hidrogen

1. HIDROGEN

HIdrogen ditemukan Hendry Cavendish (1731-1810) dan merupakan unsur atom yang paling kecil dan paling ringan. Hidrogen terdiri dari kata hidro yang artinya air dan gen yang artinya pembentuk. Jadi di sini hidrogen dapat juga diartikan sebagai unsur pertama pembentuk air. Gas Hidrogen tidak berwarna dan tidak berbau, gas ini sangat mudah terbakar dan bila terbakar akan menghasilkan H₂O. dalam keadaan bebas berupa molekul gas di atom (H₂) dengan titik didih dan titik beku sangat rendah. Titik didihnya -253^o C dan titik bekunya -259^o C. unsure ini paling banyak ada di alam semesta , yaitu sekitar 93%, karena bintang –bintang mengandung Hidrogen sebagai bahan bakar nuklir untuk menghasilkan cahaya. Jumlah atomnya di bumi sekitar 3% dalam bentuk senyawa anorganik (air dan asam) dan senyawa organik. Air mengandung 11% massa Hidrogen karena molekulnya mengandung dua atom Hidrogen satu oksigen. Dalam system periodic Hidrogen terletak pada golongan I A karena mempunyai satu electron, tapi kecenderungannya sama dengan golongan VII A yaitu menerima satu electron dan tidak seperti unsure I A lainnya yang cenderung melepas satu electron. Selain itu elektron Hidrogen dapat ditarik oleh atom lain sehingga menjadi ion H ⁺. Karena itu Hidrogen tidak dapat dimasukan dalam dalam golongan I A dan VII A.

Hidrogen yang terdapat di alam ada tiga isotop yaitu H (hidrogen), H (D= deuterium), dan H (T= tritium), dengan perbandingan :

H : D : T = 10.000.000 : 2.000 : 1

Air yang terbentuk dari deuterium atau D₂O, disebut air berat dengan perbandingan :

H₂O : D₂O = 5.000 : 1

Artinya dalam 5.000 liter air terdapat sekitar 1 liter air berat. T (tritium) bersifat radioaktif dengan waktu paro 12,3 tahun dan dapat dibuat dengan reaksi inti.

Beberapa sifat fisik isotop hidrogen

Isotop	Massa molar (g mol-1)	Titik didih (K)	Energi ikatan (kJ mol -1)
H2	2,02	20,6	436
D2	4,03	23,9	443
T2	6,03	25,2	447

Aspek Kimiawi

Sifat kimiawi atom hidrogen ditentukan oleh tiga tipe proses elektronik yaitu ;

1. Kehilangan satu-satunya elektron valensi. Atom H (1s¹) dapat kehilangan satu elektron sehingga terbentuk ion H⁺ atau tinggal proton saja dengan ukuran yang sangat kecil, jari-jari r~1,5 x 10-5 Å. Oleh karena kecilnya ukuran dan juga muatan, ion hidrogen mempunyai kemampuan yang unik untuk menyipangkan atau mendistorsi awan elektron di sekeliling atom-atom lain.

2. Pengikatan satu elektron. Atom H dapat menerima satu elektron untuk membentuk ion hidrida, H^- dengan konfigurasi elektronik 1s². Tentu saja ion-ion ini hanya didapatkan pada kristal-kristal hdrida dari logam-logam yang sangat elektropositif seperti unsur-unsur golongan alkali dan juga alkali tanah, misalnya NaH dan CaH₂.

3. Pembentukan pasangan elektron sebagai ikatan kovalen tunggal. Atom H dapat bersenyawa tidak hanya dengan atom H sendiri, tetapi juga dengan atom unsur-unsur non logam lain dangan membentuk persekutuan sepasang elektron untuk ikatan kovalen tunggal.

Preparasi Dihidrogen

Oleh karena unsur hidrogen didapat di alam dalam bentuk senyawanya, maka molekul H² harus disediakan atau dibuat dari senyawanya. Dilaboratorium, bahan utamanya adalah air dan asam.

a. Elektrolisis air dengan elektrode Pt/C dan katalisator ellekktrolit garam Na₂SO₄ akan menghasilkan gas hidrogen pada ruang katode dan oksigen pada ruang anode menurut persamaan reaksi berikut :

Katode : 2 H₂O_(l) + 2e 2OH_-(aq) + H_2(g)

Anode : 2OH_-(aq) H2O_(l) + O_2(g) + 2e

b. Reaksi logam dan asam akan menghasilkan garam dan gas hidrogen, dengan syarat logan M harus terletak disebelah kiri H pada deret tegangan Nernst ( deret elektro kimia ) dan asamnya bersifat non oksidator.

Fe_(s) + 2 HCl_(aq) FeCl_2(aq) + H_2(g)

c. Reaksi beberapa logam dengan air adalah :

2 K_(s) + 2 H₂O_(l) 2KOH_(aq) + H_2(g) reaksi sangat hebat dalam air dingin

2 Na_(s) + 2 H₂O_(l) 2NaOH_(aq) + H_2(g) reaksi hebat dalam air dingin

Ca_(s) + 2 H₂O_(l) Ca(OH)_2(aq) + H_2(g) reaksi berlangsung dalam air panas

3 Fe_(s) + 4 H₂O_(l) Fe₃O_4(s) + H_2(g) reaksi berlangsung dalam uap air panas dan atau logam panas.

Dalam industri / perdagangan, gas hidrogen dibuat antara lain menurut cara berikut :

a. Proses Bosch adalah uap air panas dialirkan melalui karbon sebagai pereduksi pada temperatur tinggi, kemudian terjadi reduksi lebih lanjut menurut persamaan reaksi :

C_(s) + H₂O_(g) CO_(g) + H_2(g)

CO_(s) + H₂O_(g) CO_2(g) + H_2(g)

Gas CO₂ yang terjadi dapat dipisahkan dengan mengalirkan campuran gas ini kedalam air dengan tekanan tinggi atau kedalam larutan karbonat, maka gas CO₂ akan larut dalam air atau mengendap sebagai karbonat, sdangkan gas H₂ lolos.

b. Mengalirkan uap air panas kedalam gas metana dengan katalisator Ni, kemudian dialirkan dengan katalisator Fe/cu pada temperatur ~7500C.

CH_4(g) + H₂O_(g) CO_(g) + 3H_2(g)

CO _(g) + H₂O_(g) CO_2(g) + 3H_2(g)

Hidrida

Unsur-unsur yang paling elektropositif, yakni logam alkali dan alkali tanah, membentuk hidrida yang sangat bersifat ion, disebut hidrida garam. Senyawaan tersebut dapat dianggap mengandung kation logam dan ion H^-. Sifat dasar ionnya tampak pada sifat hantaran elektrik tepat dibawah atau pada titik lelehnya, bila dilarutkan dalam lelehan halida, hidrigen dikeluarkan pada elektroda positif. Jari-jari ion H^- terletak pada jari-jari F^- dan Cl^-. Hidrida logam alkali LiH sampai CsH, semua mempunyai struktur Na Cl. Hidrida garam dibuat dengan reaksi langsung logam dengan hidrogen pada 300⁰ sampai 700⁰C. Zat-zat itu cukup reaktif terhadap air dan udara (kecuali LiH). Semuanya adalah pereduksi yang sangat kuat atau pereaksi hidrogenasi.

A.Hidrida Ionik

Semua hdrida ionik berupa padatan putih dan terbentuk hanya dengan logam yang sangat elektropositif , yaitu golongan alkali dan alkali tanah kecuali Be dan Mg. Kristal ionik ini terdiri atas kation logam dan anion hidrida, H^-. Bukti adanya hidrida ini dapat dijumpai pada elektrolisis litium hidrida dalam lelehan litium klorida.

Hidrogen mempunyai satu elektron dan cenderung menerima satu lagi dari atom lain. Akibat, hidrogen dapat bereaksi dengan logam yang logam yang reaktif yaitu Li, Na, K, Mg, dan Ca. membentuk senyawa hididra ionik, contoh:

H_2(g) + Ca_(s) CaH_2(s) , kalium hibrida

Senyawa hidrida ionik sangat cenderung bereaksi dengan air membentuk hidroksida yang bersifat basa, sambil menghasilkan gas H₂.

CaH_{2 (g)} + 2H₂O Ca(OH)₂ 2H₂

LiH + H₂O LiOH + H₂O

B.Hidrida Kovalen

Hiidrogen membentuk senyawa kovalen dengan semua non logam kecuali gas mulia dan dengan logam elektropositif rendah seperti galium (Ga) dan timah (Sn). Hampir hidrida kovalen sederhana berupa gas pada temperatur kamar. Ada tiga ketegori hidrida kovalen yaitu :

1. Hidrida kovalen dengan atom hidrogen hampir bersifat netral

2. Hidrida kovalen dengan atom hidrogen bersifat positif kuat

3. Hidrida kovalen dengan atom hidrogen bersifat agak negatif khususnya pada senyawa boron kekurangan electron

Hydrogen dengan unsur bukan logam (F₂, Cl₂, I₂, O₂, N₂) membentuk hididra kovalen, contohnya:

H₂ + Cl₂ 2HCl , hidrogen klorida .

Salah satu keistimewaan senyawa hidrida kovalen dapat membentuk rantai atom bukan logan disebut katenasi (berangka), Seperti H₂O₂, N₂H₄, Si₂H₆, dan C₃H₈ dengan rumus lewis.

C. Hidrida Metalik

Beberapa logam transisi membentuk hidrida ketegori ketiga, yaitu hidrida metalik. Senyawa ini sering bersifat non stikiometrik, misalnya untuk hidrigen titanium rasio tertinggi dijumpai dalam senyawa dengan formula TiH_1,9. Sifat senyawa ini sangat kompleks, diduga tersusun oleh (Ti⁴⁺)(H^-)_1,9(e-)_2,1. adanya elektron bebas inilah yang diduga memberikan sifat metalik yang tingginya hantaran jenis listrik senyawa yang bersangkutan. Sebagian besar hidrida ini dapat dipreparasi melalui pemanasan logam denagn hidrogen dibawah tekanan tinggi.

Air dan Ikatan Hidrogen

Ikatan dari hidrogen

Kimiawi hidrogen terutama bergantung kepada tiga proses elektronik yaitu :

1. Pembentukan banyak senyawan sering kali non stoikiometrik dengan unsur-unsur logam. Umumnya mereka disebut hidrida tetapi tidak dapat dipandang sebagai hidrida garam sederhana.
2. Pembentukan ikatan jembatan hidrogen pada senyawan tuna elektron seperti (9-I) dan kompleks logam trasisi (9-II).

Contoh yang telah dipelajari paling baik mengenai ikatan jembatan disajikan oleh diboran (9-I).

3. Ikatan hidrogen. Ikatan ini penting bukan saja karena penting bagi pemakaian dari banyak kimia hidrogen yang lain, tetapi juga karena merupakan salah satu contoh yang diperlajari secara intensif, mengenai gaya tarik antar molekul. Ikatan hidrogen umumnya mendominasi air, larutan aqua, pelarut hidrolitik, dan spesies mengandung –OH, bertanggung jawab antara lain bagi rangkaian rantai polypeptida pada protein dan pasangan basa asam nukleat.

Ikatan hidrogen.

Bila hidrogen terikat pada atom lain X, terutama F,O, N atau Cl sedemikian hingga ikatan X – H benar-benar polah denagn H menyandang muatan positif parsial, hidrogen dapat berinteraksi dengan atom lain yang negatif atau yang kaya elektron Y, membentuk ikatan yang disebut hidrogen (ikatan –H) ditulis sebagai :X H----Y

Hidrat dan Klatrat Air

Padatan yang mengandung molekul-molekul senyawan bersama-sama dengan molekul-molekul air disebut hidrat. Sebagian besar terdiri atas molekul-molekul air diskret, baik terikat pada kation melalui atom oksigen atau terikat kepada anion atau atom yang kaya elektron melalui hidrogen atatu keduanya tampak pada gambar berikut

Air tersusun oleh molekul- molekul triatomik sederhana,tetapi tingkah laku air sangat kompleks, dan beberapa hal sangat unik. Sifat unik air muncul terutama dari struktur molekular dan resultante gaya-gaya intermolekular, atom oksigen dalam molekula air dilukiskan membentuk orbital hibrida terluar s.p³, dengan dua pasang elektron non ikatan.

Tanpa ikatan hidrogen, air akan mencair kira-kira pada -100⁰C dan mendidih pada -90⁰C. Ikatan hdrogen mengakibatkan keanehan, abnormal, yang sangat jarang ditemui fase cair lebih rapat dari pada fase padatnya. Bagi hampir semua senyawa, molekul-molekul terkemas lebih rapat pada fase padatnya dari pada fase cairnya, sehingga padatan mempunyai rapatan (densitas) lebih besar dan konsekuensinya padatan akan mengendap

Diagram fase (a) dan (b) air

Air ternyata menunjukan diagram fase abnormal karena rapatan padatan (es) lebih rendah dari pada rapatan cairannya. Prisip le Chatelier menunjukkan bahwa fase yang lebih rapat diunggulkan oleh kenaikan tekanan jadi untuk air, pengaruh naiknya tekanan pada fase padatan (es) yang lebih rendah rapatannya akan mengakibatakan melehnya es menjadi fase cair yang lebih besar rapatannya. Inilah sifat anomali air yang membuat orang bermain sepatu luncur (ice-skatting) di atas es, sebab tekanan pisau sepatu cukup untuk melelehkan es pada bagian permukaan sehingga lapisan air yang terjadi membuat sepatu dapat meluncur dengan mudah sekalipun pada temperatur rendah, -30⁰C.

Kegunaan Hidrogen

Hydrogen sebagai gas dapat digunakan untuk berbagai keperluan antara lain:

1. Pengisi balon, karena sangat ringan

2. Bahan untuk sel bahan bakar

3. Bahan bakar yang tidak berpolusi

2H_{2 (g)} + O_{2 (g)} 2H₂O _(l)

4. Bahan pembuat amoniak

N_2(g) + 3H_2(aq) 2NH₃ (g)

5. Bahan pembuat methanol

CO_2(g) + 2H_2(aq) CH₃OH

6. Mengadisi ikatan rangkap pada senyawa organik, misalnya etilen menjadi etana:

H₂C = CH₂ + H₂ H₂C CH₃

7. Pembuatan Margarine.

Minyak yang merupakan ester dari asam lemak tidak jenuh diubah menjadi senyawa jenuh melalui hidronasi menggunakan katalisator nikel.

8. Sintesis methanol, katalis campuran ZnO dan Cr₂O_3.

CO_(g) + 2H_2(aq) CH₃OH_(l)