HIDROGEN: SEJARAH, STRUKTUR, SIFAT DAN KEGUNAAN - KIMIA - 2025

The hidrogen adalah unsur kimia yang diwakili oleh simbol H. atom adalah yang terkecil dari semua dan merupakan salah satu yang dimulai tabel periodik, tidak peduli di mana diposisikan. Terdiri dari gas tak berwarna yang terdiri dari molekul H ₂ diatomik , dan bukan atom H yang terisolasi; seperti dengan gas mulia He, Ne, Ar, antara lain.

Dari semua unsur, ini mungkin yang paling simbolis dan menonjol, tidak hanya karena sifat-sifatnya dalam kondisi terestrial atau drastis, tetapi juga karena kelimpahan dan keragaman senyawanya yang sangat besar. Hidrogen adalah gas, meskipun lembam jika tidak ada api, mudah terbakar dan berbahaya; sedangkan air, H ₂ O, adalah pelarut universal dan kehidupan.

Silinder merah digunakan untuk menyimpan hidrogen. Sumber: Famartin

Dengan sendirinya, hidrogen tidak menunjukkan kekhasan visual yang patut dikagumi, karena hanya berupa gas yang disimpan dalam silinder atau botol merah. Namun, sifat dan kemampuannya untuk berikatan dengan semua elemen itulah yang membuat hidrogen menjadi istimewa. Dan semua ini, meskipun faktanya hanya memiliki satu elektron valensi.

Jika hidrogen tidak disimpan dalam silindernya masing-masing, ia akan lepas ke luar angkasa sementara sebagian besar bereaksi saat naik. Dan meskipun ia memiliki konsentrasi yang sangat rendah di udara yang kita hirup, di luar Bumi dan di seluruh Alam Semesta, ia adalah unsur yang paling melimpah, ditemukan di bintang-bintang dan dianggap sebagai unit konstruksinya.

Sebaliknya, di Bumi, ia mewakili sekitar 10% dari total massanya. Untuk memvisualisasikan apa artinya ini, harus diperhatikan bahwa permukaan planet secara praktis tertutup oleh lautan dan hidrogen ditemukan dalam mineral, minyak mentah, dan senyawa organik apa pun, selain menjadi bagian dari semua makhluk hidup.

Seperti karbon, semua biomolekul (karbohidrat, protein, enzim, DNA, dll.) Memiliki atom hidrogen. Oleh karena itu, ada banyak sumber untuk mengekstrak atau memproduksinya; namun, hanya sedikit yang mewakili metode produksi yang benar-benar menguntungkan.

Sejarah

Identifikasi dan nama

Meskipun pada tahun 1671 Robert Boyle pertama kali menyaksikan gas yang terbentuk ketika serbuk besi bereaksi dengan asam, ilmuwan Inggris Henry Cavendish, pada tahun 1766, yang mengidentifikasinya sebagai zat baru; "udara yang mudah terbakar".

Cavendish menemukan bahwa ketika udara yang seharusnya mudah terbakar ini terbakar, air dihasilkan. Berdasarkan pekerjaan dan hasilnya, kimiawan Perancis Antoine Lavoisier memberi gas ini nama hidrogen pada tahun 1783. Secara etimologis artinya berasal dari kata Yunani 'hidro' dan 'gen': membentuk air.

Elektrolisis dan bahan bakar

Segera setelah itu, pada tahun 1800, ilmuwan Amerika William Nicholson dan Sir Anthony Carlisle menemukan bahwa air dapat terurai menjadi hidrogen dan oksigen; mereka telah menemukan elektrolisis air. Kemudian, pada tahun 1838, ahli kimia Swiss Christian Friedrich Schoenbein memperkenalkan gagasan memanfaatkan pembakaran hidrogen untuk menghasilkan listrik.

Popularitas hidrogen sedemikian rupa sehingga bahkan penulis Jules Verne menyebutnya sebagai bahan bakar masa depan dalam bukunya The Mysterious Island (1874).

Isolasi

Pada tahun 1899, ahli kimia Skotlandia James Dewar adalah orang pertama yang mengisolasi hidrogen sebagai gas cair, menjadi orang yang mampu mendinginkannya cukup untuk memperolehnya dalam fase padat.

Dua saluran

Sejak saat itu, sejarah hidrogen menghadirkan dua saluran. Di satu sisi, perkembangannya dalam bidang bahan bakar dan baterai; dan di sisi lain, pemahaman tentang struktur atomnya dan bagaimana ia merepresentasikan elemen yang membuka pintu ke fisika kuantum.

Struktur dan konfigurasi elektronik

Molekul hidrogen diatomik. Sumber: Benjah-bmm27

Atom hidrogen sangat kecil dan hanya memiliki satu elektron untuk membentuk ikatan kovalen. Ketika dua atom ini bergabung, mereka menghasilkan molekul diatomik, H ₂ ; ini adalah gas hidrogen molekuler (gambar atas). Setiap bola putih berhubungan dengan atom H individu, dan bola global berhubungan dengan orbital molekul.

Jadi, hidrogen sebenarnya terdiri dari molekul H _{2 yang} sangat kecil yang berinteraksi melalui gaya hamburan London, karena mereka tidak memiliki momen dipol karena mereka homonuklir. Oleh karena itu, mereka sangat "gelisah" dan menyebar dengan cepat di ruang angkasa karena tidak ada gaya antarmolekul yang cukup kuat untuk memperlambatnya.

Konfigurasi elektron hidrogen hanya 1s ¹ . Orbital ini, 1s, adalah hasil dari penyelesaian persamaan Schrödinger yang terkenal untuk atom hidrogen. Dalam H _2, dua orbital 1s tumpang tindih untuk membentuk dua orbital molekul: satu orbital ikatan dan yang lainnya anti-ikatan, menurut teori orbital molekul (TOM).

Orbital ini memungkinkan atau menjelaskan keberadaan ion H ₂ ⁺ atau H ₂ ^- ; Namun, kimia hidrogen didefinisikan dalam kondisi normal oleh ion H ₂ atau H ⁺ atau H ^- .

Bilangan oksidasi

Dari konfigurasi elektron untuk hidrogen, 1s ¹ , sangat mudah untuk memprediksi kemungkinan bilangan oksidasinya; mengingat, tentu saja, orbital 2s berenergi lebih tinggi tidak tersedia untuk ikatan kimia. Jadi, dalam keadaan basal, hidrogen memiliki bilangan oksidasi 0, H ⁰ .

Jika elektron kehilangan satu-satunya elektron, orbital 1s tetap kosong dan ion atau kation hidrogen, H ⁺ , terbentuk dengan mobilitas tinggi di hampir semua media cair; terutama airnya. Dalam hal ini, bilangan oksidasinya +1.

Dan ketika yang terjadi sebaliknya, yaitu mendapatkan elektron, orbital tersebut sekarang akan memiliki dua elektron dan akan menjadi 1s ² . Kemudian bilangan oksidasi menjadi -1, dan sesuai dengan anion hidrida, H ^- . Perlu dicatat bahwa H ^- isoelektronik terhadap gas mulia helium, He; artinya, kedua spesies memiliki jumlah elektron yang sama.

Singkatnya, bilangan oksidasi untuk hidrogen adalah: +1, 0 dan -1 dan molekul H ₂ memiliki dua atom hidrogen H ⁰ .

Tahapan

Fase hidrogen yang disukai, setidaknya dalam kondisi terestrial, adalah fase gas, karena alasan yang sebelumnya terpapar. Namun, ketika suhu turun di urutan -200 ° C, atau jika tekanan meningkat ratusan ribu kali lipat dari atmosfer, hidrogen dapat mengembun atau mengkristal menjadi fase cair atau padat.

Dalam kondisi ini, molekul H ₂ dapat disejajarkan dengan berbagai cara untuk menentukan pola struktur. Gaya hamburan London sekarang menjadi sangat terarah dan oleh karena itu geometri atau simetri yang diadopsi oleh pasangan H ₂ muncul .

Misalnya, dua pasang H ₂ , itu sama dengan tulisan (H ₂ ) ₂ mendefinisikan persegi simetris atau asimetris. Sementara itu, tiga pasang H ₂ atau (H ₂ ) ₃ mendefinisikan segi enam, sangat mirip dengan karbon dalam kristal grafit. Faktanya, fase heksagonal ini adalah fase utama atau paling stabil untuk hidrogen padat.

Tetapi bagaimana jika padatan tidak terdiri dari molekul tetapi dari atom H? Kemudian kita akan berurusan dengan hidrogen metalik. Atom H ini, mengingat bola putih, dapat mendefinisikan fasa cair dan padatan logam.

Properti

Penampilan fisik

Hidrogen adalah gas yang tidak berwarna, tidak berbau, dan tidak berasa. Oleh karena itu, kebocoran merupakan risiko ledakan.

Titik didih

-253 ° C.

Titik lebur

-259 ° C.

Titik nyala dan stabilitas

Ia meledak pada hampir semua suhu jika ada percikan api atau sumber panas di dekat gas, bahkan sinar matahari dapat menyulut hidrogen. Namun, selama disimpan dengan baik, itu adalah gas yang reaktif buruk.

Massa jenis

0,082 g / L. Ini 14 kali lebih ringan dari udara.

Kelarutan

1,62 mg / L pada 21 ºC dalam air. Ini, secara umum, tidak larut dalam kebanyakan cairan.

Tekanan uap

1,24 · 10 ⁶ mmHg pada 25 ° C Nilai ini memberikan gambaran tentang seberapa tertutupnya silinder hidrogen untuk mencegah gas keluar.

Suhu nyala otomatis

560v ° C.

Elektronegativitas

2.20 pada skala Pauling.

Panas pembakaran

-285,8 kJ / mol.

Panas penguapan

0,90 kJ / mol.

Panas fusi

0,117 kJ / mol.

Isotop

Atom hidrogen "normal" adalah protium, ¹ H, yang menyusun sekitar 99.985% hidrogen. Dua isotop lainnya untuk unsur ini adalah deuterium, ² H, dan tritium, ³ H. Isotop ini berbeda dalam jumlah neutron; deuterium memiliki satu neutron, sedangkan tritium memiliki dua.

Isomer putar

Ada dua jenis molekul hidrogen, H ₂ : ortho dan para. Pertama, dua spin (proton) atom H berorientasi ke arah yang sama (paralel); sedangkan pada putaran kedua, kedua putaran berlawanan arah (antiparalel).

Hidrogen-para lebih stabil dari dua isomer; Tetapi dengan meningkatnya suhu, rasio orto: para menjadi 3: 1, yang berarti bahwa isomer hidrogen-orto mendominasi yang lain. Pada suhu yang sangat rendah (mendekati nol absolut, 20K), sampel hidrogen-para murni dapat diperoleh.

Tata nama

Nomenklatur untuk merujuk pada hidrogen adalah salah satu yang paling sederhana; meskipun tidak sama untuk senyawa anorganik atau organiknya. H ₂ bisa disebut dengan nama-nama berikut selain 'hidrogen':

-Hidrogen molekul

-Dihidrogen

Molekul hidrogen diiatomik.

Untuk ion H ^+, namanya adalah proton atau ion hidrogen; dan jika berada dalam media berair, H ₃ O ⁺ , kation hidronium. Sedangkan ion H ^- adalah anion hidrida.

Atom hidrogen

Atom hidrogen diwakili oleh model planet Bohr. Sumber: Pixabay.

Atom hidrogen adalah yang paling sederhana dari semuanya dan biasanya direpresentasikan seperti pada gambar di atas: sebuah inti dengan proton tunggal (untuk ¹ H), dikelilingi oleh elektron yang menarik orbit. Semua orbital atom untuk unsur-unsur lain dalam tabel periodik telah dibangun dan diperkirakan pada atom ini.

Representasi yang lebih tepat untuk pemahaman atom saat ini adalah bola yang pinggirannya ditentukan oleh elektron dan awan probabilistik elektron (orbital 1s).

Di mana menemukan dan produksi

Bidang bintang: sumber hidrogen yang tidak ada habisnya. Sumber: Pixabay.

Hidrogen, meskipun mungkin pada tingkat yang lebih rendah dibandingkan dengan karbon, adalah unsur kimia yang tidak diragukan lagi ada di mana-mana; di udara, menjadi bagian dari air yang mengisi lautan, samudra, dan tubuh kita, dalam minyak mentah dan mineral, serta senyawa organik yang berkumpul untuk menghasilkan kehidupan.

Baca saja kumpulan senyawa untuk menemukan atom hidrogen di dalamnya.

Pertanyaannya bukanlah seberapa banyak tetapi bagaimana itu hadir. Misalnya, molekul H ₂ sangat mudah menguap dan reaktif jika terkena sinar matahari, yang sangat rendah di atmosfer; oleh karena itu, ia bereaksi untuk bergabung dengan elemen lain dan dengan demikian memperoleh stabilitas.

Meskipun lebih tinggi di kosmos, hidrogen sebagian besar ditemukan sebagai atom netral, H.

Faktanya, hidrogen dianggap, dalam fase metalik dan kondensasinya, sebagai unit pembangun bintang. Karena jumlahnya yang tak terukur dan, karena kekuatannya dan dimensinya yang sangat besar, mereka menjadikan unsur ini paling melimpah di seluruh alam semesta. Diperkirakan bahwa 75% dari materi yang diketahui sesuai dengan atom hidrogen.

alam

Mengumpulkan atom hidrogen yang lepas di ruang angkasa terdengar tidak praktis dan mengekstraksi mereka dari pinggiran Matahari, atau nebula, tidak dapat dijangkau. Di Bumi, di mana kondisinya memaksa elemen ini ada sebagai H ₂ , ia dapat diproduksi melalui proses alam atau geologi.

Misalnya, hidrogen memiliki siklus alaminya sendiri di mana bakteri, mikroba, dan alga tertentu dapat menghasilkannya melalui reaksi fotokimia. Penskalaan proses alami dan paralelnya termasuk penggunaan bioreaktor, di mana bakteri memakan hidrokarbon untuk melepaskan hidrogen yang terkandung di dalamnya.

Makhluk hidup juga merupakan penghasil hidrogen, tetapi pada tingkat yang lebih rendah. Jika tidak demikian, maka tidak mungkin dijelaskan bagaimana gas merupakan salah satu komponen gas dalam perut kembung; yang telah terbukti sangat mudah terbakar.

Akhirnya, perlu disebutkan bahwa dalam kondisi anaerobik (tanpa oksigen), misalnya di lapisan bawah tanah, mineral dapat bereaksi perlahan dengan air untuk menghasilkan hidrogen. Reaksi Fayelita membuktikannya:

3Fe ₂ SiO ₄ + 2 H ₂ O → 2 Fe ₃ O ₄ + 3 SiO ₂ + 3 H ₂

Industri

Meskipun biohidrogen merupakan alternatif untuk menghasilkan gas ini dalam skala industri, metode yang paling banyak digunakan praktis terdiri dari “mengeluarkan” hidrogen dari senyawa yang mengandungnya, sehingga atom-atomnya bersatu dan membentuk H ₂ .

Metode yang paling tidak ramah lingkungan untuk memproduksinya adalah dengan mereaksikan kokas (atau arang) dengan uap super panas:

C (s) + H ₂ O (g) → CO (g) + H ₂ (g)

Demikian pula, gas alam telah digunakan untuk tujuan ini:

CH ₄ (g) + H ₂ O (g) → CO (g) + 3H ₂ (g)

Dan karena jumlah kokas atau gas alam sangat banyak, menghasilkan hidrogen dengan salah satu dari dua reaksi ini menguntungkan.

Metode lain untuk memperoleh hidrogen adalah dengan menerapkan pelepasan listrik ke air untuk memecahnya menjadi bagian-bagian unsurnya (elektrolisis):

2 H ₂ O (l) → 2 H ₂ (g) + O ₂ (g)

Di laboratorium

Hidrogen molekuler dapat disiapkan dalam jumlah kecil di laboratorium mana pun. Untuk melakukan ini, logam aktif harus direaksikan dengan asam kuat, baik dalam gelas kimia atau dalam tabung reaksi. Gelembung yang dapat diamati adalah tanda yang jelas dari pembentukan hidrogen, yang diwakili oleh persamaan umum berikut:

M (s) + nH ⁺ (aq) → M ^{n +} (aq) + H ₂ (g)

Dimana n adalah valensi logam. Misalnya, magnesium bereaksi dengan H ⁺ menghasilkan H ₂ :

Mg (s) + 2H ⁺ (aq) → Mg ²⁺ (aq) + H ₂ (g)

Reaksi

Redoks

Bilangan oksidasi itu sendiri memberikan gambaran sekilas tentang bagaimana hidrogen berpartisipasi dalam reaksi kimia. Bereaksi H ₂ dapat tetap tidak berubah, atau terpecah menjadi ion H ⁺ atau H ^- tergantung pada spesies mana yang mengikatnya; jika mereka lebih atau kurang elektronegatif daripada itu.

H ₂ tidak terlalu reaktif karena kekuatan ikatan kovalennya, HH; Namun, ini bukan halangan mutlak untuk bereaksi dan membentuk senyawa dengan hampir semua elemen pada tabel periodik.

Reaksi yang paling terkenal adalah dengan gas oksigen untuk menghasilkan uap air:

H ₂ (g) + O ₂ (g) → 2H ₂ O (g)

Dan begitulah afinitasnya terhadap oksigen untuk membentuk molekul air yang stabil, sehingga ia bahkan dapat bereaksi dengannya sebagai anion O ^2- dalam oksida logam tertentu:

H ₂ (g) + CuO (s) → Cu (s) + H ₂ O (l)

Perak oksida juga bereaksi atau "direduksi" dengan reaksi yang sama:

H ₂ (g) + AgO (s) → Ag (s) + H ₂ O (l)

Reaksi hidrogen ini sesuai dengan jenis redoks. Yaitu, reduksi-oksidasi. Hidrogen mengoksidasi baik dengan adanya oksigen dan oksida logam dari logam yang kurang reaktif daripada itu; misalnya tembaga, perak, tungsten, merkuri, dan emas.

Penyerapan

Beberapa logam dapat menyerap gas hidrogen untuk membentuk hidrida logam, yang dianggap sebagai paduan. Misalnya, logam transisi seperti paladium menyerap sejumlah besar H _2, mirip dengan spons logam.

Hal yang sama terjadi pada paduan logam yang lebih kompleks. Dengan cara ini hidrogen dapat disimpan dengan cara selain silindernya.

Tambahan

Molekul organik juga dapat "menyerap" hidrogen melalui mekanisme dan / atau interaksi molekuler yang berbeda.

Untuk logam, molekul H ₂ dikelilingi oleh atom logam di dalam kristalnya; sedangkan pada molekul organik, ikatan HH putus untuk membentuk ikatan kovalen lainnya. Dalam arti yang lebih formal: hidrogen tidak diserap, tetapi ditambahkan ke struktur.

Contoh klasiknya adalah penambahan H ₂ ke ikatan rangkap atau rangkap tiga alkena atau alkuna, masing-masing:

C = C + H ₂ → HCCH

C≡C + H ₂ → HC = CH

Reaksi ini juga disebut hidrogenasi.

Pembentukan hidrida

Hidrogen bereaksi langsung dengan unsur-unsur untuk membentuk keluarga senyawa kimia yang disebut hidrida. Mereka terutama terdiri dari dua jenis: saline dan molekuler.

Demikian juga, ada hidrida logam, yang terdiri dari paduan logam yang telah disebutkan bila logam ini menyerap gas hidrogen; dan yang polimer, dengan jaringan atau rantai ikatan EH, di mana E menunjukkan unsur kimianya.

Saline

Dalam hidrida garam, hidrogen berpartisipasi dalam ikatan ionik sebagai anion hidrida, H ^- . Agar ini terbentuk, unsur harus kurang elektronegatif; jika tidak, ia tidak akan melepaskan elektronnya menjadi hidrogen.

Oleh karena itu, garam hidrida hanya terbentuk ketika hidrogen bereaksi dengan logam yang sangat elektropositif, seperti logam alkali dan alkali tanah.

Misalnya, hidrogen bereaksi dengan logam natrium menghasilkan natrium hidrida:

2Na (s) + H ₂ (g) → 2NaH (s)

Atau dengan barium untuk menghasilkan barium hidrida:

Ba (s) + H ₂ (g) → BaH ₂ (s)

Molekuler

Hidrida molekuler bahkan lebih dikenal daripada hidrida ionik. Mereka juga disebut hidrogen halida, HX, ketika hidrogen bereaksi dengan halogen:

Cl ₂ (g) + H ₂ (g) → 2HCl (g)

Di sini hidrogen berpartisipasi dalam ikatan kovalen sebagai H ⁺ ; karena, perbedaan elektronegativitas antara kedua atom tidak terlalu besar.

Air sendiri dapat dianggap sebagai oksigen hidrida (atau hidrogen oksida), yang reaksi pembentukannya telah dibahas. Reaksi dengan belerang sangat mirip untuk menghasilkan hidrogen sulfida, gas yang berbau:

S (s) + H ₂ (g) → H ₂ S (g)

Tetapi dari semua molekul hidrida yang paling terkenal (dan mungkin yang paling sulit untuk disintesis) adalah amonia:

N ₂ (g) + 3H ₂ (g) → 2NH ₃ (g)

Aplikasi

Pada bagian sebelumnya, salah satu kegunaan utama hidrogen telah dibahas: sebagai bahan baku pengembangan sintesis, anorganik atau organik. Pengendalian gas ini biasanya tidak memiliki tujuan lain selain membuatnya bereaksi untuk membuat senyawa selain yang diekstraksi.

Bahan baku

- Ini adalah salah satu reagen untuk sintesis amonia, yang pada gilirannya memiliki aplikasi industri yang tak ada habisnya, dimulai dengan produksi pupuk, bahkan sebagai bahan untuk obat nitrogenat.

- Ini dimaksudkan untuk bereaksi dengan karbon monoksida dan dengan demikian menghasilkan metanol secara masif, sebuah reagen yang sangat penting dalam biofuel.

Agen pereduksi

- Ini adalah agen pereduksi untuk oksida logam tertentu, itulah sebabnya ia digunakan dalam reduksi metalurgi (sudah dijelaskan dalam kasus tembaga dan logam lainnya).

- Kurangi lemak atau minyak untuk menghasilkan margarin.

Industri minyak

Dalam industri minyak, hidrogen digunakan untuk minyak mentah "hydrotreat" dalam proses pemurnian.

Misalnya, ia berupaya untuk memecah molekul besar dan berat menjadi molekul kecil dengan permintaan yang lebih besar di pasar (hydrocracking); melepaskan logam yang terperangkap di kandang petroporfirin (hidrodemetalisasi); menghilangkan atom belerang sebagai H ₂ S (hidrodesulfurisasi); atau mengurangi ikatan rangkap untuk membuat campuran kaya parafin.

Bahan bakar

Hidrogen sendiri adalah bahan bakar yang sangat baik untuk roket atau pesawat ruang angkasa, karena dalam jumlah kecil, saat bereaksi dengan oksigen, melepaskan panas atau energi dalam jumlah besar.

Dalam skala yang lebih kecil, reaksi ini digunakan untuk mendesain sel hidrogen atau baterai. Namun, sel-sel ini menghadapi kesulitan karena tidak dapat menyimpan gas ini dengan baik; dan tantangan untuk sepenuhnya mandiri dari pembakaran bahan bakar fosil.

Sisi positifnya, hidrogen yang digunakan sebagai bahan bakar hanya melepaskan air; bukannya gas yang merupakan sarana pencemaran atmosfer dan ekosistem.

Referensi

1. Menggigil & Atkins. (2008). Kimia anorganik. (Edisi keempat). Mc Graw Hill.
2. Hanyu Liu, Li Zhu, Wenwen Cui dan Yanming Ma. (Nd). Struktur Suhu Kamar Hidrogen Padat pada Tekanan Tinggi. Lab Kunci Negara Bahan Superhard, Universitas Jilin, Changchun 130012, Cina.
3. Pierre-Marie Robitaille. (2011). Hidrogen Metalik Cair: Balok Pembangun untuk Liquid Sun. Departemen Radiologi, Universitas Negeri Ohio, 395 W. 12th Ave, Columbus, Ohio 43210, AS.
4. Grup Bodner. (sf). Kimia Hidrogen. Diperoleh dari: chemed.chem.purdue.edu
5. Wikipedia. (2019). Hidrogen. Dipulihkan dari: en.wikipedia.org
6. Hidrogen Eropa. (2017). Aplikasi Hidrogen. Diperoleh dari: hydrogeneurope.eu
7. Foist Laura. (2019). Hidrogen: Properti & Kejadian. Belajar. Diperoleh dari: study.com
8. Jonas James. (4 Januari 2009). Sejarah hidrogen. Dipulihkan dari: altenergymag.com