi tetap dilakukan pada tekanan tinggi (20 megapascals (200atm; 5,900inHg)Error in convert: Ignored invalid option "abbr=yes" (help)). Hal ini karena H bertekanan tinggi adalah produk yang paling banyak di pasaran dan sistem pemurnian Pressure Swing Adsorption (PSA) bekerja lebih baik pada tekanan tinggi. Campuran produk dikenal sebagai "gas sintetis" karena sering digunakan langsung untuk produksi metanol dan senyawa terkait. Hidrokarbon lain selain metana dapat digunakan untuk menghasilkan gas sintetis dengan rasio produk bervariasi. Salah satu komplikasi teknologi canggih ini adalah pembentukan kokas atau karbon:
Akibatnya, steam reforming biasanya menggunakan H berlebih. Hidrogen tambahan dapat diperoleh kembali dari uap air dengan menggunakan karbon monoksida melalui reaksi pergeseran gas air, terutama dengan katalis besi oksida. Reaksi ini juga merupakan sumber karbon dioksida industri yang umum:[75]
Metode penting lainnya untuk produksi H meliputi oksidasi parsial hidrokarbon:[76]
dan reaksi karbon, yang dapat berfungsi sebagai awal untuk reaksi pergeseran atas:[75]
Hidrogen kadang-kadang diproduksi dan dikonsumsi dalam proses industri yang sama, tanpa dipisahkan. Dalam proses Haber untuk produksi amonia, hidrogen dihasilkan dari gas alam.[77] Elektrolisis air garam untuk mendapatkan klorin juga menghasilkan hidrogen sebagai produk sampingan.[78]
Terdapat lebih dari 200 daur termokimia yang dapat digunakan untuk pemecahan air, sebagian daur ini seperti daur besi oksida, daur serium(IV) oksida–serium(III) oksida, daur seng–seng oksida, daur belerang–iodin, daur tembaga–klorin dan daur hibrida belerang masih dalam tahap penelitian dan fasa pengujian untuk menghasilkan hidrogen dan oksigen dari air dan panas tanpa menggunakan listrik.[79] Sejumlah laboratorium (termasuk di Perancis, Jerman, Yunani, Jepang dan AS) sedang mengembangkan metode termokimia untuk menghasilkan hidrogen dari energi surya dan air.[80]
Dalam kondisi anaerobik, besi dan baja paduan secara perlahan teroksidasi oleh proton dari air bersamaan dengan berkurangnya molekul hidrogen (H). Saat besi mengalami korosi anaerobik pertama kali akan terbentuk fero hidroksida (karat hijau) dan dapat dijelaskan sesuai reaksi berikut:
Pada gilirannya, di bawah kondisi anaerobik, fero hidroksida (Fe(OH)) dapat dioksidasi oleh proton dari air untuk membentuk magnetit dan molekul hidrogen. Proses ini dijelaskan melalui reaksi Schikorr:
Kristal magnetit (Fe) yang baik lebih stabil secara termodinamika daripada besi hidroksida (Fe(OH) ).
Proses ini terjadi selama korosi anaerobik besi dan baja dalam air tanah bebas oksigen dan dalam tanah pereduksi di bawah permukaan air.
Dalam ketiadaan oksigen atmosfer (O), pada kondisi geologi dalam yang jauh dari atmosfer bumi, hidrogen (H) diproduksi selama proses serpentinisasi melalui oksidasi anaerobik oleh proton air (H+) dari fero (Fe2+) silikat yang ada dalam kisi kristal fayalit (Fe, olivin besi). Reaksi pembentukan magnetit (Fe), kuarsa (SiO) dan hidrogen (H) adalah sebagai berikut:
Reaksi ini mendekati reaksi Schikorr yang teramati pada oksidasi anaerobik fero hidroksida ketika terkena air.
Dari semua pembentukan gas akibat adanya kesalahan pada transformator daya, hidrogen adalah yang paling umum dan dihasilkan di bawah kondisi kesalahan apapun; dengan demikian, pembentukan hidrogen merupakan indikasi awal dari masalah serius dalam siklus hidup transformator.[81]
Sejumlah besar H2 diperlukan dalam industri petrokimia dan kimia. Penggunaan terbesar H2 adalah untuk memproses bahan bakar fosil dan dalam pembuatan ammonia. Konsumen utama dari H2 di kilang petrokimia meliputi hidrodealkilasi, hidrodesulfurisasi, dan penghidropecahan (English: hydrocracking). H2 memiliki beberapa kegunaan yang penting. H2 digunakan sebagai bahan hidrogenasi, terutama dalam peningkatan kejenuhan dalam lemak takjenuh dan minyak nabati (ditemukan di margarin), dan dalam produksi metanol. Ia juga merupakan sumber hidrogen pada pembuatan asam klorida. H2 juga digunakan sebagai reduktor pada bijih logam.[82]
Selain digunakan sebagai pereaksi, H2 memiliki penerapan yang luas dalam bidang fisika dan teknik. Ia digunakan sebagai gas penameng di metode pengelasan seperti pengelasan hidrogen atomik.[83][84] H2 digunakan sebagai pendingin rotor di generator pembangkit listrik karena ia mempunyai konduktivitas termal yang paling tinggi di antara semua jenis gas. H2 cair digunakan di riset kriogenik yang meliputi kajian superkonduktivitas.[85] Oleh karena H2 lebih ringan dari udara, hidrogen pernah digunakan secara luas sebagai gas pengangkat pada kapal udara balon.[86]
Baru-baru ini hidrogen digunakan sebagai bahan campuran dengan nitrogen (kadangkala disebut forming gas) sebagai gas perunut untuk pendeteksian kebocoran gas yang kecil. Aplikasi ini dapat ditemukan di bidang otomotif, kimia, pembangkit listrik, kedirgantaraan, dan industri telekomunikasi.[87] Hidrogen adalah zat aditif (E949) yang diperbolehkan penggunaanya dalam ujicoba kebocoran bungkusan makanan dan sebagai antioksidan.[88]
Isotop hidrogen yang lebih langka juga memiliki aplikasi tersendiri. Deuterium (hidrogen-2) digunakan dalam reaktor CANDU sebagai moderator untuk memperlambat neutron.[60] Senyawa deuterium juga memiliki aplikasi dalam bidang kimia dan biologi dalam kajian reaksi efek isotop.[89] Tritium (hidrogen-3) yang diproduksi oleh reaktor nuklir digunakan dalam produksi bom hidrogen,[90] sebagai penanda isotopik dalam biosains,[47] dan sebagai sumber radiasi di cat berpendar.[91]
Suhu pada titik tripel hidrogen digunakan sebagai titik acuan dalam skala temperatur ITS-90 (International Temperatur Scale of 1990) pada 13,8033kelvin.[92]
Hidrogen bukanlah sumber energi,[93] kecuali dalam konteks hipotesis pembangkit listrik fusi nuklir komersial yang menggunakan deuterium ataupun tritium, sebuah teknologi yang perkembangannya masih sedikit.[94] Energi Matahari berasal dari fusi nuklir hidrogen, namun proses ini sulit dikontrol di bumi.[95] Hidrogen dari cahaya Matahari, organisme biologi, ataupun dari sumber listrik menghabiskan lebih banyak energi dalam pembuatannya daripada pembakarannya. Hidrogen dapat dihasilkan dari sumber fosil (seperti metana) yang memerlukan lebih sedikit energi daripada energi hasil pembakarannya, namun sumber ini tidak dapat diperbaharui, dan lagipula metana dapat langsung digunakan sebagai sumber energi.[93]
Rapatan energi per volume pada hidrogen cair maupun hidrogen gas pada tekanan yang praktis secara signifikan lebih kecil daripada rapatan energi dari bahan bakar lainnya, walaupun rapatan energi per massa adalah lebih tinggi.[93] Sekalipun demikian, hidrogen telah dibahas secara meluas dalam konteks energi sebagai pembawa energi.[96] Sebagai contoh, sekuestrasi CO2 yang diikuti dengan penangkapan dan penyimpanan karbon dapat dilakukan pada produksi H2 dari bahan bakar fosil.[97] Hidrogen yang digunakan pada transportasi relatif lebih bersih dengan sedikit emisi NOx,[98] tetapi tanpa emisi karbon.[97] Namun, biaya infrastruktur yang diperlukan dalam membangun ekonomi hidrogen secara penuh sangatlah besar.[99]
Hidrogen banyak digunakan pada pembangkit listrik sebagai pendingin generator karena sejumlah sifatnya yang berhubungan langsung dengan struktur molekul diatomiknya yang ringan. Ini meliputi densitas rendah, rendah viskositasnya, serta mempunyai bahang spesifik dan konduktivitas termal tertinggi di antara semua gas.
Hidrogen digunakan untuk menjenuhkan ikatan tak beraturan dalam silikon amorf dan karbon amorf yang membantu menstabilkan sifat materi.[100] Ia juga donor elektron potential dalam berbagai materi oksida, termasuk ZnO,[101][102] SnO, CdO, MgO,[103] ZrO, HfO, La, Y, TiO, SrTiO, LaAlO, SiO, Al, Zirkon silikat (ZrSiO), HfSiO, dan SrZrO.[104]
H2 adalah salah satu hasil produk dari beberapa jenis fermentasi anaerobik dan dihasilkan pula pada beberapa mikroorganisme, biasanya melalui reaksi yang dikatalisasi oleh enzim dehidrogenase yang mengandung besi atau nikel. Enzim-enzim ini mengkatalisasi reaksi redoks reversibel antara H2 dengan komponen dua proton dan dua elektronnya. Gas hidrogen dihasilkan pada transfer reduktor ekuivalen yang dihasilkan selama fermentasi piruvat menjadi air.[105]
Pemisahan air, yang mana air terurai menjadi komponen proton, elektron, dan oksigen, terjadi pada reaksi cahaya pada proses fotosintesis. Beberapa organisme meliputi ganggang Chlamydomonas reinhardtii dan cyanobacteria memiliki tahap kedua, yaitu reaksi gelap, yang mana proton dan elektron direduksi menjadi gas H2 oleh hidrogenase tertentu di kloroplasnya.[106] Beberapa usaha telah diambil untuk secara genetik memodifikasi hidrogenase cyanobacteria untuk secara efisien mensintesis gas H2 dibawah keberadaan oksigen.[107] Usaha keras juga telah diambil dalam percobaan memodifikasi gen ganggang dan mengubahnya menjadi bioreaktor.[108]
Hidrogen mendatangkan beberapa bahaya kesehatan pada manusia, mulai dari potensi ledakan dan kebakaran ketika tercampur dengan udara, sampai dengan sifatnya yang menyebabkan asfiksia pada keadaan murni tanpa oksigen.[109] Selain itu, hidrogen cair adalah kriogen dan sangat berbahaya oleh karena suhunya yang sangat rendah.[110] Hidrogen larut dalam beberapa logam dan selain berpotensi kebocoran, juga dapat menyebabkan perapuhan hidrogen.[111] Gas hidrogen yang mengalami kebocoran dapat menyala dengan spontan. Selain itu api hidrogen sangat panas, namun hampir tidak dapat dilihat dengan mata telanjang, sehingga dapat menyebabkan kasus kebakaran yang tak terduga.[112]
Data wewanti keselamatan hidrogen dapat dikacaukan oleh beberapa sebab. Sifat-sifat fisika dan kimia hidrogen sangat bergantung pada nisbah parahidrogen/ortohidrogen yang memerlukan beberapa hari untuk mencapai kesetimbangan (biasanya data yang diberikan merupakan data pada saat hidrogen mencapai kesetimbangan). Parameter ledakan hidrogen, seperti tekanan dan temperatur kritis ledakan sangat bergantung pada geometri wadah penampung hidrogen.[109]
Antihidrogen Daur hidrogen Bahan bakar hidrogen Kendaraan hidrogen Oksihidrogen Fotohidrogen
Cite journal requires |journal= (help) Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help) CS1 maint: multiple names: authors list (link) at Global Public Media.
Transclusion error: {{En}} is only for use in File namespace. Use {{lang-en}} or {{en icon}} instead. Transclusion error: {{En}} is only for use in File namespace. Use {{lang-en}} or {{en icon}} instead. Transclusion error: {{En}} is only for use in File namespace. Use {{lang-en}} or {{en icon}} instead. Transclusion error: {{En}} is only for use in File namespace. Use {{lang-en}} or {{en icon}} instead. Transclusion error: {{En}} is only for use in File namespace. Use {{lang-en}} or {{en icon}} instead. Transclusion error: {{En}} is only for use in File namespace. Use {{lang-en}} or {{en icon}} instead. Transclusion error: {{En}} is only for use in File namespace. Use {{lang-en}} or {{en icon}} instead. Transclusion error: {{En}} is only for use in File namespace. Use {{lang-en}} or {{en icon}} instead. Transclusion error: {{En}} is only for use in File namespace. Use {{lang-en}} or {{en icon}} instead. Transclusion error: {{En}} is only for use in File namespace. Use {{lang-en}} or {{en icon}} instead. Transclusion error: {{En}} is only for use in File namespace. Use {{lang-en}} or {{en icon}} instead.
Kategori:Unsur kimia Kategori:Nonlogam