Hidrogen

HIDROGEN

2.1 Sejarah Penemuaan  Hidrogen

Sejak identifikasinya oleh Cavendish pada 1766, hidrogen yaitu unsure paling sederhana, menjadi pusat pengembangan  teori tentang struktur bahan. Cavendish adalah orang yang pertama mengenali gas hidrogen sebagai zat diskret dengan mengidentifikasikan gas tersebut dari reaksi logam-asam sebagai udara yang mudah terbakar Dalton merancang merancang bobot – bobot atom dari berbagai unsure berdasarkan massa relative sama dengan 1 untuk hidrogen. Pada tahun 1783, Lavoisier menamakan gas hidrogen (hidro=air, genes=pembentuk). Pada tahun 1810, Davy mengajukan bahwa hidrogen adalah unsure yang menjadi kunci untuk asam – asam biasa. Pada tahun 1815, Prout mengajukan bahwa hidrogen adalah unsure yang paling dasar dan atom – atom lainnya dapat dibentuk dari hidrogen. Bohr ( 1913 ) memilih atom H untuk penerapan pertama dari mekanika kuantum pada struktur atom. Schrodinger (1927) mendasarkan mekanika gelombangnya pada atom H dan teori – teori struktur molekul menggunakan molekul H₂ sebagai titik pangkal.  

Hidrogen(bukan Karbon) membentuk lebih banyak senyawaan dari pada unsur-unsur lainya. Hidrogen  dikenal memiliki tiga isotop yaitu: ¹H,²H(deuterium/D) dan ³H(tritium/T). walaupun efek isotop paling besar bagi hidrogen,untuk membenarkan penggunaan  nama yang berlainan bagi dua isotop yang lebih berat,maka sifat-sifat kimia H,D,dan T pada hakikatnya kecuali dalam hal-hal seperti laju dan dan tetapan kesetimbangan reaksi. Bentuk normal unsurnya adalah molekul diatom ; berbagai kemungkinannya ialah:H², D² , T², HD, HT, DT.

Dibawah ini adalah beberapa sifat isotop hidrogen

	1H atau H Protium	2H atau D deuterium	3H atau tritium
Massa atom, sma	1.00078	2.0141	3.0160
Titik beku, °C	-259.1	-254.4
Titik didih, °C	-252.7	-249.6
Kestabilan inti	stabil	stabil	Tak stabil: separuhnya akan meleruh dalam 12,3 tahun

2.2  Kelimpahan Hidrogen Dialam

Hidrogen yang terdapat di alam mengandung 0,0156% deuterium, sedangkan tritium(terbentuk secara terus menerus di lapisan atas atmosfer pada reaksi inti  yang direduksi oleh sinar kosmik) terdapat di alam hanya dalam jumlah yang sangat kecil, kira – kira sebanyak 1 per 10¹⁷, dan bersifat radioaktif (^-, 12,4 tahun).  Adapun kelimpahan dialam beberapa isotop hydrogen adalah sebagai berikut:

• 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.
•  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. Air berat digunakan sebagai moderator neutron dan pendingin pada reaktor nuklir. Deuterium juga berpotensi sebagai bahan bakar fusi nuklir komersial.
• 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. Sejumlah kecil tritium dapat dijumpai di alam oleh karena interaksi sinar kosmos dengan atmosfer bumi, tritium juga dilepaskan selama uji coba nuklir. Ia juga digunakan dalam reaksi fusi nuklir, sebagai penanda dalam geokimia isotop, dan terspesialisasi pada peralatan self-powered lighting. Tritium juga digunakan dalam penandaan percobaan kimia dan biologi sebagai radiolabel.

2.3 Kecenderungan Reaktivitasan Hidrogen

Hidrogen tidaklah luar biasa reaktif. Hidrogen terbakar diudara membentuk air,serta akan bereaksi dengan oksigen dan halogen dengan disertai ledakan pada kondisi tertentu. Pada suhu tinggi gas tersebut akan mereduksi banyak oksida yang lebih rendah ataupun menjadi logamnya.dengan adanya katalis diatas suhu kamar, hidrogen bereaksi dengan N2 membentuk NH3. Dengan logam elektropositif dan kebanyaan nonlogam hidrogen membentuk hidrida.

Dengan adanya katalis yang sesuai, biasanya logam-logam golongan VIII atau senyawanya,banyak ragam zat anorganik dan organic dapat direduksi. Disosiasi hidrogen sangat endoterm dan hal ini sebagian menerangkan kereaktifannya yang rendah pada suhu rendah:

H² = 2H                       ∆𝑯° =434.1 kJ /mol

2.4  Cara Isolasi Hidrogen

Secara industry hidrogen diperoeh dari reaksi bolak-balik antara uap air dengan metana atau minyak bumi ringan melaui katalis nikel yang diaktifkan pada suhu kurang lebih 750°. Reaksi utamanya adalah:

CH_4(g)  +  H₂O_(g)      ^Δ        CO_(g) + 3H_2(g)          (1.1)

Pembuatan Hidrogen di Laboratorium

Sering kali hidrogen dibuat dalam laboratorium oleh kerja larutan encer asam kuat dengan logam yang kereaktifanya sedang. Asam klorida dan asam sulfat encer merupakan asam yang memuaskan : zink,aluminium , besi dan magnesium sering kali digunakan sebagai logamnya. Berikut adalah persamaanya:

            Zn + 2HCl          ZnCl₂ + H₂

Produksi komersialhidrogen

Hidrogen merupakan salah satu zat yang sangat penting dalam deretan bahan-bahan kimia. Terdapat tiga metoda untuk memperoleh unsur hidrogen yaitu metoda gas air ,metoda kukus-hidrokarbon , dan elektrolisis air.

1.    Metoda gas air

            Bila kukus dilewatkan diatas arang panas ,akan terbentuk karbon monoksida dan hidrogen

C + H₂O             CO + H₂

Campuran karbon monoksida dan hidrogen ini yang disebut dengan gas air, merupakan bahan bakar yang bernilai , karena kedua zat tersebut dapat dibakar. Jika didinginkan hidrogen murni, campuran itu diolah dengan kukus dengan berikan katalis untuk mengoksidasi karbon monoksida menjadi karbon dioksida.

CO + H₂ + H₂O            CO₂ +2H₂

                              gas air

Karbon dioksida mudah dipisahkan dengan melewatkan campuran kedua gas itu dalam air dibawah tekanan .karbon dioksida  dapat larut sedangkan hidrogen tidak.

2.    Metoda kukus-Hidrokarbon

Hidrokarbon komersial dalam jumlah besar dibuat dengan melewatkan hidrokarbon dan lewat katalis nikel pada temperatur tinggi. Persamaan yang menggunakan hidrokarbon tersederhana metana adalah :

CH4 + 2H₂O   CO2 + 4H₂

Karbon dioksida dan hidrogen dapat dipisahkan seperti diterangkan diatas , atau karbon dioksida dapat diambil dengan melewatkan  campuran pada kapur tohor:

                 CO2 + H₂ + CaO             CaCO₃ + H_2­

3.    Dari air dengan elektrolisis

Karena sumber hidrogen yang berlimpah adalah air, maka akan ideallah bila air dapat diuraikan menjadi hidrogen dan oksigen dengan murah. Suatu cara yang memuaskan untuk menguraikan air ialah dengan melewatkan arus searah lewat air yang telah ditambahi sedikit asam sulfat .

 Dibawah ini adalah gambar dari pembuatan hidrogen melalui elektolisis dengan air:

.

penggunaan arus listrik untuk melakukan suatu reaksi redoks disebut elektolisis. Persamaan untuk reaksi setengah dan reaksi keseluruhan untuk elektrolisis air adalah

Reduksi                       : 2[2H⁺ + 2e^-           H_{2 (g)}]

Oksidasi                      : 2H₂O_(l)                O_2(g) + 4H⁺  + 4e^-

Reaksi keseluruhan     :  2H₂O_(l)  2H_2(g) + O_2(g)

2.5  Ikatan Dari Hidrogen

Hidrogen mempunyai tambahan sifat ikatan yang unik. Sifat dasar proton serta tidak adanya sam sekali perlindungan terhadap muatan inti oleh kulit elektron, memungkinkan bentuk lain dari keaktifan kimiawi baik yang unik bagi hidrogen ataupun yang kekhasanya sebagian. Beberapa diantaranya adalah sebagai berikut:

1.  Pembentukan banyak senyawaan, seringkali nonstoikiometrik,dengan unsure-unsur logam. Umumnya senyawaan ini disebut hidrida tetapi tidak dapat dipandang sebagai hidrida garam sederhana.

2.  Pembentukan ikatan jembatan hidrogen pada senyawaan tuna-elektron  seperti (1.1) dan kompleks logam transisi (1.2).

   

    Gambar (1.1)                               Gambar (1.2)

3.  Ikatan hidrogen umumnya mendominasi kimiawi air ,larutan akua,pelarut hidrolitik dan spesi yang mengandung –OH, bertanggung jawab bagi rangkaian polipeptida pada protein dan pasangan basa asam nukleat.

Jika Hidrogen terikat pada atom lain,X, terutama F,O,N,atau Clsedemikian hingga ikatan X    H benar-benar polar dengan H menyandang muatan positif parsial,hidrogen dapat berinteraksi dengan atom lain yang negatif atau yang kaya electron , Y, membentuk ikatan yang disebut hidrogen(ikatan     H). Ditulis sebagai berikut:

                             X    H       Y

Bukti eksperimen bagi ikatan hidrogen mula-mula datang dari pembandingan sifat-sifat senyawa hidrogen . contoh-contoh klasik tanpak pada titik didik abnormal  dari NH3,H2O,dan HF.  Seperti pada gambar dibawah ini:

                        Gambar 1-3 Titik didik beberapa hidrida molekular

Yang mengandung asosiasi molekul-molekul tersebut dalam fase cairnya. Sifat-sifat lain seperti panas penguapan menyediakan bukti lebih lanjut mengenai asosiasi . walaupun sifat-sifat fisika yang mencerminkan asosiasi masih tetap merupakan sarana yang berguna pada pendeteksian ikatan hidrogen , bukti yang paling memuaskan bagi padatan berasal dari studi mengenai Kristal dengan sinar-X dan difraksi neuron : bagi padatan, cairan, dan larutan berasal dari spektra  infra merah dan resonansi magnetik inti. Bukti mengenai struktur ikatan hidrogen disediakan oleh jarak X terhadap Y, yang lebih pendek dari kontak van der waals yang diharapkan bila ada ikatan hidrogen. Bila golongan X  H pada spektrum inframerah frekuensinya menjadi lebih rendah,lebih luas dan intensitas terintegrasinya makin tinggi.perubahan-perubahan ini dapat merupakan sarana yang sangat berguna untuk mempelajari ikatan   H dalam larutan.

Entalpi ikatan hidrogen dalam beberapa hal relatife kecil : 20    30 kJ/mol, jika dibandingkan dengan entalpi ikatan kovalen sebesar 200 kJ/mol dan lebih besar dari itu. Walaupun demikian,ikatan-ikatan ini mempunai akibat yang besar pada sifat dan kereaktifan  kimia zat yang dibentuknya. Ini tampak berdasarkan gambar titik didih beberapa hibrida molecular, dimana air misalnya akan mendidih pada kira-kira  100°C dan bukan +100°C apabila ikatan hidrogen tidak memegang perananya. Jelas sekali kehidupan bergantung kepada ikatan hidrogen.

Es dan air

Struktur es menarik perhatian sebagai petunjuk mengenai struktur air. Dikenal 9 modifikasi air, yang kestabilanya masing-masing bergantung kepada suhu dan tekanan. Es yang terbentuk  dalam kesetimbangan dengan air pada 0°C dan  1 atm disebut es 1 dan mempunai struktur seperti gambar dibawah ini:

 

                                                 Gambar 1-4   Stuktur es

Terdapat tatanan tidak terhingga dari atom oksigen, masing-masing dikelilingi secara tetrahendral oleh empat O lainnya dengan ikatan hidrogen yang menghubungkan setiap pasangan.

Dalam model cairan air, yang menarik namun tidak diterima secara universal, cairan tersebut terdiri pada setiap saat atas jaringan tidak sempurna, yang sangat mirip dengan jaringan dari air I. namun berbeda dalam hal:

a.  Beberapa interstisi mengandung molekul-molekul air yang bukan milik jaringan , melainkan malah mengganggunya.

b.  Jaringan tersebut merupakan tambalan dan tidak meluas sepanjang jarak yang panjang tanpa patahan.

c.  Daerah-daerah beranah pendek secara tetap berdisintegrasi dan terbentuk kembali.

d. Jaringan agak berkembang dibandingkan dengan es I.

Faktanya bahwa air mempunyai rapatan yang sedikit lebih besar daripada es I. seperti tampak pada gambar:

 dapat disebabkan oleh adanya cukup molekul air interstisi sampai melebihi yang diperlukan untuk menyeimbangkan penyeimbangan dan ketidakteraturan jaringan es I. model air ini mendapat dukungan dari studi mengenai hamburan sinar    X.

Adapun dibawah ini merupakan beberapa reaksi dengan air diantaranya:

·       Reaksi air dengan oksida

Banyak oksida logam bereaksi dengan air membentuk hidroksida yang bersifat senyawa ion , yang dikenal sebagai basa. Beberapa contohnya adalah:

                 K₂O     +          H₂O                2KOH

                 ^{Kalium oksida                                            Kalium hidroksida}   

                 CaO     +         H₂O                 Ca(OH)₂

                       ^{kalsium oksida                                            kalsium hidroksida}

·       Reaksi  pengionan

Banyak molekul kovalen polar bereaksi dengan air untuk menghasilkan ion. Reaksi senyawaan dalam manadiproduksikan ion disebut reaksi pengionan . beberapa senyawa yang mengalami reaksi pengionan bila ditambahkan kedalam air adalah hidrogen nitrat(asam nitrat), HNO₃, dan hidrogen klorida . persamaan untuk reaksi ini dapat ditulis sebagai berikut:

     HCl    +   H₂O             H₃O⁺    +   Cl^-     atau   HCl       H⁺   +   Cl^-

     HNO₃  +     H₂O          H₃O⁺      +   NO₃^-  atau  HNO3      H⁺   + NO₃^-        

·       Hidrasi

     Sifat polar molekul air penting bila air digunakan sebagai suatu pelarut . air mudah melarutkan banyak senyawaion karena hidrasi ion-ion itu.sebuah ion terhidrasi adalah suatu penggugusan itu dengan satu molekul air atau lebih. Dalam larutan banyaknya molekul air yang mengelilingi ion-ion nampaknya tak tertentu. Bila suatu larutan  air (dari) suatu garam yang larut,diuapkan,garam itu mengkristal,dengan banyaknya molekul air yang tepat tertentu , yang disebut air kristalisasi.

 

Hidrat dan Klatrat air

Padatan yang mengandung molekul-molekul senyawaan lain bersama-sama dengan molekul-molekul air  disebut hidrat sebagian besar terdiri atas molekul-molekul  air diskret baik terikat kepada kation melalui atom oksigen , atau terikat kepada anion atau atom yang kaya electron melalui hidrogen, terdapat tiga cara pengikatan molekul-molekul air dalam hidrat seperti pada gambar dibawah ini.

Gambar 1-5   a).  Melalui oksigen kepada kation; b). Melaui atom hidrogen kepada  anion;c). Suatu gabungan dari dua cara terdahulu.

Hidrida

Hidrida biner diklasifikasikan sesuai dengan posisi unsurnya  dalam tabel periodik, dan oleh karakter ikatannya.  Hidrida alkali dan alkali tanah di blok s  adalah senyawa ionik yang analog dengan halida dan disebut dengan hidrida salin.  Unsur blok p  golongan 13-17 membentuk hidrida kovalen molekular.  Belum ada senyawa hidrida gas mulia yang pernah dilaporkan.  Beberapa unsur transisi blok d dan f membentuk hidrida logam yang menunjukkan sifat logam. 

Logam-logam transisi yang tidak membentuk hidrida biner membentuk  hidrida molekular kompleks yang dikoordinasikan oleh ligan penstabil, seperti karbonil (CO), fosfin tersier (PR3), atau siklopentadienil (C5H5). Contoh-contoh khas hidrida diberikan di bawah ini. 

·      Hidrida salin

Litium hidrida, LiH, senyawa kristalin tak bewarna (titik leleh (melting point, mp) 680 ^oC).  Li⁺ dan H-membentuk kristal berstruktur garam dapur.  Pelepasan kuantitatif gas hidrogen di anoda saat dilakukan elektrolisis garam leburnya menyarankan keberadaan H-. Air bereaksi dengan hebat dengan litium hidrida membebaskan gas hidrogen.  Karena senyawa ini agak melarut dalam eter, hidrida ini digunakan sebagai pereduksi di kimia organik.

Kalsium hidrida, CaH2, adalah padatan kristalin tak bewarna (mp 816 ^oC), dan bereaksi dengan hebat dengan air membebaskan  gas hidrogen.  Hidrida ini digunakan sebagai pembentuk gas hidrogen, atau bahan dehidrator untuk pelarut  organik.  Hidrida ini  juga digunakan sebagai reduktor. 

Litium tetrahidridoaluminat, LiAlH4, adalah padatan kristalin tak bewarna (terdekomposisi di atas 125^oC) biasanya disebut litium aluminum hidrida.  Hidrida melarut dalam eter, dan bereaksi hebat dengan air.  Hidrida ini digunakan sebagai reduktor dan bahan untuk hidrogenasi dan untuk pengering pelarut organik. 

Natrium tetrahidroborat, NaBH4, adalah senyawa padatan kristalin bewarna putih (terdekomposisi pada 400^oC) biasanya disebut natrium borohidrida.  Padatan ini larut dalam air dan terdekomposisi pada suhu tingggi dengan melepaskan gas hidrogen.   Padatan ini digunakan sebagai bahan pereduksi untuk senyawa anorganik dan organik, dan untuk mempreparasi kompleks hidrida, dsb

·      Hidrida molekular

Semua hidrida kecuali hidrida karbon (metana) dan oksigen (air) adalah gas beracun dengan kereaktifan sangat tinggi dan harus ditangani dengan sangat hati-hati.  Walaupun terdapat berbagai metoda untuk menghasilkan gas-gas ini di laboratorium, kini banyak gas ini mudah didapat di silinder. 

Diboran, B2H6, adalah gas beracun dan tak bewarna (mp -164.9^o C dan bp -92.6^oC) dengan bau iritatif yang khas.  Hidrida ini merupakan bahan reduktor kuat  senyawa anorganik dan organik.  Bahan ini juga bermanfaat sebagai bahan hidroborasi untuk memasukkan gugus fungsi pada olefin, setelah adisi olefin dengan reaksinya dengan reagen yang cocok. 

Silan, SiH4, gas yang sangat mematikan dan tak bewarna (mp -185^oC dan bp -111.9^oC) dengan bau yang menyengat dan juga disebut dengan monosilan. 

Amonia, NH3, adalah gas beracun dan tak bewarna (mp -77.7^oC dan bp -33.4^oC) dengan bau mengiritasi yang khas.  Walaupun gas ini digunakan dalam banyak kasus sebagai larutan amonia alam air, yakni dengan dilarutkan dalam air, amonia cair juga digunakan sebagai pelarut non-air ntuk reaksi khusus.  Sejak dikembangkannya proses Harber-Bosch untuk sintesis amonia di tahun 1913, amonia telah menjadi senyawa yang paling penting dalam industri kimia dan digunakan sebagai bahan baku banyak senyawa yang mengandung nitrogen.  Amonia juga digunakan sebagai refrigeran (di lemari pendingin). 

Fosfin, PH3, gas sangat beracun dan tak bewarna (mp -133^oC dan bp -87.7^oC) dengan bau yang busuk, juga disebut dengan fosfor hidrida.  Fosfin terbakar spontan di udara.  Fosfin digunakan dalam pertumbuhan epitaksi, dalam kimia koordinasi logam transisi, dsb.

Hidrogen sulfida, H2S, gas beracun dan tak bewarna (mp -85.5^oC and bp -60.7^oC) dengan bau telur busuk.  Gas ini sering ditangani dengan tidak cukup hati-hati, gas ini sangat berbahaya dan harus ditangani dalam lingkungan yang ventilasinya baik. Gas ini digunakan untuk analisis kimia dengan cara pengendapan ion logam, pembuatan senyawa yang mengandung belerang, dsb. 

Hidrogen fluorida, HF, adalah gas tak bewarna, berasap, bertitik didih rendah (mp -83^oC dan bp 19.5^oC), dengan bau yang mengiritasi.  Gas ini biasa digunakan untuk mempreparasi senyawa anorganik dan organik yang mengandung fluor.  Karena permitivitasnya yang tinggi, senyawa ini dapat digunakan sebagai pelarut  non-air yang khusus.  Larutan dalam air gas ini disebut asam fluorat dan disimpan dalam wadah polietilen karena asam ini menyerang gelas.

2.6  Persenyawaan Hidrogen

Senyawa hidrogen tersebar luas dalam alam. Bahkan semua senyawa organic mengandunhh hidrogen. Jadi,gula,pati,lemak,selulosa,protein,gas alam,bensin,minyak bakar,minyak tanah,dan minyak pelumas semuanya mengandung hidrogen. Air ,suatu senyawa anorganik merupakan senyawa hidrogen yang paling melimpah dibumi. Kelimpahan relatif hidrogen (dalam bentuk senyawanya) dalam kerak bumi,dalam samudra dan diudara. Asam-asam biasa adalah senyawaan hidrogen yang menarik secara khusus . beberapa asam (asam klorida dalam getah lambung,asam asetat dalam cuka,asam sitrat dalam belbagai jeruk) dibentuk dalam proses alamiah. Asam-asam ini dan banyak asam lain,termasuk asam sulfat,,nitrat,dan fosfor,disintesis pada skala besar oleh industry kimia.

Dibawah ini merupakan beberapa reaksi gas hidrogen dengan berapa molekul:

                        2H₂ + O₂         2H₂O

                        H₂   + S           H₂S

                        H₂   + Cl₂         2HCl

                        H₂   +  F₂         2HF

                        3H₂ +  N₂        2NH₃

Hidrogen juga beraksi dengan logam yang aktif. Terbentuk hidrida logam ionic yang mengandung ion hidrida, H^- :

                        2Na  +  H₂             2NaH

                                                     ^{Natrium hidrida}

                        Ca + H₂               CaH₂

                                                                      _{Kalsium hidrida}