Hidrogen

Hidrogen berasal dari bahasa yunani kuno (hydro=air, dan genes=pembentukan). Hidrogen telah digunakan bertahun-tahun sebelum akhirnya dinyatakan sebagai unsur yang unik oleh Cavendish di tahun 1776.
Dinamakan hidrogen oleh Lavoisier, hidrogen adalah unsur yang terbanyak dari semua unsur di alam semesta. Elemen-elemen yang berat pada awalnya dibentuk dari atom-atom hidrogen atau dari elemen-elemen yang mulanya terbuat dari atom-atom hidrogen.
Hidrogen diperkirakan membentuk komposisi lebih dari 90% atom-atom di alam semesta (sama dengan tiga perempat massa alam semesta). Di bumi hidrogen terdapat sebagai air (11,1%), hidrocarbon atau yang disebut gas alam (25%), minyak bumi (14%), karbo hidrat (6%). Unsur ini ditemukan di bintang-bintang dan memainkan peranan yang penting dalam memberikan sumber energi jagat raya melalui reaksi proton-proton dan siklus karbon-nitrogen. Proses fusi atom-atom hidrogen menjadi helium di matahari menghasilkan jumlah energi yang sangat besar.
Hidrogen dapat dipersiapkan dengan berbagai cara:
Uap dari elemen karbon yang dipanaskan
Dekomposisi beberapa jenis hidrokarbon dengan energi kalor
Reaksi-reaksi natrium atau kalium hidroksida pada aluminium
Elektrolisis air
Pergeseran asam-asam oleh metal-metal tertentu
Hidrogen dalam bentuk cair sangat penting untuk bidang penelitian suhu rendah (cryogenics) dan studi superkonduktivitas karena titik cairnya hanya 20 derajat di atas 0 Kelvin.
 
Hidrogen adalah komponen utama planet Jupiter dan planet-planet gas raksasa lainnya. Karena tekanan yang luar biasa di dalam planet-planet tersebut, bentuk padat hidrogen molekuler dikonversi menjadi hidrogen metalik.
Di tahun 1973, ada beberapa ilmuwan Rusia yang bereksperimen memproduksi hidrogen metalik pada tekanan 2.8 megabar. Pada titik transisi, berat jenisnya berubah dari 1.08 menjadi 1.3 gram/cm3. Satu tahun sebelumnya di Livermore, California, satu grup ilmuwan juga memberitakan eksperimen yang hampir sama di mana fenomena yang mereka amati terjadi pada titik tekanan-volume yang berpusar pada 2 megabar. Beberapa prediksi mengemukakan bahwa hidrogen metalik mungkin metastable. Yang lainnya memprediksikan hidrogen mungkin berupa superkonduktor di suhu ruangan.
Walau hidrogen adalah benda gas, kita sangat jarang menemukannya di atmosfer bumi. Gas hidrogen yang sangat ringan, jika tidak terkombinasi dengan unsur lain, akan berbenturan dengan unsur lain dan terkeluarkan dari lapisan atmosfer. Di bumi hidrogen banyak ditemukan sebagai senyawa (air) di mana atom-atomnya bertaut dengan atom-atom oksigen. Atom-atom hidrogen juga dapat ditemukan di tetumbuhan, petroleum, arang, dan lain-lain. Sebagai unsur yang independen, konsentrasinya di atmosfer sangat kecil (1 ppm by volume). Sebagai gas yang paling ringan, hidrogen berkombinasi dengan elemen-elemen lain, kadang-kadang secara eksplosif untuk membentuk berbagai senyawa.
Hidrogen banyak digunakan untuk mengikat nitrogen dengan unsur lain dalam proses Haber (memproduksi amonia) dan untuk proses hidrogenasi lemak dan minyak. Hidrogen juga digunakan dalam jumlah yang banyak dalam produksi methanol, di dealkilasi hidrogen (hydrodealkylation), katalis hydrocracking, dan sulfurisasi hidrogen. Kegunaan-kegunaan lainnya termasuk sebagai bahan bakar roket, memproduksi asam hidroklorida, mereduksi bijih-bijih besi dan sebagai gas pengisi balon. Daya angkat 1 kaki kubik gas hidrogen sekitar 0.07 lbf pada suhu 0 derajat Celsius dan tekanan udara 760 mm Hg.
Hidrogen berbentuk gas. Dalam keadaan yang normal, gas hidrogen merupakan campuran antara dua molekul, yang dinamakan ortho- dan para- hidrogen, yang dibedakan berdasarkan spin elektron-elektron dan nukleus.
Hidrogen normal pada suhu ruangan terdiri dari 25% parahidrogen dan 75% ortho-hidrogen. Bentuk ortho tidak dapat dipersiapkan dalam bentuk murni. Karena kedua bentuk tersebut berbeda dalam energi, sifat-sifat kebendaannya pun juga berbeda. Titik-titik lebur dan didih parahidrogen sekitar 0.1 derajat Celcius lebih rendah dari hidrogen normal.

 
BAB II SIFAT FISIKA DAN SIFAT KIMIA GAS HIDROGEN
Sifat Fisika
Nomor Atom
1
Massa Atom
1,008
Titik Didih (oC)
-252.6oC
Titik Lebur (oC)
-259.2oC
Energi Ionisasi (KJ/Mol)
1310
Susunan Atom
1 proton + 1 elektron
Jari-jari Atom (nm)
0,037
Isotop
11H , 12H , 13H
Potensial Elektroda
0
Potensial Iobisasi (kJ/mol)
56.9 kJ/mol

 Sifat Kimia
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, hidrogen adalah unsur teringan di dunia.
Kelarutan dan karakteristik hidrogen dengan berbagai macam logam merupakan subyek yang sangat penting dalam bidang metalurgi (karena perapuhan hidrogen dapat terjadi pada kebanyakan logam ) dan dalam riset pengembangan cara yang aman untuk meyimpan hidrogen sebagai bahan bakar. Hidrogen sangatlah larut dalam berbagai senyawa yang terdiri dari logam tanah nadir dan logam transisidan dapat dilarutkan dalam logam kristal maupun logam amorf. Kelarutan hidrogen dalam logam disebabkan oleh distorsi setempat ataupun ketidakmurnian dalam kekisi hablur logam.
 
 
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.
Hidrida merupakan nama yang diberikan untuk ion negatif hidrogen H . Walaupun ion ini tidak akan ada tanpa kondisi yang khusus, istilah hidrida digunakan secara luas untuk menyebut sebuah senyawa hidrogen dengan unsur lain, terutama untuk unsur golongan 1–16. Senyawa-senyawa yang dibentuk oleh hidrogen sangatlah banyak, melebihi senyawa yang dapat dibentuk oleh unsur lain.
Berbagai macam hidrida logam sedang dikaji untuk digunakan sebagai penyimpan hidrogen dalam sel bahan bakar mobil listrik dan dalam baterai. Golongan hidrida 14 sangatlah penting dalam teknologi penyimpanan energi listrik dalam baterai. Ia juga memiliki peran yang penting dalan kimia organik sebagai reduktor kuat.
Setiap unsur dalam tabel periodik (kecuali beberapa gas mulia) dapat membentuk satu atau lebih hidrida. Senyawa-senyawa ini dapat diklasifikasikan ke dalam tiga kelompok menurut sifat-sifat ikatan kimianya:
Hidrida salin, yang mempunyai sifat-sifat ionik secara signifikan
Hidrida kovalen, yang meliputi hidrokarbon dan senyawa lainnya
Hidrida interstitial (selitan), yang mempunyai ikatan logam.
 
Terkecuali elektrida, ion hidrida merupakan anion paling sederhana yang dapat terbentuk, yakni terdiri dari dua elektron dan sebuah proton. Hidrogen memilikiafinitas elektron yang cukup rendah, 72.77 kJ/mol, sehingga hidrida bersifat sangat basa dan tidak akan ditemukan dalam larutan. Walaupun demikian, reaksi yang melibatkan hidrida dalam larutan tetap ada, sama seperti proton yang sangat asam sehingga tidak bisa ditemukan dalam larutan. Reaktivitas ion hidrida hipotetis didominasi oleh protonasi eksotermik, menghasilkan dihidrogen:
H + H+ H2; ΔH = 1676 kJ/mol
Oleh karena itu, ion hidrida merupakan salah satu basa paling kuat yang dikenal. Ia akan menarik proton dari hampir seluruh senyawa yang mengandung hidrogen. Afinitas elektron hidrogen yang rendah dan ikatan H–H bond ( HBE = 436 kJ/mol) yang kuat berarti ion hidrida juga merupakan reduktor yang kuat:
H2 + 2e 2H ; Eo = 2.25 V
 
Hidrokarbon
Dalam bidang organic senyawa hidrokarbon 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 halida 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.
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.
 
 
 
 
Senyawa kovalen dan Senyawa Organik
Hidrogen dapat membentuk saenyawa yang lebih elektronegatif seperti halogen (F, Cl, Br, I); dalam senyawa ini hidrogen memiliki muatan parsial positif. 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. Hidrogen juga membentuk senyawa dengan unsur yang kurangelektronegatif seperti logam dan metaloid, yang mana hidrogen memiliki muatan parsial negatif. Senyawa ini dikenal dengan nama hidrida.
Hidrogen membentuk senyawa yang sangat banyak dengan karbon. Oleh karena asosiasi senyawa itu dengan kebanyakan zat hidup, senyawa ini disebut sebagai senyawa organik. Studi sifat-sifat senyawa tersebut disebut kimia organic dan studi dalam konteks kehidupan organisme dinamakan biokimia.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.
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.
 
Proton dan Asam
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+. Proton H+ tidak dapat ditemukan berdiri sendiri dalam laurtan karena ia memiliki kecenderungan mengikat pada atom atau molekul yang memiliki elektron. Untuk menghindari kesalahpahaman akan "proton terlarut" dalam larutan, larutan asam sering dianggap memiliki ion hidronium (H3O+) yang bergerombol membentuk H9O4+. Ion oksonium juga ditemukan ketika air berada dalam pelarut lain.
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.
 
Hidrida ionik
Pada hidrida ionik atau salin, hidrogen dianggap sebagai pseudohalida. Hidrida salin tidak larut dalam pelarut konvensional, yang merefleksikan struktur nonmolekul senyawa ini. H mempunyai konfigurasi elektron helium yang stabil dengan orbital 12 yang penih. Hidrida ionik juga mempunyai sifat logam elektropositif, biasanyalogam alkali atau logam alkali tanah.
Hidrida-hidrida ini disebut sebagai biner jika ia melibatkan dua unsur termasuk hidrogen. Rumus kimia untuk hidrida biner ionik umumnya adalah MH (seperti padaLiH). Semakin tinggi muatan logam meningkat, semakin kovalen ikatan M-H, seperti yang terdapat pada MgH2 dan AlH3. Hidrida ionik umumnya ditemukan sebagaireagen basa dalam sintesis organik:
C6H5C(O)CH3 + KH C6H5C(O)CH2K + H2
Reaksi seperti ini heterogen karena KH tidak larut. Pelarut yang umumnya digunakan dalam reaksi seperti ini adalah eter. Air tidak dapat digunakan sebagai media hidrida ionik murni atau LAH karena ion hidrida merupakan basa yang lebih kuat daripadahidroksida. Gas hidrogen dilepaskan pada reaksi asam-basa ini:
NaH + H2O H2 (gas) + NaOH ΔH = 83.6 kJ/mol, ΔG = 109.0 kJ/mol
Hidrida logam alkali bereaksi dengan logam halida. Litium aluminium hidrida(sering disingkat sebagai LAH) didaptakan dari reaksi LiH dengan aluminium klorida.
4 LiH + AlCl3 LiAlH4 + 3 LiCl
 
 
Hidrida kovalen
Pada hidrida kovalen, hidrogen berikatan secara kovalen dengan unsur yang lebihpositif, seperti pada unsur boron, aluminium, dan unsur golongan 4-7 sertaberilium. Senyawa yang umumnya ditemukan meliputi hidrokarbon dan amonia. Hidrida kovalen netral yang berupa molekul biasanya mudah menguap pada suhu kamar dan tekanan atmosfer. Beberapa hidrida kovelan tidak mudah menguap karena hidrida tersebut bersifat polimerik, seperti pada hidrida aluminium dan berilium. Dengan menggantikan beberap atom hidrogen pada senyawa ini dengan ligan yang lebih besar, bisa didapatkan turunan senyawa molekuler. Sebagai contoh,diisobutilaluminium hidrida (DIBAL) terdiri dari duan pusat aluminium yang berjembatan dengan ligan hidrida. Hidrida yang larut dalam pelarut umum sering digunakan dalam sintesis organik, misalnya natrium borohidrida (NaBH4), litium aluminium hidrida.
 
Kompleks hidrido logam transisi
 
Hidrida logam transisi
Kebanyakan kompleks logam transisi membentuk senyawa yang mengandung satu atau lebih ligan hidrida. Biasanya senyawa ini dibahas dalam konteks kimia organologam. Senyawa ini merupakan zat antara dalam banyak proses industrik yang bergantung pada katalis logam, seperti pada hidroformilasi, hidrogenasi, danhidrodesulfurisasi.
Deprotonasi kompleks dihidrogen menghasilkan hidrida logam.
Dua contoh terkenal dari hidrida logam transisi adalah HCo(CO)4 dan H2Fe(CO)4. Kedua hidrida tersebut bersifat asam. Anion [ReH9]2 adalah contoh langka hidrida logam molekuler.
 
Hidrida interstitial logam transisi
Secara struktural berhubungan dengan hidrida salin, logam transisi membentuk hidrida biner yang sering kali bersifat non-stoikiometrik, dengan jumlah atom hidrogen yang bervariasi dalam kekisi kristalnya, di mana mereka dapat bermigrasi melalui kekisi ini. Dalam teknik material, fenomena perapuhan hidrogen disebabkan oleh hidrida interstitial. Paladium menyerap sejumlah volume hidrogen yang 900 kali lebih besar dari dirinya sendiri pada suhu kamar, membentuk paladium hidrida. Gas hidrogen yang dilepaskan proposional terhadap temperatur dan tekanan, namun tidak terhadap komposisi kimia.
Hidrida interstitial menunjukkan beberapa potensi sebagai penyimpan hidrogenyang aman. Selama 25 tahun, banyak hidrida interstitial yang dikembangkan yang dapat menyerap dan melepaskan hidrogen pada temperatur kamar dan tekanan atmosfer. Namun aplikasi hidrida ini sangatlah terbatas, karena hanya dapat menyimpan hidrogen sekitar 2% beratnya.

 
BAB III ISOTOP HIDROGEN DAN IKATAN HIDROGEN
 
Isotop Hidrogen
Isotop adalah unsur yang memiliki nomor atom yang sama, tatapi massanya berbeda. Perbedaan tersebut terjadi karena jumlah neutron berbeda.
Hidrogen di alam memiliki 3 isotop yaitu 1H, 2H, dan 3H.
1H adalah isotop hidrogen dengan kelimpahan yang paling melimpah dimana kelimpahannya adalah 99,98%. Oleh karena isotop ini memiliki 1 proton dan 1 elektron maka nama lainnya adalah protium.
 2H, yang dikenal dengan nama Deuterium dengan intinya terdiri dari 1 proton dan 1 neutron. Deuterium bukanlah radioaktif dan tidak berbahaya. Isotop ini dipakai sebagai penanda dalam sintesis senyawa organik. Deuterium dalam bentuk2H2O sering juga dipakai sebagai pendingin dalam reaktor nuklir dan juga dipakai untuk reaksi fusi.
3H disebut sebagai Tritium yang mengandung 2 neutron dan 1 proton dalam intinya dan bersifat radioaktif dan meluruh menjadi Helium-3 dengan memancarkan sinar beta. Tritium banyak digunakan sebagai pelacak dalam bidang geokimia dan juga sebagai penanda dalam eksperimen kimia maupun biologi.
 
Hidrogen molekuler merupakan diatomik dan ada di dua bentuk dimana disebut dengan ortho dan para. Dalam ortho, spin inti hidrogen mempunyai direksi yang sama, dimana hidrogen para spin inti hidrogen saling bertolak belakang. Dalam temperatur ruang dan diatas temperatur ruang hidrogen luar biasa, perbandingan ortho dan para dalamn campuran yang seimbang adalah 3:1. Variasi perbandingan keseimbangan dengan temperatur, persentasi dari bentuk para meningkat dengan menurunnya temperatur. Konversi satu bentuk ke bentuk yang lain sangat lambat, kecuali bila ditambahkan dengan adanya suatu katalis tertentu. Kekurangan dari katalis, hidrogen para berupa seperti gas tidak berubah untuk beberapa minggu pada temperatur yang tetap, perubahan bentuk pada campuran yang seimbang dikatalis dengan substansi paramagnetik. Sifat fisik dari 2 macam hidrogen berbeda, seperti ditunjukkan pada tabel berikut:
 
H2 biasa
Para
Ortho
m.p (oK)
13,95
13,83
13,99
b.p (oK) pada 760mm
20,39
20,26
20,43

Ikatan Hidrogen
Ikatan hidrogen adalah sejenis gaya tarik antarmolekul yang terjadi antara dua muatan listrik parsial dengan polaritas yang berlawanan. Walaupun lebih kuat dari kebanyakan gaya antarmolekul, ikatan hidrogen jauh lebih lemah dari ikatan kovalendan ikatan ion. Dalam makromolekul seperti protein dan asam nukleat, ikatan ini dapat terjadi antara dua bagian dari molekul yang sama. dan berperan sebagai penentu bentuk molekul keseluruhan yang penting.
Ikatan hidrogen terjadi ketika sebuah molekul memiliki atom N, O, atau F yang mempunyai pasangan elektron bebas (lone pair electron). Hidrogen dari molekul lain akan berinteraksi dengan pasangan elektron bebas ini membentuk suatu ikatan hidrogen dengan besar ikatan bervariasi mulai dari yang lemah (1-2 kJ mol-1) hingga tinggi (>155 kJ mol-1).
Kekuatan ikatan hidrogen ini dipengaruhi oleh perbedaan elektronegativitas antara atom-atom dalam molekul tersebut. Semakin besar perbedaannya, semakin besar ikatan hidrogen yang terbentuk.
Ikatan hidrogen mempengaruhi titik didih suatu senyawa. Semakin besar ikatan hidrogennya, semakin tinggi titik didihnya. Namun, khusus pada air (H2O), terjadi dua ikatan hidrogen pada tiap molekulnya. Akibatnya jumlah total ikatan hidrogennya lebih besar daripada asam florida (HF) yang seharusnya memiliki ikatan hidrogen terbesar (karena paling tinggi perbedaan elektronegativitasnya) sehingga titik didih air lebih tinggi daripada asam florida.
Aturan keperiodikan dari senyawa golongan VA, VIA, VIIA untuk titik didih mengalami penyimpangan atau anomali.
 
Titik didih : H2O>H2S HF>HCl NH3>PH3  
Sifat sifat Ikatan Hidrogen
Wujud cair, ikatan hidrogen antara satu molekul H2O dengan molekul H2O yang lain mudah putus, akibat gerak termal atom-atom H dan O. Namun dapat tersambung dengan molekul H2O yang letaknya relatif lebih jauh.
Wujud padat, ikatan hidrogennya lebih stabil karena energi termalnya lebih rendah dari energi ikat hidrogen : kristal es (suhunya lebih rendah).
 
 
 
BAB IV PEMBUATAN HIDROGEN
 
Ada beberapa metode pembuatan gas hidrogen yang telah kita kenal. Namun semua metode pembuatan tersebut prinsipnya sama, yaitu memisahkan hidrogen dari unsur lain dalam senyawanya.
Tiap-tiap metode memiliki keunggulan dan kekurangan masing-masing. Tetapi secara umum parameter yang dapat dipertimbangkan dalam memilih metode pembuatan H2 adalah biaya, emisi yang dihasilkan, kelaikan secara ekonomi, skala produksi dan bahan baku.
 
Steam Reforming
Dalam proses ini, gas alam seperti metana, propana atau etana direaksikan dengan steam (uap air) pada suhu tinggi (700~1000oC) dengan bantuan katalis, untuk menghasilkan hidrogen, karbon dioksida (CO2) dan karbon monoksida (CO). Sebuah reaksi samping juga terjadi antara karbon monoksida dengan steam, yang menghasilkan hidrogen dan karbon dioksida. Persamaan reaksi yang terjadi pada proses ini adalah:
CH4 + H2O –> CO + 3H2
CO + H2O –> CO2 + H2
Gas hidrogen yang dihasilkan kemudian dimurnikan, dengan memisahkan karbon dioksida dengan cara penyerapan.
Saat ini, steam reforming banyak digunakan untuk memproduksi gas hidrogen secara komersil di berbagai sektor industri, diantaranya industri pupuk dan hidrogen peroksida (H2O2). Akan tetapi metode produksi seperti ini sangat tergantung dari ketersediaan gas alam yang terbatas, serta menghasilkan gas CO2, sebagai gas efek rumah kaca.
 
Gasifikasi Biomasa
Metode yang kedua adalah gasifikasi biomasa atau bahan alam seperti jerami, limbah padat rumah tangga atau kotoran. Di dalam prosesnya, bahan-bahan tadi dipanaskan pada suhu tinggi dalam sebuah reaktor. Proses pemanasan ini mengakibatkan ikatan molekul dalam senyawa yang ada menjadi terpecah dan menghasilkan campuran gas yang terdiri dari hidrogen, karbon monoksida dan metana.
Selanjutnya dengan cara yang sama seperti pada steam reforming, metana yang dihasilkan diubah menjadi gas hidrogen.
Gasifikasi biomasa atau bahan organik memiliki beberapa keunggulan, antara lain menghasilkan lebih sedikit karbon dioksida, sumber bahan baku yang berlimpah dan terbarukan, bisa diproduksi di hampir seluruh tempat di dunia serta biaya produksi yang lebih murah.
Gasifikasi Batu Bara
Gasifikasi batu bara merupakan metode pembuatan gas hidrogen tertua. Biaya produksinya hampir dua kali lipat dibandingkan dengan metode steam reforming gas alam. Selain itu, cara ini pula menghasilkan emisi gas buang yang lebih signifikan. Karena selain CO2 juga dihasilkan senyawa sulfur dan karbon monoksida.
Melalui cara ini, batu bara pertama-tama dipanaskan pada suhu tinggi dalam sebuah reaktor untuk mengubahnya menjadi fasa gas. Selanjutnya, batu bara direaksikan dengan steam dan oksigen, yang kemudian menghasilkan gas hidrogen, karbon monoksida dan karbon dioksida.
 
Elektrolisa Air (H2O)
Elektrolisa air memanfaatkan arus listrik untuk menguraikan air menjadi unsur-unsur pembentuknya, yaitu H2 dan O2. Gas hidrogen muncul di kutub negatif atau katoda dan oksigen berkumpul di kutub positif atau anoda.
Hidrogen yang dihasilkan dari proses electrolisa air berpotensi menghasilkan zero emission, apabila listrik yang digunakan dihasilkan dari generator listrik bebas polusi seperti energi angin atau panas matahari.
Namun demikian dari sisi konsumsi energi, cara ini memerlukan energi listrik yang cukup besar.
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 nuklir disebabkan karena bila menggunakan sumber panas yang lain maka tidak akan bisa menutup biaya peralatan yang tergolong cukup mahal.
 
Skala Laboratorium
a) Dalam skala laboratorium hidrogen 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)
 
b) Sejumlah kecil hidrogen dapat juga diperoleh dengan mereaksikan kalsium hidrida dengan air. Reaksi ini sangat efisien dimana 50% gas hidrogen yang dihasilkan diperoleh dari air.
CaH2(s) + 2 H2O(l) Ca(OH)2(aq) + 2 H2(g)
c) Elektrolisis air juga sering dipakai untuk menghasilkan hidrogen 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 hidrogen dapat dibuat dari hidrokarbon, dari produksi secara biologi melalui bantuan alga dan bakteri, melalui elektrolisis, ataupun termolisis. Produksi hidrogen dari hidrokarbon masih menjadi primadona disebabkan dengan metode ini biasa dihasilkan hidrogen dalam jumlah yang melimpah sehingga metode yang lain perlu dikembangkan lagi akar meningkatkan nilai ekonomi hidrogen.
 
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 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 H2dan CO2 Dengan menggunakan metode tertentu CO2 dapat dipisahkan sehingga kita hanya mendapatkan gas H2 nya 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
BAB V PENGGUNAAN HIDROGEN
 
Hidrogen dapat digunakan untuk berbagai keperluan, anatar lain sebagai berikut.
Dalam penyelidikan ilmu cuaca dan kosmis, dipergunakan sebagai bahan pengisi balon udara karena massanya yang ringan.
Dalam pembuatan amoniak ( proses haber )
 
N2(g)+3H2(g)2NH3
Pembuatan asam nitrat
Pembuatan "petrolium"
Batubara diubah menjadi minyak hidro karbon, kemudian disuling menjadi bensin dan minyak pelumas.
 
Dalam industri margarin, pemasakn lemak dan sabun. Lemak yang boleh dimakan seperti margarin dapat dibuat dari minyak tanaman dengan mengerjakannya bersama hidrogen di bawah tekanan dan adanya katalisator nikel pada suhu 200 ° C.
Hidrogen diperlukan pada peniup api oksi – hidrogen guna penyambungan atau peleburan logam.
 
 
Dalam industri amoniak dan persenyawaan nitrogen yang lain, yang diperlukan bagi penyediaan pupuk pertanian, bahan peledak, dan dalam industri plastk.
 
Dalam industri HCl dan asam klorida secara sintesis serta dalam industri kimia organik.
 
Hidrogen cair dipergunakan sebagai bahan bakar dalam industri peroketan, seperti pada roket – roket ruang angkasa Amerika Serikat.
 
Hidrogen banyak digunakan dalam pemurnian minyak bumi untuk menghilangkan ikatan rangkap karbon – karbon ( yang terdapat dalam hidrokarbon tak jenuh ) menjadi ikatan tunggal / senyawa jenuh.
 
Isotop hidrogen 2H digunakan sebagai pendingin pada reaktor nuklir.
 
Isotop hidrogen 3H digunakan dalam reaksi fusi nuklir, sebagai penanda dalam geokimia isotop, juga terspesialisasi pada peralatan self-powered ligthing, serta sebagai radiolabel dalam penandaan percobaan kimia.
 
H2 cair digunakan di riset kriogenik yang meliputi kajian superkonduktivitas.
Hidrogen digunakan sebagai bahan campuran dengan nitrogen ( disebut forming gas ) sebagai gas perunut pendeteksian kebocoran gas yang kecil.
 
 
Hidrogen adalah zat aditif ( E949 ) yang diperbolehkan penggunaannya dalam ujicoba kebocoran makanan dan sebagai antioksidan.
Hidrogen dapat digunakan sebagai baha bakar karena hidrogen dapat terbakar dalam oksigen membentuk air dan menghasilkan energi. Hidrogen bersama oksigen dapat digunakan dalam sel bahan bakar menghasilkan energi listrik.
Gas hidrogen sangat mudah terbakar dan akan terbakar pada konsentrasi serendah 4% H2 di udara bebas. Entalpi pembakaran hidrogen adalah -286 kJ/mol. Hidrogen terbakar menurut persamaan kimia:
2 H2(g) + O2(g) 2 H2O(l) + 572 kJ (286 kJ/mol)
Ketika dicampur dengan oksigen dalam berbagai perbandingan, hidrogen meledak seketika disulut dengan api dan akan meledak sendiri pada temperatur 560 °C. 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.
Seorang berkebangsaan Inggris yang bernama Sir William Robert Grove, manusia pertama pembuat alat sederhana yang belakangan disebut sebagai fuel cell. Fuel cellyang dibuatnya pada tahun 1839 terdiri atas elektrolit asam, keping platina serta tabung gas oksigen dan hidrogen, dan menggunakan prinsip reaksi balik terbentuknya air, di mana hidrogen dan oksigen akan bereaksi dalam larutan asam dan menghasilkan air dan listrik dengan arus sebesar 12 ampere dan tegangan 1,8 volt. Sel ini kemudian disebut sebagai Grove`s Battery atau baterai Grove atau sel Grove.
Hidrogen bukanlah sumber energi (energy source) melainkan pembawa energi (energy carrier), artinya hidrogen tidak tersedia bebas di alam atau dapat ditambang layaknya sumber energi fosil. Hidrogen harus diproduksi. Produksi hidrogen dari H2O merupakan cara utama untuk mendapatkan hidrogen dalam skala besar, tingkat kemurnian yang tinggi dan tidak melepaskan CO2. Kendala utama metode elektrolisis H2O konvensional saat ini adalah efisiensi total yang rendah (-30%), umur operasional electrolyzer yang pendek dan jenis material yang ada di pasaran masih sangat mahal. Kendala-kendala tersebut membuat hidrogen belum cukup ekonomis untuk dapat bersaing dengan bahan bakar konvensional saat ini.
Kinerja Hydrogen Fuel Cell serupa seperti aki (accu), hanya saja reaksi kimia penghasil tenaga listrik ini menggunakan hidrogen dan oksigen yg bereaksi dan mengalir seperti aliran bahan bakar melalui sebuah motor bakar. Namun tidak ada pembakaran dalam proses pembangkit listrik ini.Dengan demikian limbah dari proses ini hanyalah air murni yang aman untuk dibuang.
Secara sederhana proses dapat dijelaskan sebagai berikut::
Hidrogen (yang ditampung dalam sebuah tabung khusus) dialirkan melewati anoda, dan oksigen/udara dialirkan pada katoda
Pada anoda dengan bantuan katalis platina Pt hidrogen dipecah menjadi bermuatan positif (ion/proton), dan negatif (elektron)
Membran di tengah-tengah anoda-katoda kemudian hanya berfungsi mengalirkan proton menyebrang ke katoda
Proton yang tiba di katoda bereaksi dengan udara dan menghasilkan air
Tumpukan elektron di anoda akan menjadi energi listrik searah yang dapat menyalakan lampu.
Hidrogen apabila digunakan sebagai bahan bakar memiliki beberapa keuntungan, di antaranya:
Suatu cuplikan hidrogen jika dibakar akan menghasilkan energi tiga kali lipat dibandingkan energi yang dihasilkan bensin dengan berat yang sama.
Dalam mesin kendaraan bermotor, hidrogen akan terbakar lebih efisien dibandingkan bahan bakar yang lain.
Bahan bakar hidrogen tidak menimbulkan polusi karena hanya menghasilkan uap air sebagai gas emisinya.
Mesin yang menggunakan bensin mudah diubah agar dapat menggunakan bahan bakar lain.
Penyimpanan hidrogen sebagai bahan bakar dilakukan dengan cara hidrogen dicairkan dan disimpan dalam suhu -253oC. Namun cara ini memerlukan tanki khusus sehingga proses penyimpanan menelan biaya yang mahal. Selain itu, hidrogen dapat juga disimpan dalam tanki bertekanan tinggi atau dalam aliasi logam.