Ada tiga bentuk isotop hidrogen: protium deuterium dan tritium div. 1.1 dan 4.1). Hidrogen alami mengandung 99,985% isotop, 0,015% sisanya adalah deuterium. Tritium adalah isotop radioaktif yang tidak stabil dan oleh karena itu hanya terdapat dalam bentuk jejak. Ia memancarkan partikel P dan memiliki waktu paruh 12,3 tahun (lihat Bagian 1.3).

Semua bentuk isotop hidrogen memiliki sifat kimia yang hampir sama. Namun keduanya berbeda dalam sifat fisiknya. Di meja 12.4 menunjukkan beberapa sifat fisik hidrogen dan deuterium.

Tabel 12.4. Properti fisik

Untuk setiap senyawa hidrogen, terdapat analog deuterium. Yang paling penting adalah deuterium oksida, yang disebut air berat. Ini digunakan sebagai moderator di beberapa jenis reaktor nuklir (lihat Bagian 1.3).

Deuterium oksida diperoleh dengan elektrolisis air. Ketika pemisahan terjadi di katoda, sisa air diperkaya dengan deuterium oksida. Rata-rata, metode ini memungkinkan Anda memperoleh 100 liter air.

Senyawa deuterium lainnya biasanya dibuat dari deuterium oksida, misalnya deuterium oksida.

Hidrogen atom

Hidrogen yang diperoleh dengan metode laboratorium yang dijelaskan di atas dalam semua kasus adalah gas yang terdiri dari molekul diatomik, yaitu molekul hidrogen. Ia dapat dipisahkan menjadi beberapa atom menggunakan sumber energi tinggi, seperti tabung pelepasan gas yang mengandung hidrogen pada tekanan rendah. Hidrogen juga dapat diatomisasi dalam busur listrik yang terbentuk di antara elektroda tungsten. Atom hidrogen bergabung kembali pada permukaan logam, dan ini melepaskan begitu banyak energi yang dihasilkannya

meningkatkan suhu hingga sekitar 3500°C. Efek ini digunakan untuk pengelasan busur hidrogen pada logam.

Hidrogen atom adalah zat pereduksi kuat. Ini mereduksi oksida logam dan klorida menjadi logam bebas.

Hidrogen pada saat pelepasan

Gas hidrogen, yaitu molekul hidrogen, adalah zat pereduksi yang buruk. Hal ini disebabkan energi ikatnya yang tinggi, sama dengan Misalnya, ketika gas hidrogen dilewatkan melalui larutan yang mengandung ion, reduksinya tidak terjadi. Namun, jika pembentukan hidrogen terjadi langsung dalam larutan yang mengandung ion, ion-ion tersebut segera tereduksi menjadi ion

Agar hidrogen terbentuk langsung dalam larutan yang mengandung ion, ditambahkan asam sulfat encer dan seng. Hidrogen yang terbentuk dalam kondisi seperti itu disebut hidrogen pada saat evolusi

Ortohidrogen dan parahidrogen

Dua proton dalam molekul hidrogen dihubungkan satu sama lain melalui dua proton yang terletak pada orbital ikatan (lihat Bagian 2.1). Kedua elektron yang terletak pada orbital yang ditunjukkan ini harus memiliki spin yang berlawanan. Namun, tidak seperti elektron, dua proton dalam molekul hidrogen dapat memiliki spin paralel atau berlawanan. Variasi molekul hidrogen dengan putaran paralel proton dari dua inti disebut ortohidrogen, dan variasi dengan putaran proton dua inti yang berlawanan arah disebut parahidrogen (Gbr. 12.1).

Hidrogen biasa merupakan campuran ortohidrogen dan parahidrogen. Pada suhu yang sangat rendah didominasi oleh parahidrogen. Dengan meningkatnya suhu, proporsi ortohidrogen meningkat, dan pada suhu 25°C campuran mengandung sekitar 75% ortohidrogen dan 25% parahidrogen.

Parahidrogen dapat diproduksi dengan melewatkan hidrogen biasa melalui tabung berisi arang dan kemudian mendinginkannya hingga mencapai suhu udara cair. Ortohidrogen dan parahidrogen benar-benar identik dalam sifat kimianya, namun sedikit berbeda dalam titik leleh dan titik didih (lihat Tabel 12.5).

Beras. 12.1. Ortohidrogen dan parahidrogen.

Tabel 12.5. Titik leleh dan titik didih ortohidrogen dan parahidrogen

Hidrogen H adalah unsur kimia, salah satu yang paling umum di Alam Semesta kita. Massa hidrogen sebagai suatu unsur dalam komposisi zat adalah 75% dari total kandungan atom jenis lainnya. Ini adalah bagian dari senyawa terpenting dan vital di planet ini - air. Ciri khas hidrogen juga adalah ia merupakan unsur pertama dalam sistem periodik unsur kimia D.I.Mendeleev.

Penemuan dan eksplorasi

Penyebutan hidrogen pertama kali dalam tulisan Paracelsus dimulai pada abad keenam belas. Namun isolasinya dari campuran gas di udara dan studi tentang sifat mudah terbakar sudah dilakukan pada abad ketujuh belas oleh ilmuwan Lemery. Hidrogen dipelajari secara menyeluruh oleh seorang ahli kimia, fisikawan, dan ilmuwan alam Inggris yang secara eksperimental membuktikan bahwa massa hidrogen adalah yang terkecil dibandingkan dengan gas lainnya. Pada tahap selanjutnya dalam perkembangan ilmu pengetahuan, banyak ilmuwan yang bekerja dengannya, khususnya Lavoisier, yang menjulukinya “yang melahirkan air”.

Karakteristik berdasarkan posisi di PSHE

Unsur yang membuka tabel periodik D.I.Mendeleev adalah hidrogen. Sifat fisik dan kimia atom menunjukkan dualitas tertentu, karena hidrogen secara bersamaan diklasifikasikan sebagai kelompok pertama, subkelompok utama, jika ia berperilaku seperti logam dan melepaskan satu elektron dalam proses reaksi kimia, dan ke ketujuh - dalam kasus pengisian lengkap cangkang valensi, yaitu penerimaan partikel negatif, yang mencirikannya mirip dengan halogen.

Fitur struktur elektronik elemen

Sifat-sifat zat kompleks yang termasuk di dalamnya, dan zat paling sederhana H2, terutama ditentukan oleh konfigurasi elektronik hidrogen. Partikel tersebut memiliki satu elektron dengan Z= (-1), yang berputar pada orbitnya mengelilingi inti yang mengandung satu proton dengan satuan massa dan muatan positif (+1). Konfigurasi elektroniknya ditulis sebagai 1s 1, yang berarti adanya satu partikel negatif di orbital s pertama dan satu-satunya untuk hidrogen.

Ketika sebuah elektron dihilangkan atau dilepaskan, dan atom dari unsur ini memiliki sifat sedemikian rupa sehingga terikat dengan logam, diperoleh kation. Intinya, ion hidrogen adalah partikel elementer positif. Oleh karena itu, hidrogen yang kekurangan elektron disebut proton.

Properti fisik

Untuk mendeskripsikan hidrogen secara singkat, hidrogen adalah gas yang tidak berwarna dan sedikit larut dengan massa atom relatif 2, 14,5 kali lebih ringan dari udara, dengan suhu pencairan -252,8 derajat Celcius.

Dari pengalaman Anda dapat dengan mudah memverifikasi bahwa H 2 adalah yang paling ringan. Untuk melakukan ini, cukup mengisi tiga bola dengan berbagai zat - hidrogen, karbon dioksida, udara biasa - dan sekaligus melepaskannya dari tangan Anda. Yang berisi CO 2 akan paling cepat sampai ke tanah, setelah itu yang diisi campuran udara akan turun, dan yang berisi H 2 akan naik ke langit-langit.

Massa dan ukuran partikel hidrogen yang kecil membenarkan kemampuannya untuk menembus berbagai zat. Dengan menggunakan contoh bola yang sama, mudah untuk memverifikasi ini, setelah beberapa hari bola akan mengempis dengan sendirinya, karena gas akan melewati karet. Hidrogen juga dapat terakumulasi dalam struktur beberapa logam (paladium atau platinum), dan menguap ketika suhu naik.

Sifat kelarutan hidrogen yang rendah digunakan dalam praktik laboratorium untuk mengisolasinya dengan menggantikan hidrogen (tabel di bawah berisi parameter utama) untuk menentukan ruang lingkup penerapannya dan metode produksinya.

Parameter atom atau molekul suatu zat sederhana	Arti
Massa atom (massa molar)	1,008 gram/mol
Konfigurasi elektronik	1 detik 1
sel kristal	heksagonal
Konduktivitas termal	(300 K) 0,1815 W/(m·K)
Kepadatan di n. kamu.	0,08987 gram/l
Suhu mendidih	-252,76 °C
Panas spesifik pembakaran	120,9 10 6 J/kg
Suhu leleh	-259.2 °C
Kelarutan dalam air	18,8 ml/l

Komposisi isotop

Seperti banyak perwakilan sistem periodik unsur kimia lainnya, hidrogen memiliki beberapa isotop alami, yaitu atom dengan jumlah proton yang sama dalam intinya, tetapi jumlah neutron yang berbeda - partikel dengan muatan nol dan satuan massa. Contoh atom yang mempunyai sifat serupa adalah oksigen, karbon, klor, brom dan lain-lain, termasuk radioaktif.

Sifat fisik hidrogen 1H, yang paling umum dari perwakilan kelompok ini, berbeda secara signifikan dari karakteristik yang sama dari rekan-rekannya. Secara khusus, karakteristik zat yang dikandungnya berbeda-beda. Jadi, ada air biasa dan air deuterasi, yang mengandung, bukan atom hidrogen dengan satu proton, deuterium 2 H - isotopnya dengan dua partikel elementer: positif dan tidak bermuatan. Isotop ini dua kali lebih berat dari hidrogen biasa, yang menjelaskan perbedaan dramatis dalam sifat senyawa penyusunnya. Di alam, deuterium ditemukan 3200 kali lebih jarang dibandingkan hidrogen. Perwakilan ketiga adalah tritium 3H; ia memiliki dua neutron dan satu proton di intinya.

Metode produksi dan isolasi

Metode laboratorium dan industri sangat berbeda. Jadi, gas diproduksi dalam jumlah kecil terutama melalui reaksi yang melibatkan zat mineral, sedangkan produksi skala besar lebih banyak menggunakan sintesis organik.

Interaksi kimia berikut digunakan di laboratorium:

Untuk keperluan industri, gas diproduksi dengan metode berikut:

1. Dekomposisi termal metana dengan adanya katalis menjadi zat sederhana penyusunnya (nilai indikator seperti suhu mencapai 350 derajat) - hidrogen H2 dan karbon C.
2. Melewatkan air beruap melalui kokas pada suhu 1000 derajat Celcius untuk membentuk karbon dioksida CO 2 dan H 2 (metode yang paling umum).
3. Konversi gas metana pada katalis nikel pada suhu mencapai 800 derajat.
4. Hidrogen adalah produk sampingan dari elektrolisis larutan kalium atau natrium klorida.

Interaksi kimia: ketentuan umum

Sifat fisik hidrogen sebagian besar menjelaskan perilakunya dalam proses reaksi dengan senyawa tertentu. Valensi hidrogen adalah 1, karena ia terletak pada golongan pertama dalam tabel periodik, dan bilangan oksidasinya bervariasi. Dalam semua senyawa, kecuali hidrida, hidrogen dalam do = (1+), dalam molekul tipe CN, CN 2, CN 3 - (1-).

Molekul gas hidrogen, yang dibentuk dengan menciptakan pasangan elektron umum, terdiri dari dua atom dan cukup stabil secara energi, itulah sebabnya dalam kondisi normal ia agak lembam dan bereaksi ketika kondisi normal berubah. Bergantung pada bilangan oksidasi hidrogen dalam komposisi zat lain, ia dapat bertindak sebagai zat pengoksidasi dan zat pereduksi.

Zat yang bereaksi dan membentuk hidrogen

Interaksi unsur untuk membentuk zat kompleks (seringkali pada suhu tinggi):

1. Logam alkali dan alkali tanah + hidrogen = hidrida.
2. Halogen + H 2 = hidrogen halida.
3. Belerang + hidrogen = hidrogen sulfida.
4. Oksigen + H 2 = air.
5. Karbon + hidrogen = metana.
6. Nitrogen + H 2 = amonia.

Interaksi dengan zat kompleks:

1. Produksi gas sintesis dari karbon monoksida dan hidrogen.
2. Reduksi logam dari oksidanya menggunakan H2.
3. Saturasi hidrokarbon alifatik tak jenuh dengan hidrogen.

Ikatan hidrogen

Sifat fisik hidrogen sedemikian rupa sehingga memungkinkannya, ketika digabungkan dengan unsur elektronegatif, untuk membentuk jenis ikatan khusus dengan atom yang sama dari molekul tetangga yang memiliki pasangan elektron bebas (misalnya, oksigen, nitrogen, dan fluor). Contoh paling jelas yang sebaiknya mempertimbangkan fenomena ini adalah air. Dapat dikatakan terikat dengan ikatan hidrogen yang lebih lemah dibandingkan ikatan kovalen atau ionik, namun karena jumlahnya yang banyak maka mempunyai pengaruh yang signifikan terhadap sifat-sifat zat. Pada dasarnya, ikatan hidrogen adalah interaksi elektrostatis yang mengikat molekul air menjadi dimer dan polimer, sehingga menimbulkan titik didih yang tinggi.

Hidrogen dalam senyawa mineral

Semuanya mengandung proton, kation atom seperti hidrogen. Zat yang residu asamnya mempunyai bilangan oksidasi lebih besar dari (-1) disebut senyawa polibasa. Ini mengandung beberapa atom hidrogen, yang membuat disosiasi dalam larutan air menjadi multi-tahap. Setiap proton berikutnya menjadi semakin sulit dihilangkan dari residu asam. Keasaman medium ditentukan oleh kandungan kuantitatif hidrogen dalam medium.

Penerapannya dalam aktivitas manusia

Silinder berisi zat, serta wadah berisi gas cair lainnya, misalnya oksigen, memiliki tampilan tertentu. Mereka dicat hijau tua dengan tulisan “Hidrogen” ditulis dengan warna merah cerah. Gas dipompa ke dalam silinder di bawah tekanan sekitar 150 atmosfer. Sifat fisik hidrogen, khususnya ringannya keadaan agregasi gas, digunakan untuk mengisi balon, balon, dll. dengan campurannya dengan helium.

Hidrogen, sifat fisik dan kimia yang dipelajari orang bertahun-tahun yang lalu, saat ini digunakan di banyak industri. Sebagian besarnya digunakan untuk produksi amonia. Hidrogen juga berpartisipasi dalam oksida (hafnium, germanium, galium, silikon, molibdenum, tungsten, zirkonium dan lain-lain), bertindak dalam reaksi sebagai zat pereduksi, asam hidrosianat dan klorida, serta bahan bakar cair buatan. Industri makanan menggunakannya untuk mengubah minyak nabati menjadi lemak padat.

Sifat kimia dan penggunaan hidrogen dalam berbagai proses hidrogenasi dan hidrogenasi lemak, batubara, hidrokarbon, minyak dan bahan bakar minyak telah ditentukan. Ini digunakan untuk memproduksi batu mulia, lampu pijar, dan menempa serta mengelas produk logam di bawah pengaruh nyala oksigen-hidrogen.

Hidrogen H adalah unsur paling umum di Alam Semesta (sekitar 75% massa), dan di Bumi merupakan unsur paling melimpah kesembilan. Senyawa hidrogen alami yang paling penting adalah air.
Hidrogen menempati urutan pertama dalam tabel periodik (Z = 1). Ia memiliki struktur atom paling sederhana: inti atom adalah 1 proton, dikelilingi oleh awan elektron yang terdiri dari 1 elektron.
Dalam beberapa kondisi, hidrogen menunjukkan sifat logam (menyumbangkan elektron), sementara pada kondisi lain ia menunjukkan sifat nonlogam (menerima elektron).
Isotop hidrogen yang terdapat di alam adalah: 1H - protium (inti terdiri dari satu proton), 2H - deuterium (D - inti terdiri dari satu proton dan satu neutron), 3H - tritium (T - inti terdiri dari satu proton dan dua neutron).

Zat sederhana hidrogen

Molekul hidrogen terdiri dari dua atom yang dihubungkan oleh ikatan kovalen nonpolar.
Properti fisik. Hidrogen adalah gas yang tidak berwarna, tidak berbau, tidak berasa, dan tidak beracun. Molekul hidrogen tidak polar. Oleh karena itu, gaya interaksi antarmolekul dalam gas hidrogen kecil. Hal ini diwujudkan dengan titik didih yang rendah (-252,6 0C) dan titik leleh (-259,2 0C).
Hidrogen lebih ringan dari udara, D (melalui udara) = 0,069; sedikit larut dalam air (2 volume H2 larut dalam 100 volume H2O). Oleh karena itu, hidrogen, bila diproduksi di laboratorium, dapat dikumpulkan dengan metode perpindahan udara atau air.

Produksi hidrogen

Di laboratorium:

1. Pengaruh asam encer pada logam:
Zn +2HCl → ZnCl 2 +H 2

2. Interaksi alkali dan logam dasar dengan air:
Ca +2H 2 O → Ca(OH) 2 +H 2

3. Hidrolisis hidrida: hidrida logam mudah terurai oleh air untuk membentuk alkali dan hidrogen yang sesuai:
NaH +H 2 O → NaOH +H 2
CaH 2 + 2H 2 O = Ca(OH) 2 + 2H 2

4. Pengaruh alkali pada seng atau aluminium atau silikon:
2Al +2NaOH +6H 2 O → 2Na +3H 2
Zn +2KOH +2H 2 O → K 2 +H 2
Si + 2NaOH + H 2 O → Na 2 SiO 3 + 2H 2

5. Elektrolisis air. Untuk meningkatkan daya hantar listrik air ditambahkan elektrolit, misalnya NaOH, H 2 SO 4 atau Na 2 SO 4. 2 volume hidrogen terbentuk di katoda, dan 1 volume oksigen di anoda.
2H 2 O → 2H 2 +O 2

Produksi industri hidrogen

1. Konversi metana dengan uap, Ni 800 °C (termurah):
CH 4 + H 2 O → CO + 3 H 2
CO + H 2 O → CO 2 + H 2

Secara keseluruhan:
CH 4 + 2 H 2 O → 4 H 2 + CO 2

2. Uap air melalui kokas panas pada suhu 1000 o C:
C + H 2 O → CO + H 2
CO +H 2 O → CO 2 + H 2

Karbon monoksida (IV) yang dihasilkan diserap oleh air, dan 50% hidrogen industri diproduksi dengan cara ini.

3. Dengan memanaskan metana hingga 350°C dengan adanya katalis besi atau nikel:
CH 4 → C + 2H 2

4. Elektrolisis larutan KCl atau NaCl dalam air sebagai produk sampingan:
2H 2 O + 2NaCl → Cl 2 + H 2 + 2NaOH

Sifat kimia hidrogen

• Dalam senyawa, hidrogen selalu bersifat monovalen. Hal ini ditandai dengan bilangan oksidasi +1, tetapi dalam hidrida logam sama dengan -1.
• Molekul hidrogen terdiri dari dua atom. Munculnya hubungan di antara mereka dijelaskan oleh pembentukan pasangan elektron umum H:H atau H 2
• Berkat generalisasi elektron ini, molekul H2 lebih stabil secara energi dibandingkan atom individualnya. Untuk memecah 1 mol molekul hidrogen menjadi atom, diperlukan energi sebesar 436 kJ: H 2 = 2H, ∆H° = 436 kJ/mol
• Hal ini menjelaskan aktivitas molekul hidrogen yang relatif rendah pada suhu biasa.
• Dengan banyak nonlogam, hidrogen membentuk senyawa gas seperti RH 4, RH 3, RH 2, RH.

1) Membentuk hidrogen halida dengan halogen:
H 2 + Cl 2 → 2HCl.
Pada saat yang sama, ia meledak dengan fluor, bereaksi dengan klor dan brom hanya jika disinari atau dipanaskan, dan dengan yodium hanya jika dipanaskan.

2) Dengan oksigen:
2H 2 + O 2 → 2H 2 O
dengan pelepasan panas. Pada suhu normal reaksi berlangsung lambat, di atas 550°C reaksi meledak. Campuran 2 volume H2 dan 1 volume O2 disebut gas detonasi.

3) Ketika dipanaskan, ia bereaksi kuat dengan belerang (jauh lebih sulit dengan selenium dan telurium):
H 2 + S → H 2 S (hidrogen sulfida),

4) Dengan nitrogen dengan pembentukan amonia hanya pada katalis dan pada suhu dan tekanan tinggi:
ZN 2 + N 2 → 2NH 3

5) Dengan karbon pada suhu tinggi:
2H 2 + C → CH 4 (metana)

6) Membentuk hidrida dengan logam alkali dan alkali tanah (hidrogen adalah zat pengoksidasi):
H 2 + 2Li → 2LiH
dalam hidrida logam, ion hidrogen bermuatan negatif (bilangan oksidasi -1), yaitu Na + H hidrida - mirip dengan Na + Cl klorida -

Dengan zat kompleks:

7) Dengan oksida logam (digunakan untuk mereduksi logam):
CuO + H 2 → Cu + H 2 O
Fe 3 O 4 + 4H 2 → 3Fe + 4H 2 O

8) dengan karbon monoksida (II):
CO + 2H 2 → CH 3 OH
Sintesis - gas (campuran hidrogen dan karbon monoksida) memiliki arti praktis yang penting, karena bergantung pada suhu, tekanan dan katalis, berbagai senyawa organik terbentuk, misalnya HCHO, CH 3 OH dan lain-lain.

9) Hidrokarbon tak jenuh bereaksi dengan hidrogen menjadi jenuh:
C n H 2n + H 2 → C n H 2n+2.

Hidrogen adalah suatu unsur kimia dengan lambang H dan nomor atom 1. Dengan berat atom standar sekitar 1,008, hidrogen merupakan unsur paling ringan dalam tabel periodik. Bentuk monatomiknya (H) adalah bahan kimia paling melimpah di alam semesta, menyumbang sekitar 75% dari total massa baryon. Bintang sebagian besar terdiri dari hidrogen dalam keadaan plasma. Isotop hidrogen yang paling umum, disebut protium (nama ini jarang digunakan, simbol 1H), memiliki satu proton dan tidak memiliki neutron. Kemunculan atom hidrogen secara luas pertama kali terjadi pada era rekombinasi. Pada suhu dan tekanan standar, hidrogen adalah gas diatomik yang tidak berwarna, tidak berbau, tidak berasa, tidak beracun, non-logam, mudah terbakar dengan rumus molekul H2. Karena hidrogen mudah membentuk ikatan kovalen dengan sebagian besar unsur nonlogam, sebagian besar hidrogen di bumi ada dalam bentuk molekul seperti air atau senyawa organik. Hidrogen memainkan peran yang sangat penting dalam reaksi asam-basa karena sebagian besar reaksi berbasis asam melibatkan pertukaran proton antar molekul yang dapat larut. Dalam senyawa ionik, hidrogen dapat berbentuk muatan negatif (yaitu anion), yang dikenal sebagai hidrida, atau dalam bentuk bermuatan positif (yaitu kation), yang dilambangkan dengan simbol H+. Kation hidrogen digambarkan terdiri dari proton sederhana, namun kenyataannya kation hidrogen dalam senyawa ionik selalu lebih kompleks. Sebagai satu-satunya atom netral yang persamaan Schrödinger dapat diselesaikan secara analitis, hidrogen (yaitu studi tentang energi dan ikatan atomnya) memainkan peran penting dalam pengembangan mekanika kuantum. Gas hidrogen pertama kali diproduksi secara artifisial pada awal abad ke-16 dengan mereaksikan asam dengan logam. Pada tahun 1766-81. Henry Cavendish adalah orang pertama yang menyadari bahwa gas hidrogen adalah zat yang terpisah, dan menghasilkan air ketika dibakar, sehingga diberi nama: dalam bahasa Yunani, hidrogen berarti "penghasil air". Produksi hidrogen industri terutama melibatkan konversi uap gas alam dan, yang lebih jarang, metode yang lebih intensif energi seperti elektrolisis air. Sebagian besar hidrogen digunakan di dekat tempat produksinya, dengan dua penggunaan paling umum adalah pemrosesan bahan bakar fosil (seperti perengkahan air) dan produksi amonia, terutama untuk pasar pupuk. Hidrogen menjadi perhatian dalam metalurgi karena dapat membuat banyak logam menjadi rapuh, sehingga menyulitkan desain jaringan pipa dan tangki penyimpanan.

Properti

Pembakaran

Gas hidrogen (dihidrogen atau hidrogen molekuler) adalah gas mudah terbakar yang akan terbakar di udara pada rentang konsentrasi yang sangat luas mulai dari 4% hingga 75% volume. Entalpi pembakarannya adalah 286 kJ/mol:

2 H2 (g) + O2 (g) → 2 H2O (l) + 572 kJ (286 kJ/mol)

Gas hidrogen membentuk campuran yang mudah meledak dengan udara pada konsentrasi 4-74% dan dengan klorin pada konsentrasi hingga 5,95%. Reaksi eksplosif dapat disebabkan oleh percikan api, panas, atau sinar matahari. Suhu penyalaan otomatis hidrogen, yaitu suhu saat hidrogen terbakar secara spontan di udara, adalah 500 °C (932 °F). Nyala api hidrogen-oksigen murni memancarkan radiasi ultraviolet dan dengan campuran oksigen yang tinggi hampir tidak terlihat dengan mata telanjang, sebagaimana dibuktikan oleh kepulan samar mesin utama Pesawat Ulang-alik dibandingkan dengan kepulan yang sangat terlihat dari Pendorong Roket Padat Pesawat Ulang-alik, yang menggunakan komposit amonium perklorat. Detektor api mungkin diperlukan untuk mendeteksi kebocoran hidrogen yang terbakar; kebocoran seperti itu bisa sangat berbahaya. Nyala hidrogen berwarna biru pada kondisi lain, dan menyerupai nyala biru gas alam. Tenggelamnya kapal udara Hindenburg adalah contoh pembakaran hidrogen yang terkenal, dan masalah ini masih diperdebatkan. Kobaran api berwarna oranye yang terlihat pada kejadian ini disebabkan oleh paparan campuran hidrogen dan oksigen yang dikombinasikan dengan senyawa karbon dari kulit pesawat. H2 bereaksi dengan setiap unsur pengoksidasi. Hidrogen dapat bereaksi secara spontan pada suhu kamar dengan klorin dan fluor untuk membentuk hidrogen halida, hidrogen klorida, dan hidrogen fluorida, yang juga merupakan asam yang berpotensi berbahaya.

Tingkat energi elektron

Tingkat energi keadaan dasar elektron dalam atom hidrogen adalah −13,6 eV, yang setara dengan foton ultraviolet dengan panjang gelombang sekitar 91 nm. Tingkat energi hidrogen dapat dihitung dengan cukup akurat menggunakan model atom Bohr, yang mengkonseptualisasikan elektron sebagai proton "orbital", analog dengan orbit Bumi terhadap Matahari. Namun, atom elektron dan proton terikat oleh gaya elektromagnetik, sedangkan planet dan benda langit terikat oleh gravitasi. Karena diskritisasi momentum sudut yang didalilkan dalam mekanika kuantum awal oleh Bohr, elektron dalam model Bohr hanya dapat menempati jarak tertentu yang diperbolehkan dari proton dan oleh karena itu hanya energi tertentu yang diperbolehkan. Deskripsi yang lebih akurat tentang atom hidrogen berasal dari perlakuan mekanika kuantum murni, yang menggunakan persamaan Schrödinger, persamaan Dirac, atau bahkan sirkuit terpadu Feynman untuk menghitung distribusi kepadatan probabilitas elektron di sekitar proton. Metode pengolahan yang paling canggih dapat menghasilkan efek kecil dari relativitas khusus dan polarisasi vakum. Dalam pemesinan kuantum, elektron dalam atom hidrogen keadaan dasar tidak memiliki torsi sama sekali, yang menggambarkan bagaimana "orbit planet" berbeda dari gerak elektron.

Bentuk molekul dasar

Ada dua isomer spin berbeda dari molekul hidrogen diatomik, yang berbeda dalam spin relatif inti mereka. Dalam bentuk ortohidrogen, spin kedua proton sejajar dan membentuk keadaan triplet dengan bilangan kuantum spin molekul 1 (1/2 + 1/2); berupa parahidrogen, spinnya antiparalel dan membentuk singlet dengan bilangan kuantum spin molekul 0 (1/2 1/2). Pada suhu dan tekanan standar, gas hidrogen mengandung sekitar 25% bentuk para dan 75% bentuk orto, yang juga dikenal sebagai "bentuk normal". Rasio kesetimbangan ortohidrogen dan parahidrogen bergantung pada suhu, tetapi karena bentuk orto adalah keadaan tereksitasi dan memiliki energi lebih tinggi daripada bentuk para, maka bentuk orto tidak stabil dan tidak dapat dimurnikan. Pada suhu yang sangat rendah, keadaan kesetimbangan hampir seluruhnya terdiri dari bentuk para. Sifat termal fase cair dan gas parahidrogen murni berbeda secara signifikan dari bentuk normal karena perbedaan kapasitas panas rotasi, dibahas lebih rinci dalam spin isomer hidrogen. Perbedaan orto/pasangan juga terjadi pada molekul atau gugus fungsi lain yang mengandung hidrogen seperti air dan metilen, namun hal ini tidak begitu berpengaruh terhadap sifat termalnya. Interkonversi tanpa katalis antara para dan orto H2 meningkat seiring dengan meningkatnya suhu; Jadi, H2 yang terkondensasi dengan cepat mengandung sejumlah besar bentuk ortogonal berenergi tinggi, yang dengan sangat lambat diubah menjadi bentuk para. Rasio orto/uap H2 yang terkondensasi merupakan faktor penting dalam persiapan dan penyimpanan hidrogen cair: konversi dari orto menjadi uap bersifat eksotermik dan menghasilkan panas yang cukup untuk menguapkan sebagian cairan hidrogen, sehingga mengakibatkan hilangnya bahan cair. Katalis untuk konversi orto-para seperti oksida besi, karbon aktif, asbes platinisasi, logam tanah jarang, senyawa uranium, kromium oksida atau beberapa senyawa nikel digunakan dengan pendinginan hidrogen.

Fase

Gas hidrogen

Hidrogen cair

Lumpur hidrogen

Hidrogen padat

Hidrogen metalik

Koneksi

Senyawa kovalen dan organik

Meskipun H2 tidak terlalu reaktif dalam kondisi standar, H2 membentuk senyawa dengan sebagian besar unsur. Hidrogen dapat membentuk senyawa dengan unsur yang lebih elektronegatif, seperti halogen (misalnya F, Cl, Br, I) atau oksigen; dalam senyawa ini, hidrogen mengambil muatan parsial positif. Ketika terikat pada fluor, oksigen, atau nitrogen, hidrogen dapat membentuk ikatan nonkovalen berkekuatan sedang dengan hidrogen dari molekul serupa lainnya, sebuah fenomena yang disebut ikatan hidrogen, yang sangat penting untuk stabilitas banyak molekul biologis. Hidrogen juga membentuk senyawa dengan unsur-unsur yang kurang elektronegatif seperti logam dan metaloid, yang bermuatan parsial negatif. Senyawa ini sering disebut dengan hidrida. Hidrogen membentuk berbagai macam senyawa dengan karbon, yang disebut hidrokarbon, dan lebih banyak lagi variasi senyawa dengan heteroatom, yang karena kesamaannya dengan makhluk hidup, disebut senyawa organik. Studi tentang sifat-sifatnya adalah subjek kimia organik, dan studinya dalam konteks organisme hidup dikenal sebagai biokimia. Menurut beberapa definisi, senyawa "organik" harus hanya mengandung karbon. Namun, sebagian besar juga mengandung hidrogen, dan karena ikatan karbon-hidrogenlah yang memberikan sebagian besar karakteristik kimia spesifik pada golongan senyawa ini, ikatan karbon-hidrogen diperlukan dalam beberapa definisi kata "organik" dalam kimia. Jutaan hidrokarbon telah diketahui, dan biasanya terbentuk melalui jalur sintetik kompleks yang jarang melibatkan unsur hidrogen.

Hidrida

Senyawa hidrogen sering disebut hidrida. Istilah "hidrida" mengasumsikan bahwa atom H mempunyai karakter negatif atau anionik, disebut H-, dan digunakan ketika hidrogen membentuk senyawa dengan unsur yang lebih elektropositif. Keberadaan anion hidrida, diusulkan oleh Gilbert N. Lewis pada tahun 1916 untuk hidrida yang mengandung garam dari golongan 1 dan 2, ditunjukkan oleh Moers pada tahun 1920 dengan elektrolisis lelehan litium hidrida (LiH), menghasilkan jumlah hidrogen yang stoikiometri pada anoda. Untuk hidrida selain logam Golongan 1 dan 2, istilah ini menyesatkan mengingat rendahnya keelektronegatifan hidrogen. Pengecualian untuk hidrida golongan 2 adalah BeH2, yang bersifat polimer. Dalam litium aluminium hidrida, anion AlH-4 mempunyai pusat hidrida yang terikat erat pada Al(III). Meskipun hidrida dapat terbentuk di hampir semua unsur golongan utama, jumlah dan kombinasi kemungkinan senyawa sangat bervariasi; misalnya, lebih dari 100 biner borana hidrida dan hanya satu biner aluminium hidrida yang diketahui. Biner indium hidrida belum teridentifikasi, meskipun terdapat kompleks yang besar. Dalam kimia anorganik, hidrida juga dapat berfungsi sebagai ligan penghubung yang menghubungkan dua pusat logam dalam suatu kompleks koordinasi. Fungsi ini khususnya merupakan karakteristik unsur golongan 13, khususnya pada kompleks borana (boron hidrida) dan aluminium, serta pada karboran bergerombol.

Proton dan asam

Oksidasi hidrogen menghilangkan elektronnya dan menghasilkan H+, yang tidak mengandung elektron dan inti yang biasanya terdiri dari satu proton. Inilah sebabnya mengapa H+ sering disebut proton. Spesies ini penting dalam diskusi tentang asam. Menurut teori Bronsted-Lowry, asam adalah donor proton dan basa adalah akseptor proton. Proton telanjang, H+, tidak dapat berada dalam larutan atau kristal ionik karena daya tariknya yang sangat besar terhadap atom atau molekul lain yang memiliki elektron. Kecuali pada suhu tinggi yang terkait dengan plasma, proton tersebut tidak dapat dilepaskan dari awan elektron atom dan molekul dan akan tetap melekat padanya. Namun, istilah "proton" terkadang digunakan secara metaforis untuk merujuk pada hidrogen bermuatan positif atau kationik yang terikat pada spesies lain dengan cara ini, dan dengan demikian disebut sebagai "H+" tanpa implikasi apa pun bahwa setiap proton ada secara bebas sebagai suatu spesies. Untuk menghindari munculnya "proton terlarut" dalam larutan, larutan asam kadang-kadang dianggap mengandung spesies fiktif yang disebut "ion hidronium" (H3O+). Namun, bahkan dalam kasus ini, kation hidrogen terlarut lebih realistis dianggap sebagai kelompok terorganisir yang membentuk spesies yang mirip dengan H9O+4. Ion oksonium lainnya ditemukan ketika air berada dalam larutan asam dengan pelarut lain. Meskipun penampakannya eksotik di Bumi, salah satu ion paling umum di Alam Semesta adalah H+3, yang dikenal sebagai molekul hidrogen terprotonasi atau kation trihidrogen.

Isotop

Hidrogen memiliki tiga isotop alami, yang disebut 1H, 2H dan 3H. Inti lainnya yang sangat tidak stabil (4H hingga 7H) telah disintesis di laboratorium tetapi belum teramati di alam. 1H adalah isotop hidrogen paling melimpah dengan kelimpahan lebih dari 99,98%. Karena inti isotop ini hanya terdiri dari satu proton, ia diberi nama formal protium yang deskriptif namun jarang digunakan. 2H, isotop hidrogen stabil lainnya, dikenal sebagai deuterium dan mengandung satu proton dan satu neutron di dalam intinya. Dipercaya bahwa semua deuterium di alam semesta diproduksi selama Big Bang dan telah ada sejak saat itu hingga sekarang. Deuterium bukanlah unsur radioaktif dan tidak menimbulkan risiko toksisitas yang signifikan. Air yang diperkaya dengan molekul yang mengandung deuterium dan bukan hidrogen biasa disebut air berat. Deuterium dan senyawanya digunakan sebagai pelacak non-radioaktif dalam eksperimen kimia dan pelarut untuk spektroskopi 1H-NMR. Air berat digunakan sebagai moderator neutron dan pendingin reaktor nuklir. Deuterium juga merupakan bahan bakar potensial untuk fusi nuklir komersial. 3H dikenal sebagai tritium dan mengandung satu proton dan dua neutron di dalam intinya. Ia bersifat radioaktif, meluruh menjadi helium-3 melalui peluruhan beta dengan waktu paruh 12,32 tahun. Zat ini sangat radioaktif sehingga dapat digunakan dalam cat bercahaya, sehingga berguna dalam pembuatan jam tangan dengan pelat jam bercahaya, misalnya. Kaca mencegah sejumlah kecil radiasi keluar. Tritium dalam jumlah kecil terbentuk secara alami ketika sinar kosmik berinteraksi dengan gas atmosfer; tritium juga dilepaskan selama pengujian senjata nuklir. Ini digunakan dalam reaksi fusi nuklir sebagai indikator geokimia isotop dan dalam perangkat penerangan bertenaga mandiri khusus. Tritium juga telah digunakan dalam eksperimen penandaan kimia dan biologi sebagai pelacak radioaktif. Hidrogen adalah satu-satunya unsur yang memiliki nama berbeda untuk isotopnya yang banyak digunakan saat ini. Selama studi awal radioaktivitas, berbagai isotop radioaktif berat diberi nama sendiri, namun nama tersebut tidak lagi digunakan, kecuali deuterium dan tritium. Simbol D dan T (bukan 2H dan 3H) kadang-kadang digunakan untuk deuterium dan tritium, namun simbol yang sesuai untuk protium P sudah digunakan untuk fosfor dan oleh karena itu tidak tersedia untuk protium. Dalam pedoman tata nama, Persatuan Internasional Kimia Murni dan Terapan mengizinkan penggunaan simbol apa pun D, ​​T, 2H, dan 3H, meskipun 2H dan 3H lebih disukai. Atom eksotik muonium (simbol Mu), yang terdiri dari antimuon dan elektron, juga kadang-kadang dianggap sebagai radioisotop hidrogen ringan karena perbedaan massa antara antimuon dan elektron, yang ditemukan pada tahun 1960. Selama masa hidup muon, 2,2 μs, muonium dapat dimasukkan ke dalam senyawa seperti muonium klorida (MuCl) atau natrium muonida (NaMu), masing-masing mirip dengan hidrogen klorida dan natrium hidrida.

Cerita

Pembukaan dan Penggunaan

Pada tahun 1671, Robert Boyle menemukan dan menjelaskan reaksi antara serbuk besi dan asam encer yang menghasilkan gas hidrogen. Pada tahun 1766, Henry Cavendish adalah orang pertama yang mengenali gas hidrogen sebagai zat terpisah, menyebut gas tersebut sebagai "udara yang mudah terbakar" karena reaksi asam logamnya. Dia berteori bahwa "udara yang mudah terbakar" sebenarnya identik dengan zat hipotetis yang disebut "flogiston", dan kembali menemukan pada tahun 1781 bahwa gas tersebut menghasilkan air ketika dibakar. Diyakini bahwa dialah yang menemukan hidrogen sebagai suatu unsur. Pada tahun 1783, Antoine Lavoisier memberi unsur tersebut nama hidrogen (dari bahasa Yunani ὑδρο-hydro yang berarti "air" dan -γενής gen yang berarti "pencipta") ketika ia dan Laplace mereproduksi data Cavendish bahwa pembakaran hidrogen menghasilkan air. Lavoisier menghasilkan hidrogen untuk eksperimen kekekalan massanya dengan mereaksikan aliran uap dengan besi logam melalui lampu pijar yang dipanaskan dengan api. Oksidasi anaerobik besi oleh proton air pada suhu tinggi dapat digambarkan secara skematis melalui serangkaian reaksi berikut:

Fe + H2O → FeO + H2

2 Fe + 3 H2O → Fe2O3 + 3 H2

3 Fe + 4 H2O → Fe3O4 + 4 H2

Banyak logam, seperti zirkonium, mengalami reaksi serupa dengan air untuk menghasilkan hidrogen. Hidrogen dicairkan pertama kali oleh James Dewar pada tahun 1898 menggunakan pendingin regeneratif dan penemuannya, labu vakum. Tahun berikutnya menghasilkan hidrogen padat. Deuterium ditemukan pada bulan Desember 1931 oleh Harold Urey, dan tritium disiapkan pada tahun 1934 oleh Ernest Rutherford, Mark Oliphant, dan Paul Harteck. Air berat, yang terdiri dari deuterium dan bukan hidrogen biasa, ditemukan oleh kelompok Urey pada tahun 1932. François Isaac de Rivaz membangun mesin Rivaz pertama, mesin pembakaran internal yang ditenagai oleh hidrogen dan oksigen, pada tahun 1806. Edward Daniel Clark menemukan tabung gas hidrogen pada tahun 1819. Batu api Döbereiner (pemantik api pertama) ditemukan pada tahun 1823. Balon hidrogen pertama ditemukan oleh Jacques Charles pada tahun 1783. Hidrogen memunculkan bentuk perjalanan udara pertama yang dapat diandalkan setelah penemuan pesawat bertenaga hidrogen pertama pada tahun 1852 oleh Henri Giffard. Pangeran Jerman Ferdinand von Zeppelin mempromosikan gagasan kapal udara kaku yang didorong ke udara dengan menggunakan hidrogen, yang kemudian disebut Zeppelin; yang pertama terbang pada tahun 1900. Penerbangan berjadwal reguler dimulai pada tahun 1910 dan dengan pecahnya Perang Dunia Pertama pada bulan Agustus 1914, penerbangan tersebut mengangkut 35.000 penumpang tanpa insiden besar. Selama perang, kapal udara hidrogen digunakan sebagai platform observasi dan pembom. Penerbangan transatlantik nonstop pertama dilakukan oleh pesawat Inggris R34 pada tahun 1919. Layanan penumpang reguler dilanjutkan kembali pada tahun 1920-an, dan penemuan cadangan helium di Amerika Serikat diharapkan dapat meningkatkan keselamatan perjalanan, namun pemerintah AS menolak menjual gas untuk tujuan ini, sehingga H2 digunakan di kapal udara Hindenburg, yang kemudian dihancurkan. dalam kebakaran di Milan di New York.-Jersey 6 Mei 1937. Insiden itu disiarkan langsung di radio dan difilmkan. Secara luas diasumsikan bahwa penyebab kebakaran adalah kebocoran hidrogen, namun penelitian selanjutnya menunjukkan bahwa penutup kain aluminisasi tersulut oleh listrik statis. Namun saat ini, reputasi hidrogen sebagai gas pengangkat sudah rusak. Pada tahun yang sama, turbogenerator berpendingin hidrogen pertama, dengan gas hidrogen sebagai pendingin di rotor dan stator, mulai beroperasi pada tahun 1937 di Dayton, Ohio, oleh Dayton Power & Light Co.; Karena konduktivitas termal gas hidrogen, gas ini merupakan gas yang paling umum digunakan dalam bidang ini saat ini. Baterai nikel-hidrogen pertama kali digunakan pada tahun 1977 di kapal US Navigation Technology Satellite-2 (NTS-2). ISS, Mars Odyssey dan Mars Global Surveyor dilengkapi dengan baterai nikel-hidrogen. Di bagian gelap orbitnya, Teleskop Luar Angkasa Hubble juga ditenagai oleh baterai nikel-hidrogen, yang akhirnya diganti pada Mei 2009, lebih dari 19 tahun setelah diluncurkan dan 13 tahun setelah dirancang.

Peran dalam teori kuantum

Karena struktur atomnya yang sederhana, hanya terdiri dari satu proton dan satu elektron, atom hidrogen, bersama dengan spektrum cahaya yang diciptakan atau diserap olehnya, merupakan pusat pengembangan teori struktur atom. Selain itu, studi tentang kesederhanaan molekul hidrogen dan kation H+2 yang terkait mengarah pada pemahaman tentang sifat ikatan kimia, yang segera diikuti oleh perlakuan fisik atom hidrogen dalam mekanika kuantum pada pertengahan tahun 2020. Salah satu efek kuantum pertama yang diamati dengan jelas (tetapi tidak dipahami) pada saat itu), adalah pengamatan Maxwell yang melibatkan hidrogen setengah abad sebelum teori mekanika kuantum lengkap muncul. Maxwell mencatat bahwa panas jenis H2 berpindah secara ireversibel dari gas diatomik di bawah suhu kamar dan mulai semakin menyerupai panas jenis gas monoatomik pada suhu kriogenik. Menurut teori kuantum, perilaku ini muncul dari jarak tingkat energi rotasi (yang terkuantisasi), yang jaraknya sangat lebar pada H2 karena massanya yang rendah. Tingkat yang berjarak sangat jauh ini mencegah energi panas terbagi rata menjadi gerakan rotasi hidrogen pada suhu rendah. Gas diatom, yang terbuat dari atom-atom yang lebih berat, tidak memiliki jarak yang begitu jauh dan tidak menunjukkan efek yang sama. Antihidrogen adalah analog antimaterial hidrogen. Ini terdiri dari antiproton dengan positron. Antihidrogen adalah satu-satunya jenis atom antimateri yang telah diproduksi pada tahun 2015.

Berada di alam

Hidrogen adalah unsur kimia paling melimpah di alam semesta, menyusun 75% materi normal berdasarkan massa dan lebih dari 90% berdasarkan jumlah atom. (Namun, sebagian besar massa alam semesta tidak berbentuk unsur kimia ini, namun diperkirakan memiliki bentuk massa yang belum terdeteksi seperti materi gelap dan energi gelap.) Unsur ini ditemukan dalam jumlah besar di bintang-bintang. dan raksasa gas. Awan molekul H2 berhubungan dengan pembentukan bintang. Hidrogen memainkan peran penting dalam memberi energi pada bintang melalui reaksi proton-proton dan fusi nuklir dalam siklus CNO. Di seluruh dunia, hidrogen terutama terdapat dalam bentuk atom dan plasma dengan sifat yang sangat berbeda dari molekul hidrogen. Sebagai plasma, elektron dan proton hidrogen tidak terikat satu sama lain, sehingga menghasilkan konduktivitas listrik yang sangat tinggi dan emisivitas yang tinggi (menghasilkan cahaya dari Matahari dan bintang lainnya). Partikel bermuatan sangat dipengaruhi oleh medan magnet dan listrik. Misalnya, angin matahari berinteraksi dengan magnetosfer bumi, menciptakan arus Birkeland dan aurora. Hidrogen ada dalam keadaan atom netral di medium antarbintang. Sejumlah besar hidrogen netral yang ditemukan dalam sistem Lyman-alpha yang membusuk diperkirakan mendominasi kepadatan baryon kosmologis Alam Semesta hingga pergeseran merah z = 4. Dalam kondisi normal di Bumi, unsur hidrogen ada sebagai gas diatomik, H2. Namun, gas hidrogen sangat jarang ditemukan di atmosfer bumi (volume 1 ppm) karena bobotnya yang ringan, sehingga lebih mudah mengatasi gravitasi bumi dibandingkan gas yang lebih berat. Namun, hidrogen adalah unsur paling melimpah ketiga di permukaan bumi, terutama dalam bentuk senyawa kimia seperti hidrokarbon dan air. Gas hidrogen dihasilkan oleh beberapa bakteri dan ganggang dan merupakan komponen alami seruling, seperti halnya metana, yang merupakan sumber hidrogen yang semakin penting. Suatu bentuk molekul yang disebut hidrogen molekul terprotonasi (H+3) ditemukan di medium antarbintang, yang dihasilkan oleh ionisasi molekul hidrogen dari sinar kosmik. Ion bermuatan ini juga telah diamati di atmosfer bagian atas planet Jupiter. Ion ini relatif stabil di lingkungan karena suhu dan kepadatannya yang rendah. H+3 adalah salah satu ion paling melimpah di Alam Semesta dan berperan penting dalam kimia medium antarbintang. Hidrogen H3 triatomik netral hanya dapat ada dalam bentuk tereksitasi dan tidak stabil. Sebaliknya, ion hidrogen molekul positif (H+2) adalah molekul langka di Alam Semesta.

Produksi hidrogen

H2 diproduksi di laboratorium kimia dan biologi, seringkali sebagai produk sampingan dari reaksi lain; dalam industri untuk hidrogenasi substrat tak jenuh; dan di alam sebagai cara untuk menggantikan ekuivalen pereduksi dalam reaksi biokimia.

Reformasi uap

Hidrogen dapat diproduksi dengan beberapa cara, namun secara ekonomi proses yang paling penting adalah menghilangkan hidrogen dari hidrokarbon, karena sekitar 95% produksi hidrogen pada tahun 2000 berasal dari reformasi uap. Secara komersial, hidrogen dalam jumlah besar biasanya dihasilkan melalui reformasi uap gas alam. Pada suhu tinggi (1000-1400 K, 700-1100 °C atau 1300-2000 °F), uap (uap air) bereaksi dengan metana menghasilkan karbon monoksida dan H2.

CH4 + H2O → CO + 3 H2

Reaksi ini bekerja lebih baik pada tekanan rendah, namun dapat juga dilakukan pada tekanan tinggi (2,0 MPa, 20 atm, atau 600 inci air raksa). Hal ini karena H2 bertekanan tinggi adalah produk yang paling populer dan sistem pemanas bertekanan bekerja lebih baik pada tekanan yang lebih tinggi. Campuran produk ini dikenal sebagai "syngas" karena sering digunakan secara langsung untuk memproduksi metanol dan senyawa terkait. Hidrokarbon selain metana dapat digunakan untuk menghasilkan gas sintesis dengan rasio produk yang bervariasi. Salah satu dari banyak komplikasi dari teknologi yang sangat optimal ini adalah pembentukan kokas atau karbon:

CH4 → C + 2 H2

Oleh karena itu, steam reforming biasanya menggunakan kelebihan H2O. Hidrogen tambahan dapat diperoleh kembali dari uap menggunakan karbon monoksida melalui reaksi perpindahan gas air, terutama menggunakan katalis oksida besi. Reaksi ini juga merupakan sumber karbon dioksida industri yang umum:

CO + H2O → CO2 + H2

Metode penting lainnya untuk H2 termasuk oksidasi parsial hidrokarbon:

2 CH4 + O2 → 2 CO + 4 H2

Dan reaksi batubara yang dapat menjadi pendahuluan dari reaksi geser yang dijelaskan di atas:

C + H2O → CO + H2

Terkadang hidrogen diproduksi dan dikonsumsi dalam proses industri yang sama, tanpa pemisahan. Dalam proses Haber untuk memproduksi amonia, hidrogen dihasilkan dari gas alam. Elektrolisis air garam untuk menghasilkan klorin juga menghasilkan hidrogen sebagai produk sampingan.

Asam metalik

Di laboratorium, H2 biasanya dibuat dengan mereaksikan asam encer non-oksidasi dengan logam reaktif tertentu seperti seng dengan peralatan Kipp.

Zn + 2 H + → Zn2 + + H2

Aluminium juga dapat menghasilkan H2 jika diolah dengan basa:

2 Al + 6 H2O + 2 OH- → 2 Al (OH) -4 + 3 H2

Elektrolisis air adalah cara sederhana untuk menghasilkan hidrogen. Arus tegangan rendah mengalir melalui air dan gas oksigen dihasilkan di anoda, sedangkan gas hidrogen dihasilkan di katoda. Biasanya katoda terbuat dari platina atau logam inert lainnya saat memproduksi hidrogen untuk disimpan. Namun, jika gas akan dibakar di tempat, diperlukan adanya oksigen untuk membantu pembakaran dan oleh karena itu kedua elektroda akan dibuat dari logam inert. (Misalnya, besi teroksidasi dan karenanya mengurangi jumlah oksigen yang dihasilkan). Efisiensi maksimum teoritis (listrik yang digunakan relatif terhadap nilai energi hidrogen yang dihasilkan) berada pada kisaran 80-94%.

2 H2O (L) → 2 H2 (g) + O2 (g)

Paduan aluminium dan galium dalam bentuk butiran yang ditambahkan ke air dapat digunakan untuk menghasilkan hidrogen. Proses ini juga menghasilkan aluminium oksida, namun galium yang mahal, yang mencegah pembentukan kulit oksida pada pelet, dapat digunakan kembali. Hal ini mempunyai implikasi potensial yang penting terhadap perekonomian hidrogen, karena hidrogen dapat diproduksi secara lokal dan tidak perlu diangkut.

Sifat termokimia

Ada lebih dari 200 siklus termokimia yang dapat digunakan untuk memisahkan air, sekitar selusin siklus seperti siklus oksida besi, siklus cerium(IV) oksida, siklus seng-seng oksida, siklus sulfur yodium, siklus tembaga dan klorin dan hibrida siklus belerang sedang diteliti dan diuji untuk menghasilkan hidrogen dan oksigen dari air dan panas tanpa menggunakan listrik. Sejumlah laboratorium (termasuk di Perancis, Jerman, Yunani, Jepang dan Amerika Serikat) sedang mengembangkan metode termokimia untuk memproduksi hidrogen dari energi matahari dan air.

Korosi anaerobik

Dalam kondisi anaerobik, besi dan baja paduan dioksidasi secara perlahan oleh proton air sambil direduksi menjadi molekul hidrogen (H2). Korosi anaerobik pada besi pertama-tama mengarah pada pembentukan besi hidroksida (karat hijau) dan dapat dijelaskan dengan reaksi berikut: Fe + 2 H2O → Fe (OH) 2 + H2. Pada gilirannya, dalam kondisi anaerobik, besi hidroksida (Fe (OH) 2) dapat dioksidasi oleh proton air untuk membentuk magnetit dan molekul hidrogen. Proses ini dijelaskan oleh reaksi Shikorra: 3 Fe (OH) 2 → Fe3O4 + 2 H2O + H2 besi hidroksida → magnesium + air + hidrogen. Magnetit yang terkristal dengan baik (Fe3O4) secara termodinamika lebih stabil dibandingkan besi hidroksida (Fe (OH) 2). Proses ini terjadi selama korosi anaerobik pada besi dan baja di air tanah anoksik dan selama pemulihan tanah di bawah permukaan air.

Asal geologi: reaksi serpentinisasi

Dengan tidak adanya oksigen (O2) dalam kondisi geologi dalam yang jauh dari atmosfer bumi, hidrogen (H2) terbentuk selama proses serpentinisasi melalui oksidasi anaerobik oleh proton air (H+) dari besi silikat (Fe2+) yang ada di atmosfer. kisi kristal fayalite (Fe2SiO4, mineral olivin -kelenjar). Reaksi yang mengarah pada pembentukan magnetit (Fe3O4), kuarsa (SiO2) dan hidrogen (H2): 3Fe2SiO4 + 2 H2O → 2 Fe3O4 + 3 SiO2 + 3 H2 fayalite + air → magnetit + kuarsa + hidrogen. Reaksi ini sangat mirip dengan reaksi Shikorra yang diamati selama oksidasi anaerobik besi hidroksida jika bersentuhan dengan air.

Formasi pada transformator

Dari semua gas berbahaya yang dihasilkan pada transformator daya, hidrogen adalah yang paling umum dan dihasilkan pada sebagian besar gangguan; dengan demikian, pembentukan hidrogen merupakan tanda awal adanya masalah serius dalam siklus hidup transformator.

Aplikasi

Konsumsi dalam berbagai proses

H2 dalam jumlah besar dibutuhkan dalam industri perminyakan dan kimia. Pemanfaatan H2 terbesar adalah untuk pengolahan (“peningkatan”) bahan bakar fosil dan produksi amonia. Di pabrik petrokimia, H2 digunakan dalam hidrodealkilasi, hidrodesulfurisasi, dan perengkahan hidro. H2 memiliki beberapa kegunaan penting lainnya. H2 digunakan sebagai zat hidrogenasi, khususnya untuk meningkatkan tingkat kejenuhan lemak dan minyak tak jenuh (ditemukan dalam produk seperti margarin), dan dalam produksi metanol. Ini juga merupakan sumber hidrogen dalam produksi asam klorida. H2 juga digunakan sebagai zat pereduksi bijih logam. Hidrogen sangat larut dalam banyak logam tanah jarang dan logam transisi serta larut dalam logam nanokristalin dan amorf. Kelarutan hidrogen dalam logam bergantung pada distorsi lokal atau pengotor dalam kisi kristal. Hal ini berguna ketika hidrogen dimurnikan dengan melewati cakram paladium panas, namun kelarutan gas yang tinggi merupakan masalah metalurgi yang berkontribusi terhadap penggetasan banyak logam, sehingga mempersulit desain jaringan pipa dan tangki penyimpanan. Selain penggunaannya sebagai reagen, H2 memiliki aplikasi luas dalam bidang fisika dan teknologi. Ini digunakan sebagai gas pelindung dalam teknik pengelasan seperti pengelasan atom hidrogen. H2 digunakan sebagai pendingin rotor pada generator listrik di pembangkit listrik karena memiliki konduktivitas termal tertinggi dari semua gas. Cairan H2 digunakan dalam penelitian kriogenik, termasuk penelitian superkonduktivitas. Karena H2 lebih ringan dari udara, yaitu sedikit lebih besar dari 1/14 massa jenis udara, maka H2 pernah banyak digunakan sebagai gas pengangkat di balon dan kapal udara. Dalam aplikasi yang lebih baru, hidrogen digunakan secara murni atau dicampur dengan nitrogen (terkadang disebut gas pembentuk) sebagai gas pelacak untuk deteksi kebocoran instan. Hidrogen digunakan dalam industri otomotif, kimia, energi, dirgantara, dan telekomunikasi. Hidrogen adalah bahan tambahan makanan yang disetujui (E 949) yang memungkinkan pengujian kebocoran makanan, di antara sifat antioksidan lainnya. Isotop hidrogen yang langka juga memiliki kegunaan khusus. Deuterium (hidrogen-2) digunakan dalam aplikasi fisi nuklir sebagai moderator neutron lambat dan reaksi fusi nuklir. Senyawa deuterium digunakan dalam bidang kimia dan biologi untuk mempelajari efek isotop dari suatu reaksi. Tritium (hidrogen-3), diproduksi di reaktor nuklir, digunakan dalam produksi bom hidrogen, sebagai pelacak isotop dalam ilmu biologi, dan sebagai sumber radiasi pada cat bercahaya. Suhu titik tripel hidrogen kesetimbangan adalah titik tetap yang menentukan pada skala suhu ITS-90 pada 13,8033 kelvin.

Media pendingin

Hidrogen umumnya digunakan di pembangkit listrik sebagai pendingin generator karena sejumlah sifat menguntungkan yang merupakan akibat langsung dari molekul diatomiknya yang ringan. Ini termasuk kepadatan rendah, viskositas rendah, dan kapasitas panas spesifik serta konduktivitas termal tertinggi dari semua gas.

Pembawa energi

Hidrogen bukanlah sumber energi, kecuali dalam konteks hipotetis pembangkit listrik fusi komersial yang menggunakan deuterium atau tritium, sebuah teknologi yang saat ini masih jauh dari matang. Energi matahari berasal dari fusi nuklir hidrogen, namun proses ini sulit dicapai di Bumi. Unsur hidrogen dari sumber tenaga surya, biologis, atau listrik memerlukan lebih banyak energi untuk diproduksi daripada yang dikonsumsi saat membakarnya, sehingga dalam hal ini hidrogen berfungsi sebagai pembawa energi, mirip dengan baterai. Hidrogen dapat dihasilkan dari sumber fosil (seperti metana), namun sumber ini tidak dapat habis. Kerapatan energi per satuan volume hidrogen cair dan gas hidrogen terkompresi pada tekanan praktis apa pun secara signifikan lebih kecil dibandingkan sumber energi tradisional, meskipun kerapatan energi per satuan massa bahan bakar lebih tinggi. Namun, unsur hidrogen telah dibahas secara luas dalam konteks energi sebagai kemungkinan pembawa energi ekonomi masa depan. Misalnya, penyerapan CO2 yang diikuti dengan penangkapan dan penyimpanan karbon dapat dilakukan pada titik produksi H2 dari bahan bakar fosil. Hidrogen yang digunakan dalam transportasi akan terbakar dengan relatif bersih, dengan sedikit emisi NOx namun tidak ada emisi karbon. Namun, biaya infrastruktur yang terkait dengan konversi penuh ke ekonomi hidrogen akan sangat besar. Sel bahan bakar dapat mengubah hidrogen dan oksigen langsung menjadi listrik dengan lebih efisien dibandingkan mesin pembakaran internal.

Industri semikonduktor

Hidrogen digunakan untuk menjenuhkan ikatan silikon amorf dan karbon amorf yang menjuntai, yang membantu menstabilkan sifat material. Ia juga merupakan donor elektron potensial dalam berbagai bahan oksida, termasuk ZnO, SnO2, CdO, MgO, ZrO2, HfO2, La2O3, Y2O3, TiO2, SrTiO3, LaAlO3, SiO2, Al2O3, ZrSiO4, HfSiO4 dan SrZrO3.

Reaksi biologis

H2 merupakan produk metabolisme anaerobik dan dihasilkan oleh beberapa mikroorganisme, biasanya melalui reaksi yang dikatalisis oleh enzim yang mengandung besi atau nikel yang disebut hidrogenase. Enzim ini mengkatalisis reaksi redoks reversibel antara H2 dan komponennya - dua proton dan dua elektron. Penciptaan gas hidrogen terjadi dengan mentransfer ekuivalen pereduksi yang dihasilkan oleh fermentasi piruvat ke dalam air. Siklus alami produksi dan konsumsi hidrogen oleh organisme disebut siklus hidrogen. Pemisahan air, proses penguraian air menjadi proton, elektron, dan oksigen penyusunnya, terjadi dalam reaksi terang di semua organisme fotosintetik. Beberapa organisme seperti itu, termasuk alga Chlamydomonas Reinhardtii dan cyanobacteria, telah mengembangkan tahap kedua dalam reaksi gelap di mana proton dan elektron direduksi menjadi gas H2 oleh hidrogenase khusus di kloroplas. Upaya telah dilakukan untuk memodifikasi secara genetis cyanobacterial hydrases untuk mensintesis gas H2 secara efisien bahkan dengan adanya oksigen. Upaya juga telah dilakukan dengan menggunakan alga hasil rekayasa genetika dalam bioreaktor.

HIDROGEN
N (lat. hidrogenium),
unsur kimia berbentuk gas yang paling ringan merupakan anggota subgolongan IA pada tabel periodik unsur, kadang-kadang diklasifikasikan sebagai subgolongan VIIA. Di atmosfer bumi, hidrogen dalam keadaan tidak terikat hanya sepersekian menit; jumlahnya 1-2 bagian per 1.500.000 bagian udara. Gas ini biasanya dilepaskan bersama gas lain selama letusan gunung berapi, dari sumur minyak, dan di tempat di mana sejumlah besar bahan organik terurai. Hidrogen bergabung dengan karbon dan/atau oksigen dalam bahan organik seperti karbohidrat, hidrokarbon, lemak, dan protein hewani. Di hidrosfer, hidrogen merupakan bagian dari air, senyawa paling umum di Bumi. Di bebatuan, tanah, tanah, dan bagian lain kerak bumi, hidrogen bergabung dengan oksigen membentuk air dan ion hidroksida OH-. Hidrogen membentuk 16% dari seluruh atom di kerak bumi, tetapi hanya sekitar 1% massanya, karena 16 kali lebih ringan dari oksigen. Massa Matahari dan bintang-bintang adalah 70% plasma hidrogen: ini adalah unsur paling umum di ruang angkasa. Konsentrasi hidrogen di atmosfer bumi meningkat seiring dengan ketinggian karena kepadatannya yang rendah dan kemampuannya untuk naik ke ketinggian. Meteorit yang ditemukan di permukaan bumi mengandung 6-10 atom hidrogen per 100 atom silikon.
Referensi sejarah. Dokter dan naturalis Jerman lainnya Paracelsus di abad ke-16. menetapkan sifat mudah terbakar hidrogen. Pada tahun 1700 N. Lemery menemukan bahwa gas yang dilepaskan akibat aksi asam sulfat pada besi meledak di udara. Hidrogen sebagai suatu unsur diidentifikasi oleh G. Cavendish pada tahun 1766 dan menyebutnya “udara yang mudah terbakar”, dan pada tahun 1781 ia membuktikan bahwa air adalah produk interaksinya dengan oksigen. Hidrogenium Latin, yang berasal dari kombinasi Yunani “melahirkan air”, diberikan kepada unsur ini oleh A. Lavoisier.
Ciri-ciri umum hidrogen. Hidrogen adalah unsur pertama dalam tabel periodik unsur; atomnya terdiri dari satu proton dan satu elektron yang berputar mengelilinginya
(lihat juga SISTEM ELEMEN PERIODIK).
Satu dari 5000 atom hidrogen dibedakan dengan adanya satu neutron di dalam inti, sehingga meningkatkan massa inti dari 1 menjadi 2. Isotop hidrogen ini disebut deuterium 21H atau 21D. Isotop hidrogen lain yang lebih langka mengandung dua neutron di dalam intinya dan disebut tritium 31H atau 31T. Tritium bersifat radioaktif dan meluruh untuk melepaskan helium dan elektron. Inti dari isotop hidrogen yang berbeda berbeda dalam putaran protonnya. Hidrogen dapat diperoleh a) melalui aksi logam aktif pada air, b) melalui aksi asam pada logam tertentu, c) melalui aksi basa pada silikon dan beberapa logam amfoter, d) melalui aksi uap super panas pada batubara dan metana, serta besi, e) melalui dekomposisi elektrolitik air dan dekomposisi termal hidrokarbon. Aktivitas kimia hidrogen ditentukan oleh kemampuannya untuk menyumbangkan elektron ke atom lain atau membaginya hampir sama dengan unsur lain ketika membentuk ikatan kimia, atau untuk mengikat elektron dari unsur lain ke dalam senyawa kimia yang disebut hidrida. Hidrogen yang dihasilkan oleh industri digunakan dalam jumlah besar untuk sintesis amonia, asam nitrat, dan hidrida logam. Industri makanan menggunakan hidrogen untuk menghidrogenasi (menghidrogenasi) minyak nabati cair menjadi lemak padat (seperti margarin). Selama hidrogenasi, minyak organik jenuh yang mengandung ikatan rangkap antar atom karbon diubah menjadi minyak jenuh yang memiliki ikatan karbon-karbon tunggal. Hidrogen cair dengan kemurnian tinggi (99,9998%) digunakan dalam roket luar angkasa sebagai bahan bakar yang sangat efisien.
Properti fisik. Hidrogen memerlukan suhu yang sangat rendah dan tekanan tinggi untuk mencair dan mengeras (lihat tabel properti). Dalam kondisi normal, hidrogen adalah gas tidak berwarna, tidak berbau dan tidak berasa, sangat ringan: 1 liter hidrogen pada 0° C dan tekanan atmosfer memiliki massa 0,08987 g (lih. massa jenis udara dan helium 1,2929 dan 0,1785 g/l, masing-masing; oleh karena itu, balon berisi helium dan memiliki daya angkat yang sama dengan balon berisi hidrogen seharusnya memiliki volume 8% lebih besar). Tabel tersebut menunjukkan beberapa sifat fisik dan termodinamika hidrogen. SIFAT-SIFAT HIDROGEN BIASA
(pada 273,16 K, atau 0 °C)
Nomor atom 1 Massa atom 11H 1,00797 Massa jenis, g/l

pada tekanan normal 0,08987 pada 2,5*10 5 atm 0,66 pada 2,7*10 18 atm 1,12*10 7

Jari-jari kovalen, 0,74 Titik lebur, °C -259,14 Titik didih, °C -252,5 Suhu kritis, °C -239,92 (33,24 K) Tekanan kritis, atm 12,8 (12,80 K) Kapasitas panas, J/(molK) 28,8 (H2) Kelarutan

dalam air, volume/100 volume H2O (dalam kondisi standar) 2,148 dalam benzena, ml/g (35,2° C, 150,2 atm) 11,77 dalam amonia, ml/g (25° C) pada 50 atm 4 ,47 pada 1000 atm 79.25

Keadaan oksidasi -1, +1
Struktur atom. Atom hidrogen biasa (protium) terdiri dari dua partikel fundamental (proton dan elektron) dan memiliki massa atom 1. Karena kecepatan elektron yang sangat besar (2,25 km/s atau 7*1015 rpm) dan gelombang sel dualistiknya sifatnya, tidak mungkin menentukan secara akurat koordinat (posisi) elektron pada waktu tertentu, tetapi ada beberapa daerah yang kemungkinan besar ditemukannya elektron, dan daerah tersebut menentukan ukuran atom. Sebagian besar sifat kimia dan fisik hidrogen, terutama yang berkaitan dengan eksitasi (penyerapan energi), diprediksi secara akurat secara matematis (lihat SPECTROSCOPY). Hidrogen mirip dengan logam alkali karena semua unsur mampu menyumbangkan elektron ke atom akseptor untuk membentuk ikatan kimia yang berkisar dari ionik parsial (berbagi elektron) hingga kovalen (berbagi pasangan elektron). Dengan akseptor elektron yang kuat, hidrogen membentuk ion H+ positif, yaitu proton. Terdapat 2 elektron dalam orbit elektron atom hidrogen, sehingga hidrogen juga mampu menerima elektron, membentuk ion negatif H-, ion hidrida, dan ini membuat hidrogen mirip dengan halogen, yang dicirikan dengan menerima elektron. untuk membentuk ion halida negatif seperti Cl-. Dualisme hidrogen tercermin dari fakta bahwa dalam tabel periodik unsur ia ditempatkan dalam subkelompok IA (logam alkali), dan kadang-kadang dalam subkelompok VIIA (halogen) (lihat juga KIMIA).
Sifat kimia. Sifat kimia hidrogen ditentukan oleh elektron tunggalnya. Jumlah energi yang dibutuhkan untuk melepaskan elektron ini lebih besar daripada yang dapat dihasilkan oleh zat pengoksidasi kimia mana pun. Oleh karena itu, ikatan kimia hidrogen dengan atom lain lebih dekat ke kovalen daripada ionik. Ikatan kovalen murni terjadi ketika molekul hidrogen terbentuk: H + H H2
Ketika satu mol (yaitu 2 g) H2 terbentuk, 434 kJ dilepaskan. Bahkan pada 3000 K, derajat disosiasi hidrogen sangat kecil yaitu sebesar 9,03%; pada 5000 K mencapai 94%, dan hanya pada 10.000 K disosiasi menjadi sempurna. Ketika dua mol (36 g) air terbentuk dari atom hidrogen dan oksigen (4H + O2 -> 2H2O), lebih dari 1250 kJ dilepaskan dan suhu mencapai 3000-4000 ° C, sedangkan selama pembakaran molekul hidrogen (2H2 + O2 -> 2H2O) hanya 285,8 kJ dan suhu nyala api hanya mencapai 2500 °C. Pada suhu kamar, hidrogen kurang reaktif. Untuk memulai sebagian besar reaksi, ikatan H-H yang kuat harus diputus atau dilemahkan, sehingga mengeluarkan banyak energi. Laju reaksi hidrogen meningkat dengan penggunaan katalis (logam golongan platinum, oksida logam transisi atau berat) dan metode eksitasi molekul (cahaya, pelepasan listrik, busur listrik, suhu tinggi). Dalam kondisi seperti itu, hidrogen bereaksi dengan hampir semua unsur kecuali gas mulia. Unsur alkali dan alkali tanah yang reaktif (seperti litium dan kalsium) bereaksi dengan hidrogen, menyumbangkan elektron dan membentuk senyawa yang disebut garam hidrida (2Li + H2 -> 2LiH; Ca + H2 -> CaH2).
Secara umum, hidrida adalah senyawa yang mengandung hidrogen. Beragamnya sifat senyawa tersebut (tergantung pada atom yang terikat pada hidrogen) dijelaskan oleh kemampuan hidrogen untuk menunjukkan muatan dari -1 hingga hampir +1. Hal ini terlihat jelas dalam kemiripan antara LiH dan CaH2 serta garam seperti NaCl dan CaCl2. Dalam hidrida, hidrogen dianggap bermuatan negatif (H-); ion tersebut merupakan zat pereduksi dalam media berair asam: 2H- H2 + 2e- + 2.25B. Ion H- mampu mereduksi proton air H+ menjadi gas hidrogen: H- + H2O (r) H2 + OH-.
Senyawa hidrogen dengan boron - borohidrida (borohidrida) - mewakili kelas zat yang tidak biasa yang disebut boran. Perwakilan paling sederhana mereka adalah BH3, yang hanya ada dalam bentuk stabil diboran B2H6. Senyawa dengan sejumlah besar atom boron dibuat dengan cara yang berbeda. Misalnya saja yang diketahui adalah tetraborane B4H10, pentaborane stabil B5H9 dan pentaborane B5H11 tidak stabil, hexaborane B6H10, decaborane B10H14. Diborana dapat diperoleh dari H2 dan BCl3 melalui senyawa antara B2H5Cl, yang pada 0 ° C tidak proporsional dengan B2H6, serta melalui reaksi LiH atau litium aluminium hidrida LiAlH4 dengan BCl3. Dalam litium aluminium hidrida (senyawa kompleks - garam hidrida), empat atom hidrogen membentuk ikatan kovalen dengan Al, tetapi terdapat ikatan ionik antara Li+ dan []-. Contoh lain ion yang mengandung hidrogen adalah ion borohidrida BH4-. Di bawah ini adalah klasifikasi kasar hidrida menurut sifat-sifatnya menurut kedudukan unsur-unsur dalam tabel periodik unsur. Hidrida logam transisi disebut logam atau perantara dan seringkali tidak membentuk senyawa stoikiometri, mis. perbandingan atom hidrogen terhadap logam tidak dinyatakan sebagai bilangan bulat, misalnya vanadium hidrida VH0.6 dan torium hidrida ThH3.1. Logam golongan platina (Ru, Rh, Pd, Os, Ir dan Pt) aktif menyerap hidrogen dan berfungsi sebagai katalis efektif untuk reaksi hidrogenasi (misalnya, hidrogenasi minyak cair menjadi lemak, konversi nitrogen menjadi amonia, sintesis metanol CH3OH dari BERSAMA). Hidrida Be, Mg, Al dan subkelompok Cu, Zn, Ga bersifat polar dan tidak stabil secara termal.

Nonlogam membentuk hidrida yang mudah menguap dengan rumus umum MHx (x adalah bilangan bulat) dengan titik didih yang relatif rendah dan tekanan uap yang tinggi. Hidrida ini sangat berbeda dengan hidrida garam, dimana hidrogen mempunyai muatan yang lebih negatif. Dalam hidrida yang mudah menguap (misalnya hidrokarbon), ikatan kovalen antara nonlogam dan hidrogen mendominasi. Dengan meningkatnya sifat nonlogam maka akan terbentuk senyawa dengan ikatan ionik parsial, misalnya H+Cl-, (H2)2+O2-, N3-(H3)3+. Beberapa contoh pembentukan berbagai hidrida diberikan di bawah ini (panas pembentukan hidrida ditunjukkan dalam tanda kurung):

Isomerisme dan isotop hidrogen. Atom-atom isotop hidrogen tidak sama. Hidrogen biasa, protium, selalu merupakan proton yang mengelilingi satu elektron, terletak pada jarak yang sangat jauh dari proton (relatif terhadap ukuran proton). Kedua partikel mempunyai spin, sehingga atom hidrogen dapat berbeda dalam spin elektron, spin proton, atau keduanya. Atom hidrogen yang berbeda putaran proton atau elektronnya disebut isomer. Kombinasi dua atom dengan spin paralel menghasilkan pembentukan molekul “ortohidrogen”, dan atom dengan spin proton berlawanan menghasilkan molekul “parahidrogen”. Secara kimia, kedua molekul itu identik. Ortohidrogen memiliki momen magnet yang sangat lemah. Pada suhu kamar atau suhu tinggi, kedua isomer, ortohidrogen dan parahidrogen, biasanya berada dalam kesetimbangan dengan perbandingan 3:1. Ketika didinginkan hingga 20 K (-253°C), kandungan parahidrogen meningkat hingga 99%, karena lebih stabil. Ketika dicairkan dengan metode pemurnian industri, ortoform berubah menjadi paraform dengan pelepasan panas, yang menyebabkan hilangnya hidrogen melalui penguapan. Laju konversi ortoform menjadi paraform meningkat dengan adanya katalis, seperti arang, nikel oksida, kromium oksida yang didukung pada alumina. Protium adalah unsur yang tidak biasa karena tidak memiliki neutron di intinya. Jika sebuah neutron muncul di dalam inti, maka hidrogen tersebut disebut deuterium 21D. Unsur-unsur dengan jumlah proton dan elektron yang sama serta jumlah neutron yang berbeda disebut isotop. Hidrogen alami mengandung sebagian kecil HD dan D2. Demikian pula, air alami mengandung konsentrasi DOH dan D2O yang rendah (kurang dari 0,1%). Air berat D2O yang massanya lebih besar dari H2O memiliki sifat fisika dan kimia yang berbeda, misalnya massa jenis air biasa adalah 0,9982 g/ml (20° C), dan massa jenis air berat adalah 1,105 g/ml. , titik leleh air biasa adalah 0,0 ° C, dan air berat - 3,82 ° C, titik didih masing-masing - 100 ° C dan 101,42 ° C. Reaksi yang melibatkan D2O berlangsung pada kecepatan yang lebih rendah (misalnya, elektrolisis air alami mengandung campuran D2O dengan penambahan alkali NaOH ). Laju dekomposisi elektrolitik protium oksida H2O lebih besar dibandingkan D2O (dengan mempertimbangkan peningkatan konstan proporsi D2O yang mengalami elektrolisis). Karena sifat protium dan deuterium yang serupa, protium dapat diganti dengan deuterium. Koneksi seperti ini disebut dengan apa yang disebut tag. Dengan mencampurkan senyawa deuterium dengan zat biasa yang mengandung hidrogen, jalur, sifat, dan mekanisme banyak reaksi dapat dipelajari. Metode ini digunakan untuk mempelajari reaksi biologis dan biokimia, seperti proses pencernaan. Isotop hidrogen ketiga, tritium (31T), terdapat secara alami dalam jumlah kecil. Tidak seperti deuterium stabil, tritium bersifat radioaktif dan memiliki waktu paruh 12,26 tahun. Tritium meluruh menjadi helium (32He) melepaskan partikel b (elektron). Tritium dan logam tritida digunakan untuk menghasilkan energi nuklir; misalnya, dalam bom hidrogen terjadi reaksi fusi termonuklir berikut: 21H + 31H -> 42He + 10n + 17,6 MeV
Produksi hidrogen. Seringkali, penggunaan hidrogen lebih lanjut ditentukan oleh sifat produksi itu sendiri. Dalam beberapa kasus, misalnya dalam sintesis amonia, sejumlah kecil nitrogen dalam hidrogen awal, tentu saja, bukanlah pengotor yang berbahaya. Pencampuran karbon(II) monoksida juga tidak akan menjadi masalah jika hidrogen digunakan sebagai zat pereduksi. 1. Produksi hidrogen terbesar didasarkan pada konversi katalitik hidrokarbon dengan uap menurut skema CnH2n + 2 + nH2O (r) nCO + (2n + 1)H2 dan CnH2n + 2 + 2nH2O (r) nCO2 + (3n + 1)H2. Suhu proses tergantung pada komposisi katalis. Diketahui bahwa suhu reaksi dengan propana dapat diturunkan hingga 370 °C dengan menggunakan bauksit sebagai katalis. Hingga 95% CO yang dihasilkan dalam hal ini dikonsumsi dalam reaksi lebih lanjut dengan uap air: H2O + CO -> CO2 + H2
2. Metode gas air menyumbang sebagian besar produksi hidrogen total. Inti dari metode ini adalah reaksi uap air dengan kokas membentuk campuran CO dan H2. Reaksinya bersifat endotermik (DH° = 121,8 kJ/mol) dan berlangsung pada 1000°C. Kokas yang dipanaskan diolah dengan uap; Campuran gas murni yang dilepaskan mengandung sejumlah hidrogen, sebagian besar CO, dan sedikit campuran CO2. Untuk meningkatkan hasil H2, CO monoksida dihilangkan dengan pengolahan uap lebih lanjut pada suhu 370°C, yang menghasilkan lebih banyak CO2. Karbon dioksida cukup mudah dihilangkan dengan melewatkan campuran gas melalui scrubber yang disemprot dengan air berlawanan arah. 3. Elektrolisis. Dalam proses elektrolitik, hidrogen sebenarnya merupakan produk sampingan dari produksi produk utama, klor alkali (NaOH). Elektrolisis dilakukan dalam lingkungan berair sedikit basa pada suhu 80° C dan tegangan sekitar 2V, menggunakan katoda besi dan anoda nikel:

4. Metode besi-uap, dimana uap pada suhu 500-1000 °C dilewatkan melalui besi: 3Fe + 4H2O Fe3O4 + 4H2 + 160,67 kJ. Hidrogen yang dihasilkan dengan metode ini biasanya digunakan untuk menghidrogenasi lemak dan minyak. Komposisi oksida besi bergantung pada suhu proses; pada nC + (n + 1)H2
6. Volume produksi terbesar berikutnya adalah metode uap metanol: CH3OH + H2O -> 3H2 + CO2. Reaksi bersifat endotermik dan dilakukan pada HIDROGEN 260° C dalam reaktor baja konvensional pada tekanan hingga 20 atm. 7. Dekomposisi katalitik amonia: 2NH3 -> Reaksinya bersifat reversibel. Jika kebutuhan hidrogen sedikit, proses ini tidak ekonomis. Ada juga berbagai metode untuk memproduksi hidrogen, yang meskipun tidak terlalu penting bagi industri, dalam beberapa kasus mungkin terbukti paling menguntungkan secara ekonomi. Hidrogen yang sangat murni diperoleh melalui hidrolisis hidrida logam alkali murni; dalam hal ini, banyak hidrogen terbentuk dari sejumlah kecil hidrida: LiH + H2O -> LiOH + H2
(Metode ini berguna bila hidrogen yang dihasilkan digunakan secara langsung.) Ketika asam berinteraksi dengan logam aktif, hidrogen juga dilepaskan, tetapi biasanya terkontaminasi dengan uap asam atau produk gas lainnya, misalnya fosfin PH3, hidrogen sulfida H2S, arsin AsH3 . Logam paling aktif, bereaksi dengan air, menggantikan hidrogen dan membentuk larutan basa: 2H2O + 2Na -> H2 + 2NaOH Metode laboratorium yang umum untuk memperoleh H2 dalam peralatan Kipp adalah dengan mereaksikan seng dengan asam klorida atau asam sulfat:
Zn + 2HCl -> ZnCl2 + H2. Hidrida logam alkali tanah (misalnya CaH2), hidrida garam kompleks (misalnya LiAlH4 atau NaBH4) dan beberapa borohidrida (misalnya B2H6) melepaskan hidrogen ketika bereaksi dengan air atau selama disosiasi termal. Batubara coklat dan uap pada suhu tinggi juga bereaksi melepaskan hidrogen.
Pemurnian hidrogen. Tingkat kemurnian hidrogen yang dibutuhkan ditentukan oleh bidang penerapannya. Pengotor karbon dioksida dihilangkan dengan pembekuan atau pencairan (misalnya, dengan melewatkan campuran gas melalui nitrogen cair). Pengotor yang sama dapat dihilangkan seluruhnya dengan menggelembungkan air. CO dapat dihilangkan dengan konversi katalitik menjadi CH4 atau CO2 atau dengan pencairan melalui pengolahan dengan nitrogen cair. Pengotor oksigen yang terbentuk selama proses elektrolisis dihilangkan dalam bentuk air setelah pelepasan bunga api.
Penerapan hidrogen. Hidrogen digunakan terutama dalam industri kimia untuk produksi hidrogen klorida, amonia, metanol dan senyawa organik lainnya. Ini digunakan dalam hidrogenasi minyak, serta batu bara dan minyak bumi (untuk mengubah bahan bakar tingkat rendah menjadi bahan bakar berkualitas tinggi). Dalam metalurgi, beberapa logam non-besi direduksi dari oksidanya menggunakan hidrogen. Hidrogen digunakan untuk mendinginkan generator listrik yang bertenaga. Isotop hidrogen digunakan dalam energi nuklir. Api hidrogen-oksigen digunakan untuk memotong dan mengelas logam.
LITERATUR
Nekrasov B.V. Dasar-dasar kimia umum. M., 1973 Hidrogen cair. M., 1980 Hidrogen dalam logam. M., 1981

Ensiklopedia Collier. - Masyarakat Terbuka. 2000 .

Sinonim:

Lihat apa itu "HIDROGEN" di kamus lain:

Tabel nuklida Informasi umum Nama, simbol Hidrogen 4, 4H Neutron 3 Proton 1 Sifat nuklida Massa atom 4.027810(110) ... Wikipedia

Tabel nuklida Informasi umum Nama, simbol Hidrogen 5, 5H Neutron 4 Proton 1 Sifat nuklida Massa atom 5.035310(110) ... Wikipedia

Tabel nuklida Informasi umum Nama, simbol Hidrogen 6, 6H Neutron 5 Proton 1 Sifat nuklida Massa atom 6.044940(280) ... Wikipedia

Tabel nuklida Informasi umum Nama, simbol Hidrogen 7, 7H Neutron 6 Proton 1 Sifat nuklida Massa atom 7.052750 (1080) ... Wikipedia