Hidrogen adalah apa gas. Hidrogen - zat apa ini? Sifat kimia dan fisik hidrogen

Dalam sistem periodik, ia memiliki posisi spesifiknya sendiri, yang mencerminkan sifat-sifat yang ditunjukkannya dan berbicara tentang struktur elektroniknya. Namun, di antara semuanya ada satu atom khusus yang menempati dua sel sekaligus. Itu terletak di dua kelompok elemen yang sepenuhnya berlawanan dalam sifat yang dimanifestasikan. Ini adalah hidrogen. Fitur-fitur ini membuatnya unik.

Hidrogen bukan hanya unsur, tetapi juga zat sederhana, serta bagian integral dari banyak senyawa kompleks, unsur biogenik dan organogenik. Karena itu, kami mempertimbangkan karakteristik dan propertinya secara lebih rinci.

Hidrogen sebagai unsur kimia

Hidrogen adalah unsur dari kelompok pertama dari subkelompok utama, serta kelompok ketujuh dari subkelompok utama pada periode kecil pertama. Periode ini hanya terdiri dari dua atom: helium dan elemen yang sedang kita bahas. Mari kita jelaskan fitur utama dari posisi hidrogen dalam sistem periodik.

  1. Nomor urut hidrogen adalah 1, jumlah elektron sama, masing-masing, jumlah proton sama. Massa atom adalah 1,00795. Ada tiga isotop unsur ini dengan nomor massa 1, 2, 3. Namun, sifat masing-masing sangat berbeda, karena peningkatan massa bahkan satu untuk hidrogen langsung berlipat ganda.
  2. Fakta bahwa ia hanya mengandung satu elektron di bagian luar memungkinkannya untuk berhasil menunjukkan sifat pengoksidasi dan pereduksi. Selain itu, setelah pemberian elektron, ia tetap menjadi orbital bebas, yang mengambil bagian dalam pembentukan ikatan kimia menurut mekanisme donor-akseptor.
  3. Hidrogen merupakan reduktor kuat. Oleh karena itu, kelompok pertama dari subkelompok utama dianggap sebagai tempat utamanya, di mana ia memimpin logam paling aktif - alkali.
  4. Namun, ketika berinteraksi dengan zat pereduksi kuat, seperti, misalnya, logam, ia juga dapat menjadi zat pengoksidasi, menerima elektron. Senyawa ini disebut hidrida. Atas dasar ini, ia mengepalai subkelompok halogen, yang serupa.
  5. Karena massa atomnya yang sangat kecil, hidrogen dianggap sebagai unsur paling ringan. Selain itu, kerapatannya juga sangat rendah, sehingga juga menjadi tolak ukur ringannya.

Dengan demikian, jelaslah bahwa atom hidrogen benar-benar unik, tidak seperti semua unsur lainnya. Akibatnya, sifat-sifatnya juga istimewa, dan zat sederhana dan kompleks yang terbentuk sangat penting. Mari kita pertimbangkan lebih lanjut.

bahan sederhana

Jika kita berbicara tentang elemen ini sebagai molekul, maka kita harus mengatakan bahwa itu adalah diatomik. Artinya, hidrogen (zat sederhana) adalah gas. Rumus empirisnya akan ditulis sebagai H 2, dan grafiknya - melalui satu ikatan sigma H-H. Mekanisme pembentukan ikatan antar atom adalah kovalen non-polar.

  1. Reformasi uap metana.
  2. Gasifikasi batubara - prosesnya melibatkan pemanasan batubara hingga 1000 0 C, menghasilkan pembentukan hidrogen dan batubara karbon tinggi.
  3. Elektrolisa. Metode ini hanya dapat digunakan untuk larutan berair dari berbagai garam, karena lelehan tidak menyebabkan pelepasan air di katoda.

Metode laboratorium untuk memproduksi hidrogen:

  1. Hidrolisis hidrida logam.
  2. Aksi asam encer pada logam aktif dan aktivitas sedang.
  3. Interaksi logam alkali dan alkali tanah dengan air.

Untuk mengumpulkan hidrogen yang dihasilkan, tabung reaksi harus terbalik. Lagi pula, gas ini tidak dapat dikumpulkan dengan cara yang sama seperti, misalnya, karbon dioksida. Ini adalah hidrogen, jauh lebih ringan dari udara. Ini menguap dengan cepat, dan meledak ketika dicampur dengan udara dalam jumlah besar. Oleh karena itu, tabung harus dibalik. Setelah diisi, itu harus ditutup dengan sumbat karet.

Untuk memeriksa kemurnian hidrogen yang terkumpul, Anda harus membawa korek api yang menyala ke leher. Jika kapas tuli dan tenang, maka gasnya bersih, dengan sedikit kotoran udara. Jika keras dan bersiul, itu kotor, dengan sebagian besar komponen asing.

Area penggunaan

Ketika hidrogen dibakar, sejumlah besar energi (panas) dilepaskan sehingga gas ini dianggap sebagai bahan bakar yang paling menguntungkan. Selain itu, ramah lingkungan. Namun, penggunaannya di area ini saat ini terbatas. Ini disebabkan oleh masalah yang tidak dipahami dan belum terpecahkan dalam mensintesis hidrogen murni, yang akan cocok untuk digunakan sebagai bahan bakar di reaktor, mesin dan perangkat portabel, serta boiler pemanas perumahan.

Lagi pula, metode untuk mendapatkan gas ini cukup mahal, jadi pertama-tama perlu dikembangkan metode sintesis khusus. Salah satu yang akan memungkinkan Anda untuk menerima produk di volume besar dan dengan biaya minimal.

Ada beberapa area utama di mana gas yang kami pertimbangkan digunakan.

  1. Sintesis kimia. Berdasarkan hidrogenasi, sabun, margarin, dan plastik diperoleh. Dengan partisipasi hidrogen, metanol dan amonia disintesis, serta senyawa lainnya.
  2. Dalam industri makanan - sebagai aditif E949.
  3. Industri penerbangan (pembuatan roket, pembuatan pesawat terbang).
  4. Industri tenaga.
  5. Meteorologi.
  6. Bahan bakar jenis ramah lingkungan.

Jelas, hidrogen sama pentingnya dengan melimpah di alam. Peran yang lebih besar dimainkan oleh berbagai senyawa yang dibentuk olehnya.

Senyawa hidrogen

Ini adalah zat kompleks yang mengandung atom hidrogen. Ada beberapa jenis utama zat tersebut.

  1. Hidrogen halida. Rumus umumnya adalah HHal. Yang paling penting di antara mereka adalah hidrogen klorida. Ini adalah gas yang larut dalam air untuk membentuk larutan asam klorida. Asam ini banyak digunakan di hampir semua sintesis kimia. Dan baik organik maupun anorganik. Hidrogen klorida adalah senyawa yang memiliki rumus empiris HCL dan merupakan salah satu yang terbesar dalam hal produksi di negara kita setiap tahunnya. Hidrogen halida juga termasuk hidrogen iodida, hidrogen fluorida, dan hidrogen bromida. Semuanya membentuk asam yang sesuai.
  2. Volatile Hampir semuanya adalah gas yang cukup beracun. Misalnya hidrogen sulfida, metana, silan, fosfin dan lain-lain. Namun, mereka sangat mudah terbakar.
  3. Hidrida adalah senyawa dengan logam. Mereka termasuk dalam kelas garam.
  4. Hidroksida: basa, asam dan senyawa amfoter. Komposisi mereka harus mencakup atom hidrogen, satu atau lebih. Contoh : NaOH, K2 , H2SO4 dan lain-lain.
  5. Hidrogen hidroksida. Senyawa ini lebih dikenal dengan air. Nama lain hidrogen oksida. Rumus empiris terlihat seperti ini - H 2 O.
  6. Hidrogen peroksida. Ini adalah oksidator terkuat, rumusnya adalah H 2 O 2.
  7. Banyak senyawa organik: hidrokarbon, protein, lemak, lipid, vitamin, hormon, minyak atsiri dan lain-lain.

Jelas, variasi senyawa dari unsur yang kita pertimbangkan sangat besar. Ini sekali lagi menegaskan pentingnya tinggi bagi alam dan manusia, serta untuk semua makhluk hidup.

adalah pelarut terbaik

Seperti disebutkan di atas, nama umum untuk zat ini adalah air. Terdiri dari dua atom hidrogen dan satu oksigen, saling berhubungan oleh ikatan polar kovalen. Molekul air adalah dipol, yang menjelaskan banyak sifat-sifatnya. Secara khusus, fakta bahwa itu adalah pelarut universal.

Di lingkungan akuatik inilah hampir semua proses kimia terjadi. Reaksi internal metabolisme plastik dan energi pada organisme hidup juga dilakukan dengan bantuan hidrogen oksida.

Air dianggap sebagai zat terpenting di planet ini. Diketahui bahwa tidak ada organisme hidup yang dapat hidup tanpanya. Di Bumi, ia dapat eksis dalam tiga keadaan agregasi:

  • cairan;
  • gas (uap);
  • padat (es).

Tergantung pada isotop hidrogen yang merupakan bagian dari molekul, ada tiga jenis air.

  1. Cahaya atau protium. Isotop dengan nomor massa 1. Rumusnya adalah H 2 O. Ini adalah bentuk yang biasa digunakan semua organisme.
  2. Deuterium atau berat, rumusnya adalah D 2 O. Mengandung isotop 2 H.
  3. Super berat atau tritium. Rumusnya terlihat seperti T 3 O, isotopnya adalah 3 H.

Cadangan air protium segar di planet ini sangat penting. Itu sudah kurang di banyak negara. Metode sedang dikembangkan untuk mengolah air asin untuk mendapatkan air minum.

Hidrogen peroksida adalah obat universal

Senyawa ini, seperti disebutkan di atas, adalah zat pengoksidasi yang sangat baik. Namun, dengan perwakilan yang kuat, ia juga dapat berperilaku sebagai peredam. Selain itu, ia memiliki efek bakterisida yang nyata.

Nama lain dari senyawa ini adalah peroksida. Dalam bentuk inilah ia digunakan dalam pengobatan. Larutan 3% dari hidrat kristalin dari senyawa yang dimaksud adalah obat medis yang digunakan untuk mengobati luka kecil untuk dekontaminasi. Namun, telah terbukti bahwa dalam kasus ini, penyembuhan luka dari waktu ke waktu meningkat.

Juga, hidrogen peroksida digunakan dalam bahan bakar roket, dalam industri untuk desinfeksi dan pemutihan, sebagai bahan pembusa untuk produksi bahan yang sesuai (busa, misalnya). Selain itu, peroksida membantu membersihkan akuarium, memutihkan rambut, dan memutihkan gigi. Namun, pada saat yang sama merusak jaringan, oleh karena itu tidak direkomendasikan oleh spesialis untuk tujuan ini.

Hidrogen

HIDROGEN-sebuah; m. Unsur kimia (H), gas ringan, tidak berwarna dan tidak berbau yang bergabung dengan oksigen untuk membentuk air.

◁ Hidrogen, th, th. koneksi V. bakteri V. Bom ke-V(bom dengan kekuatan penghancur yang sangat besar, efek ledakannya didasarkan pada reaksi termonuklir). Hidrogen, th, th.

hidrogen

(lat. Hidrogenium), unsur kimia golongan VII sistem periodik. Di alam, ada dua isotop stabil (protium dan deuterium) dan satu isotop radioaktif (tritium). Molekulnya adalah diatomik (H 2). Gas tidak berwarna dan tidak berbau; kepadatan 0,0899 g/l, t kip - 252,76°C. Ini menggabungkan dengan banyak elemen untuk membentuk air dengan oksigen. Elemen paling umum di ruang angkasa; membentuk (dalam bentuk plasma) lebih dari 70% massa Matahari dan bintang, bagian utama dari gas medium antarbintang dan nebula. Atom hidrogen adalah bagian dari banyak asam dan basa, sebagian besar senyawa organik. Mereka digunakan dalam produksi amonia, asam klorida, untuk hidrogenasi lemak, dll., Dalam pengelasan dan pemotongan logam. Menjanjikan sebagai bahan bakar (lihat. Energi hidrogen).

HIDROGEN

HIDROGEN (lat. Hidrogenium), H, unsur kimia dengan nomor atom 1, massa atom 1,00794. Simbol kimia untuk hidrogen, H, dibaca di negara kita sebagai "abu", karena huruf ini diucapkan dalam bahasa Prancis.
Hidrogen alami terdiri dari campuran dua nuklida stabil (cm. NUKLID) dengan nomor massa 1,007825 (99,985% dalam campuran) dan 2,0140 (0,015%). Selain itu, sejumlah kecil nuklida radioaktif, tritium, selalu ada dalam hidrogen alami. (cm. TRITIUM) 3 H (waktu paruh T 1/2 12,43 tahun). Karena inti atom hidrogen hanya mengandung 1 proton (tidak boleh ada kurang dari proton dalam inti atom), kadang-kadang dikatakan bahwa hidrogen membentuk batas bawah alami dari sistem periodik unsur D. I. Mendeleev (walaupun unsur hidrogen itu sendiri terletak di tabel bagian paling atas). Unsur hidrogen terletak pada periode pertama tabel periodik. Itu juga termasuk dalam kelompok 1 (kelompok IA dari logam alkali (cm. LOGAM ALKALI)), dan ke kelompok 7 (kelompok VIIA dari halogen (cm. HALOGEN)).
Massa atom dalam isotop hidrogen sangat berbeda (beberapa kali). Hal ini menyebabkan perbedaan nyata dalam perilaku mereka dalam proses fisik (distilasi, elektrolisis, dll) dan perbedaan kimia tertentu (perbedaan dalam perilaku isotop dari satu elemen disebut efek isotop; untuk hidrogen, efek isotop paling signifikan). Oleh karena itu, tidak seperti isotop dari semua unsur lainnya, isotop hidrogen memiliki simbol dan nama khusus. Hidrogen dengan nomor massa 1 disebut hidrogen ringan, atau protium (lat. Protium, dari bahasa Yunani protos - yang pertama), dilambangkan dengan simbol H, dan intinya disebut proton (cm. PROTON (partikel dasar)), simbol r. Hidrogen dengan nomor massa 2 disebut hidrogen berat, deuterium (cm. DEUTERIUM)(Latin Deuterium, dari bahasa Yunani deuteros - yang kedua), simbol 2 H, atau D (baca "de") digunakan untuk menunjuknya, nukleus d adalah deuteron. Isotop radioaktif dengan nomor massa 3 disebut hidrogen superberat, atau tritium (lat. Tritum, dari bahasa Yunani tritos - yang ketiga), simbol 2 H atau T (baca "mereka"), inti t adalah triton.
Konfigurasi lapisan elektron tunggal dari atom hidrogen netral yang tidak tereksitasi 1 s 1 . Dalam senyawa, ia menunjukkan keadaan oksidasi +1 dan, lebih jarang, -1 (valensi I). Jari-jari atom hidrogen netral adalah 0,024 nm. Energi ionisasi atom adalah 13,595 eV, afinitas elektron adalah 0,75 eV. Pada skala Pauling, keelektronegatifan hidrogen adalah 2,20. Hidrogen merupakan salah satu unsur nonlogam.
Dalam bentuk bebasnya, itu adalah gas yang ringan dan mudah terbakar tanpa warna, bau atau rasa.
Sejarah penemuan
Pelepasan gas yang mudah terbakar selama interaksi asam dan logam diamati pada abad ke-16 dan ke-17 pada awal pembentukan kimia sebagai ilmu. Fisikawan dan kimiawan Inggris terkenal G. Cavendish (cm. Cavendish Henry) pada 1766 ia menyelidiki gas ini dan menyebutnya "udara yang mudah terbakar". Ketika dibakar, "udara yang mudah terbakar" memberi air, tetapi kepatuhan Cavendish pada teori phlogiston (cm. PHLOGISTON) menghalanginya untuk menarik kesimpulan yang benar. Ahli kimia Prancis A. Lavoisier (cm. Lavoisier Antoine Laurent) bersama dengan insinyur J. Meunier (cm. MEUNIER Jean-Baptiste Marie Charles), menggunakan gasometer khusus, pada tahun 1783 melakukan sintesis air, dan kemudian analisisnya, menguraikan uap air dengan besi panas-merah. Dengan demikian, ia menetapkan bahwa "udara yang mudah terbakar" adalah bagian dari air dan dapat diperoleh darinya. Pada 1787, Lavoisier sampai pada kesimpulan bahwa "udara yang mudah terbakar" adalah zat sederhana, dan karenanya termasuk dalam jumlah unsur kimia. Dia memberinya nama hidrogen (dari bahasa Yunani hydor - air dan gennao - melahirkan) - "melahirkan air." Pembentukan komposisi air mengakhiri "teori phlogiston". Nama Rusia "hidrogen" diusulkan oleh ahli kimia M.F. Solovyov (cm. SOLOVIEV Mikhail Fedorovich) pada tahun 1824. Pada pergantian abad 18 dan 19, ditemukan bahwa atom hidrogen sangat ringan (dibandingkan dengan atom unsur lain), dan berat (massa) atom hidrogen diambil sebagai satuan untuk membandingkan massa atom unsur. Massa atom hidrogen diberi nilai yang sama dengan 1.
Berada di alam
Hidrogen menyumbang sekitar 1% dari massa kerak bumi (tempat ke-10 di antara semua elemen). Hidrogen praktis tidak pernah ditemukan dalam bentuk bebasnya di planet kita (jejaknya ditemukan di atmosfer atas), tetapi didistribusikan hampir di mana-mana di Bumi dalam komposisi air. Unsur hidrogen adalah bagian dari senyawa organik dan anorganik organisme hidup, gas alam, minyak, batu bara. Itu terkandung, tentu saja, dalam komposisi air (sekitar 11% berat), dalam berbagai hidrat dan mineral kristalin alami, yang mengandung satu atau lebih OH hidroksogugus.
Hidrogen sebagai unsur mendominasi alam semesta. Ini menyumbang sekitar setengah massa Matahari dan bintang-bintang lainnya, ia hadir di atmosfer sejumlah planet.
Resi
Hidrogen dapat diperoleh dengan banyak cara. Dalam industri, gas alam digunakan untuk ini, serta gas yang diperoleh dari penyulingan minyak, kokas dan gasifikasi batu bara dan bahan bakar lainnya. Dalam produksi hidrogen dari gas alam (komponen utamanya adalah metana), interaksi katalitiknya dengan uap air dan oksidasi tidak lengkap dengan oksigen dilakukan:
CH 4 + H 2 O \u003d CO + 3H 2 dan CH 4 + 1/2 O 2 \u003d CO 2 + 2H 2
Pemisahan hidrogen dari gas kokas dan gas kilang didasarkan pada pencairannya selama pendinginan dalam dan pemindahan dari campuran gas yang lebih mudah dicairkan daripada hidrogen. Dengan adanya listrik murah, hidrogen diperoleh dengan elektrolisis air, mengalirkan arus melalui larutan alkali. Dalam kondisi laboratorium, hidrogen mudah diperoleh melalui interaksi logam dengan asam, misalnya seng dengan asam klorida.
fisik dan Sifat kimia
Dalam kondisi normal, hidrogen adalah gas ringan (kepadatan dalam kondisi normal 0,0899 kg/m 3) tidak berwarna. Titik lebur -259,15 °C, titik didih -252,7 °C. Hidrogen cair (pada titik didih) memiliki massa jenis 70,8 kg/m 3 dan merupakan cairan paling ringan. Potensial elektroda standar H 2 / H - dalam larutan air diambil sama dengan 0. Hidrogen kurang larut dalam air: pada 0 ° C, kelarutannya kurang dari 0,02 cm 3 / ml, tetapi sangat larut dalam beberapa logam (besi spons dan lainnya), terutama bagus - dalam paladium logam (sekitar 850 volume hidrogen dalam 1 volume logam). Panas pembakaran hidrogen adalah 143,06 MJ/kg.
Ada dalam bentuk molekul H2 diatomik. Konstanta disosiasi H 2 menjadi atom pada 300 K adalah 2,56 10 -34. Energi disosiasi molekul H2 menjadi atom adalah 436 kJ/mol. Jarak antar inti dalam molekul H2 adalah 0,07414 nm.
Karena inti setiap atom H, yang merupakan bagian dari molekul, memiliki spin sendiri (cm. PUTARAN), maka molekul hidrogen dapat dalam dua bentuk: dalam bentuk ortohidrogen (o-H 2) (kedua putaran memiliki orientasi yang sama) dan dalam bentuk parahidrogen (p-H 2) (putaran memiliki orientasi yang berbeda). Dalam kondisi normal, hidrogen normal adalah campuran 75% o-H 2 dan 25% p-H 2 . Sifat fisik p- dan o-H 2 sedikit berbeda satu sama lain. Jadi, jika titik didih murni o-n 2 20,45 K, maka p-H 2 murni - 20,26 K. Transformasi o-H 2 menjadi p-H 2 disertai dengan pelepasan panas sebesar 1418 J / mol.
Telah berulang kali diperdebatkan dalam literatur ilmiah bahwa tekanan tinggi(di atas 10 GPa) dan pada suhu rendah (sekitar 10 K ke bawah), hidrogen padat, yang biasanya mengkristal dalam kisi tipe molekul heksagonal, dapat berubah menjadi zat dengan sifat logam, bahkan mungkin superkonduktor. Namun, masih belum ada data yang jelas tentang kemungkinan transisi semacam itu.
Kekuatan tinggi ikatan kimia antara atom dalam molekul H2 (yang, misalnya, dengan menggunakan metode orbital molekul, dapat dijelaskan dengan fakta bahwa dalam molekul ini pasangan elektron berada di orbital ikatan, dan orbital yang lepas tidak diisi elektron) mengarah fakta bahwa pada suhu kamar, gas hidrogen secara kimiawi tidak aktif . Jadi, tanpa pemanasan, dengan pencampuran sederhana, hidrogen bereaksi (dengan ledakan) hanya dengan gas fluor:
H 2 + F 2 \u003d 2HF + Q.
Jika campuran hidrogen dan klorin pada suhu kamar disinari dengan sinar ultraviolet, maka pembentukan hidrogen klorida HCl segera diamati. Reaksi hidrogen dengan oksigen terjadi dengan ledakan jika katalis, paladium logam (atau platinum), dimasukkan ke dalam campuran gas-gas ini. Ketika dinyalakan, campuran hidrogen dan oksigen (yang disebut gas eksplosif) (cm. gas eksplosif)) meledak, dan ledakan dapat terjadi dalam campuran yang kandungan hidrogennya dari 5 hingga 95 persen volume. Hidrogen murni di udara atau dalam oksigen murni terbakar dengan tenang dengan pelepasan sejumlah besar panas:
H 2 + 1/2O 2 \u003d H 2 O + 285,75 kJ / mol
Jika hidrogen berinteraksi dengan non-logam dan logam lain, maka hanya dalam kondisi tertentu (pemanasan, tekanan tinggi, adanya katalis). Jadi, hidrogen bereaksi secara reversibel dengan nitrogen pada tekanan darah tinggi(20-30 MPa dan lebih banyak) dan pada suhu 300-400 ° C dengan adanya katalis - besi:
3H2 + N2 = 2NH3 + Q.
Juga, hanya ketika dipanaskan, hidrogen bereaksi dengan belerang untuk membentuk hidrogen sulfida H 2 S, dengan brom - untuk membentuk hidrogen bromida HBr, dengan yodium - untuk membentuk hidrogen iodida HI. Hidrogen bereaksi dengan batubara (grafit) untuk membentuk campuran hidrokarbon dari berbagai komposisi. Hidrogen tidak berinteraksi langsung dengan boron, silikon, dan fosfor; senyawa unsur-unsur ini dengan hidrogen diperoleh secara tidak langsung.
Ketika dipanaskan, hidrogen mampu bereaksi dengan alkali, logam alkali tanah dan magnesium membentuk senyawa dengan sifat ikatan ionik, yang mengandung hidrogen dalam keadaan oksidasi -1. Jadi, ketika kalsium dipanaskan dalam atmosfer hidrogen, hidrida seperti garam dari komposisi CaH 2 terbentuk. Aluminium hidrida polimer (AlH 3) x - salah satu zat pereduksi terkuat - diperoleh secara tidak langsung (misalnya, menggunakan senyawa organoaluminium). Dengan banyak logam transisi (misalnya, zirkonium, hafnium, dll.), hidrogen membentuk senyawa dengan komposisi variabel (larutan padat).
Hidrogen mampu bereaksi tidak hanya dengan banyak zat sederhana, tetapi juga dengan zat kompleks. Pertama-tama, harus diperhatikan kemampuan hidrogen untuk mereduksi banyak logam dari oksidanya (seperti besi, nikel, timbal, tungsten, tembaga, dll.). Jadi, ketika dipanaskan hingga suhu 400-450 ° C ke atas, besi direduksi oleh hidrogen dari salah satu oksidanya, misalnya:
Fe 2 O 3 + 3H 2 \u003d 2Fe + 3H 2 O.
Perlu dicatat bahwa hanya logam yang terletak dalam rangkaian potensial standar di luar mangan yang dapat direduksi dari oksida oleh hidrogen. Logam yang lebih aktif (termasuk mangan) tidak direduksi menjadi logam dari oksida.
Hidrogen mampu menambahkan ikatan rangkap atau rangkap tiga ke banyak senyawa organik (ini disebut reaksi hidrogenasi). Misalnya, dengan adanya katalis nikel, hidrogenasi etilen C 2 H 4 dapat dilakukan, dan etana C 2 H 6 terbentuk:
C 2 H 4 + H 2 \u003d C 2 H 6.
Interaksi karbon monoksida (II) dan hidrogen dalam industri menghasilkan metanol:
2H 2 + CO \u003d CH 3 OH.
Dalam senyawa di mana atom hidrogen terhubung ke atom unsur yang lebih elektronegatif E (E = F, Cl, O, N), ikatan hidrogen terbentuk antara molekul (cm. IKATAN HIDROGEN)(dua atom E dari unsur yang sama atau dua unsur yang berbeda saling berhubungan melalui atom H: E "... N ... E"", dan ketiga atom terletak pada garis lurus yang sama). Ikatan semacam itu ada di antara molekul air, amonia , metanol, dll. Dan menyebabkan peningkatan nyata pada titik didih zat-zat ini, peningkatan panas penguapan, dll.
Aplikasi
Hidrogen digunakan dalam sintesis amonia NH 3 , hidrogen klorida HCl, metanol CH 3 OH, dalam perengkahan hidro (perengkahan dalam atmosfer hidrogen) hidrokarbon alami, sebagai zat pereduksi dalam produksi logam tertentu. hidrogenasi (cm. HIDROGENASI) minyak nabati alami mendapatkan lemak padat - margarin. Hidrogen cair digunakan sebagai bahan bakar roket dan juga sebagai pendingin. Campuran oksigen dan hidrogen digunakan dalam pengelasan.
Pada suatu waktu, disarankan bahwa dalam waktu dekat, reaksi pembakaran hidrogen akan menjadi sumber utama produksi energi, dan energi hidrogen akan menggantikan sumber produksi energi tradisional (batubara, minyak, dll.). Pada saat yang sama, diasumsikan bahwa untuk produksi hidrogen dalam skala besar dimungkinkan untuk menggunakan elektrolisis air. Elektrolisis air adalah proses yang agak intensif energi, dan saat ini tidak menguntungkan untuk memperoleh hidrogen dengan elektrolisis pada skala industri. Tetapi diharapkan elektrolisis akan didasarkan pada penggunaan panas bersuhu sedang (500-600 ° C), yang terjadi dalam jumlah besar selama pengoperasian pembangkit listrik tenaga nuklir. Panas ini penggunaannya terbatas, dan kemungkinan memperoleh hidrogen dengan bantuannya akan memecahkan masalah ekologi (ketika hidrogen dibakar di udara, jumlah zat berbahaya lingkungan yang terbentuk minimal) dan masalah pemanfaatan suhu sedang. panas. Namun, setelah bencana Chernobyl, pembangunan energi nuklir menggumpal di mana-mana, sehingga sumber energi yang ditentukan menjadi tidak tersedia. Oleh karena itu, prospek meluasnya penggunaan hidrogen sebagai sumber energi masih bergeser setidaknya hingga pertengahan abad ke-21.
Fitur sirkulasi
Hidrogen tidak beracun, tetapi ketika menanganinya, seseorang harus selalu memperhitungkan bahaya kebakaran dan ledakannya yang tinggi, dan bahaya ledakan hidrogen meningkat karena kemampuan gas yang tinggi untuk berdifusi bahkan melalui beberapa bahan padat. Sebelum memulai operasi pemanasan apa pun dalam atmosfer hidrogen, Anda harus memastikan bahwa itu bersih (saat menyalakan hidrogen dalam tabung reaksi terbalik, suaranya harus tumpul, bukan menggonggong).
Peran biologis
Signifikansi biologis hidrogen ditentukan oleh fakta bahwa hidrogen adalah bagian dari molekul air dan semua kelompok senyawa alami yang paling penting, termasuk protein, asam nukleat, lipid, karbohidrat. Sekitar 10% dari massa organisme hidup adalah hidrogen. Kemampuan hidrogen untuk membentuk ikatan hidrogen memainkan peran penting dalam menjaga struktur kuartener spasial protein, serta dalam menerapkan prinsip saling melengkapi. (cm. YANG SALING MELENGKAPI) dalam konstruksi dan fungsi asam nukleat (yaitu, dalam penyimpanan dan penerapan informasi genetik), secara umum, dalam penerapan "pengenalan" pada tingkat molekuler. Hidrogen (ion H +) mengambil bagian dalam proses dan reaksi dinamis terpenting dalam tubuh - dalam oksidasi biologis, yang menyediakan energi bagi sel-sel hidup, dalam fotosintesis tanaman, dalam reaksi biosintesis, dalam fiksasi nitrogen dan fotosintesis bakteri, dalam mempertahankan asam- keseimbangan dasar dan homeostasis (cm. homeostatis), dalam proses transpor membran. Jadi, bersama dengan oksigen dan karbon, hidrogen membentuk dasar struktural dan fungsional dari fenomena kehidupan.


kamus ensiklopedis. 2009 .

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

Hidrogen (Hidrogenium) ditemukan pada paruh pertama abad ke-16 oleh dokter dan naturalis Jerman Paracelsus. Pada tahun 1776, G. Cavendish (Inggris) menetapkan sifat-sifatnya dan menunjukkan perbedaan dari gas lain. Lavoisier adalah orang pertama yang memperoleh hidrogen dari air dan membuktikan bahwa air adalah kombinasi kimia hidrogen dan oksigen (1783).

Hidrogen memiliki tiga isotop: protium, deuterium atau D dan tritium atau T. Nomor massanya adalah 1, 2 dan 3. Protium dan deuterium stabil, tritium bersifat radioaktif (waktu paruh 12,5 tahun). Dalam senyawa alam, deuterium dan protium rata-rata terkandung dalam perbandingan 1:6800 (sesuai dengan jumlah atom). Tritium ditemukan di alam dalam jumlah yang dapat diabaikan.

Inti atom hidrogen mengandung satu proton. Inti deuterium dan tritium termasuk, selain proton, masing-masing satu dan dua neutron.

Molekul hidrogen terdiri dari dua atom. Berikut adalah beberapa sifat yang mencirikan atom dan molekul hidrogen:

Energi ionisasi atom, eV 13,60

Afinitas atom terhadap elektron, eV 0,75

Keelektronegatifan relatif 2.1

Jari-jari atom, nm 0,046

Jarak antar inti dalam sebuah molekul, nm 0,0741

Etalpi standar disosiasi molekul pada 436,1

115. Hidrogen di alam. Memperoleh hidrogen.

Hidrogen dalam keadaan bebas ditemukan di Bumi hanya dalam jumlah kecil. Kadang-kadang dilepaskan bersama dengan gas lain selama letusan gunung berapi, serta dari lubang bor selama ekstraksi minyak. Namun dalam bentuk senyawa, hidrogen sangat umum. Ini sudah dapat dilihat dari fakta bahwa ia membentuk sepersembilan massa air. Hidrogen adalah konstituen dari semua organisme tumbuhan dan hewan, minyak, batubara keras dan coklat, gas alam, dan sejumlah mineral. Bagian hidrogen dari seluruh massa kerak bumi, termasuk air dan udara, menyumbang sekitar 1%. Namun, jika dihitung ulang sebagai persentase dari jumlah total atom, kandungan hidrogen di kerak bumi adalah 17%.

Hidrogen adalah unsur yang paling melimpah di luar angkasa. Ini menyumbang sekitar setengah massa Matahari dan sebagian besar bintang lainnya. Itu terkandung dalam nebula gas, dalam gas antarbintang, dan merupakan bagian dari bintang-bintang. Di bagian dalam bintang, inti atom hidrogen diubah menjadi inti atom helium. Proses ini berlanjut dengan pelepasan energi; bagi banyak bintang, termasuk Matahari, ia berfungsi sebagai sumber energi utama. Laju proses, yaitu jumlah inti hidrogen yang berubah menjadi inti helium dalam satu meter kubik dalam satu detik, kecil. Oleh karena itu, jumlah energi yang dilepaskan per satuan waktu per satuan volume kecil. Namun, karena massa Matahari yang sangat besar, jumlah total energi yang dihasilkan dan dipancarkan oleh Matahari sangat besar. Ini sesuai dengan penurunan massa Matahari sekitar satu detik.

Dalam industri, hidrogen diproduksi terutama dari gas alam. Gas ini, yang sebagian besar terdiri dari metana, bercampur dengan uap air dan oksigen. Ketika campuran gas dipanaskan dengan adanya katalis, reaksi terjadi, yang secara skematis dapat diwakili oleh persamaan:

Campuran gas yang dihasilkan dipisahkan. Hidrogen dimurnikan dan digunakan di lokasi atau diangkut dalam silinder baja bertekanan.

Sebuah metode industri yang penting untuk memproduksi hidrogen juga isolasi dari gas oven kokas atau dari gas penyulingan minyak bumi. Ini dilakukan dengan pendinginan dalam, di mana semua gas, kecuali hidrogen, dicairkan.

Di laboratorium, hidrogen sebagian besar diproduksi dengan elektrolisis larutan berair. Konsentrasi larutan ini dipilih agar sesuai dengan konduktivitas listrik maksimumnya. Elektroda biasanya terbuat dari lembaran nikel. Logam ini tidak menimbulkan korosi dalam larutan alkali, bahkan menjadi anoda. Jika perlu, hidrogen yang dihasilkan dimurnikan dari uap air dan jejak oksigen. Dari metode laboratorium lainnya, metode yang paling umum adalah ekstraksi hidrogen dari larutan asam sulfat atau asam klorida dengan aksi seng pada mereka. Reaksi biasanya dilakukan dalam peralatan Kipp (Gbr. 105).

DEFINISI

Hidrogen adalah elemen pertama dalam Tabel Periodik. Penunjukan - H dari bahasa Latin "hidrogenium". Berada di periode pertama, grup IA. Mengacu pada non-logam. Muatan inti adalah 1.

Hidrogen adalah salah satu unsur kimia yang paling umum - bagiannya adalah sekitar 1% dari massa ketiga cangkang kerak bumi (atmosfer, hidrosfer, dan litosfer), yang, ketika dikonversi ke persentase atom, memberikan angka 17,0.

Jumlah utama elemen ini dalam keadaan terikat. Jadi, air mengandung sekitar 11 berat. %, tanah liat - sekitar 1,5%, dll. Dalam bentuk senyawa dengan karbon, hidrogen adalah bagian dari minyak, gas alam yang mudah terbakar dan semua organisme.

Hidrogen adalah gas yang tidak berwarna dan tidak berbau (diagram struktur atom ditunjukkan pada Gambar 1). Titik leleh dan titik didihnya sangat rendah (masing-masing -259 o C dan -253 o C). Pada suhu (-240 o C) dan di bawah tekanan, hidrogen dapat mencair, dan dengan penguapan cepat dari cairan yang dihasilkan, ia berubah menjadi keadaan padat(kristal transparan). Ini sedikit larut dalam air - 2:100 volume. Hidrogen dicirikan oleh kelarutan dalam beberapa logam, misalnya, dalam besi.

Beras. 1. Struktur atom hidrogen.

Berat atom dan molekul hidrogen

DEFINISI

Massa atom relatif unsur adalah perbandingan antara massa atom suatu unsur dengan 1/12 massa atom karbon.

Massa atom relatif tidak berdimensi dan dilambangkan dengan A r (subscript "r" adalah huruf awal kata Bahasa Inggris relatif, yang dalam terjemahan berarti "kerabat"). Massa atom relatif atom hidrogen adalah 1,008 sma.

Massa molekul, seperti massa atom, dinyatakan dalam satuan massa atom.

DEFINISI

berat molekul zat disebut massa molekul, dinyatakan dalam satuan massa atom. Berat molekul relatif zat menyebut rasio massa molekul zat tertentu dengan 1/12 massa atom karbon, yang massanya adalah 12 a.m.u.

Diketahui bahwa molekul hidrogen adalah diatomik - H 2 . Berat molekul relatif dari molekul hidrogen akan sama dengan:

M r (H 2) \u003d 1,008 × 2 \u003d 2,016.

Isotop hidrogen

Hidrogen memiliki tiga isotop: protium 1 H, deuterium 2 H atau D dan tritium 3 H atau T. Nomor massanya adalah 1, 2 dan 3. Protium dan deuterium stabil, tritium bersifat radioaktif (waktu paruh 12,5 tahun). Dalam senyawa alam, deuterium dan protium rata-rata terkandung dalam perbandingan 1:6800 (sesuai dengan jumlah atom). Tritium ditemukan di alam dalam jumlah yang dapat diabaikan.

Inti atom hidrogen 1 H mengandung satu proton. Inti deuterium dan tritium termasuk, selain proton, satu dan dua neutron.

Ion hidrogen

Sebuah atom hidrogen dapat menyumbangkan satu elektronnya untuk membentuk ion positif (yang merupakan proton "telanjang") atau mendapatkan satu elektron untuk menjadi ion negatif, yang memiliki konfigurasi elektron helium.

Pelepasan lengkap elektron dari atom hidrogen membutuhkan pengeluaran energi ionisasi yang sangat besar:

H + 315 kkal = H + + e.

Akibatnya, dalam interaksi hidrogen dengan metaloid, bukan ikatan ionik, tetapi hanya ikatan polar yang muncul.

Kecenderungan atom netral untuk mengikat kelebihan elektron ditandai dengan nilai afinitas elektronnya. Dalam hidrogen, itu diekspresikan dengan agak lemah (namun, ini tidak berarti bahwa ion hidrogen seperti itu tidak dapat ada):

H + e \u003d H - + 19 kkal.

Molekul hidrogen dan atom

Molekul hidrogen terdiri dari dua atom - H 2 . Berikut adalah beberapa sifat yang mencirikan atom dan molekul hidrogen:

Contoh pemecahan masalah

CONTOH 1

Latihan Buktikan bahwa ada hidrida dengan rumus umum EN x yang mengandung 12,5% hidrogen.
Larutan Hitung massa hidrogen dan unsur yang tidak diketahui, dengan mengambil massa sampel sebagai 100 g:

m(H) = m(EN x)×w(H);

m(H) = 100 × 0,125 = 12,5 g.

m (E) \u003d m (EN x) - m (H);

m (E) \u003d 100 - 12,5 \u003d 87,5 g.

Mari kita cari jumlah zat hidrogen dan unsur yang tidak diketahui, yang menunjukkan massa molar yang terakhir sebagai "x" (massa molar hidrogen adalah 1 g / mol):

Hidrogen adalah unsur kimia dengan simbol H dan nomor atom 1. Dengan berat atom standar sekitar 1,008, hidrogen adalah unsur paling ringan dalam tabel periodik. Bentuk monoatomiknya (H) adalah bahan kimia yang paling melimpah di alam semesta, terhitung sekitar 75% dari total massa baryon. Bintang sebagian besar terdiri dari hidrogen dalam keadaan plasma. Isotop hidrogen yang paling umum, yang disebut protium (nama ini jarang digunakan, simbol 1H), memiliki satu proton dan tidak memiliki neutron. Munculnya atom hidrogen secara luas pertama kali terjadi di era rekombinasi. Pada suhu dan tekanan standar, hidrogen adalah gas diatomik yang tidak berwarna, tidak berbau, tidak berasa, tidak beracun, non-logam, dan mudah terbakar dengan rumus molekul H2. Karena hidrogen siap membentuk ikatan kovalen dengan sebagian besar unsur non-logam, 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 antara molekul terlarut. Dalam senyawa ionik, hidrogen dapat berbentuk muatan negatif (yaitu, anion) dan dikenal sebagai hidrida, atau sebagai spesies bermuatan positif (yaitu, kation), dilambangkan dengan simbol H+. Kation hidrogen digambarkan sebagai terdiri dari proton sederhana, tetapi kation hidrogen sebenarnya 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) telah memainkan peran kunci dalam pengembangan mekanika kuantum. Gas hidrogen pertama kali diproduksi secara artifisial pada awal abad ke-16 melalui reaksi asam dengan logam. Pada tahun 1766-81. Henry Cavendish adalah orang pertama yang mengakui bahwa gas hidrogen adalah zat diskrit, dan menghasilkan air ketika dibakar, maka namanya: hidrogen dalam bahasa Yunani berarti "produsen air". Produksi industri hidrogen terutama terkait dengan konversi uap gas alam dan, lebih jarang, dengan metode yang lebih intensif energi seperti elektrolisis air. Sebagian besar hidrogen digunakan di dekat tempat produksinya, dengan dua penggunaan yang paling umum adalah pemrosesan bahan bakar fosil (misalnya perengkahan air) dan produksi amonia, terutama untuk pasar pupuk. Hidrogen menjadi perhatian dalam metalurgi karena dapat membuat banyak logam menjadi rapuh, sehingga sulit untuk merancang saluran pipa dan tangki penyimpanan.

Properti

Pembakaran

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

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

Gas hidrogen membentuk campuran eksplosif dengan udara dalam konsentrasi 4-74% dan dengan klorin dalam konsentrasi hingga 5,95%. Reaksi eksplosif dapat disebabkan oleh percikan api, panas atau sinar matahari. Suhu penyalaan otomatis hidrogen, suhu penyalaan spontan di udara, adalah 500 °C (932 °F). Api hidrogen-oksigen murni memancarkan radiasi ultraviolet dan dengan campuran oksigen yang tinggi hampir tidak terlihat dengan mata telanjang, sebagaimana dibuktikan oleh gumpalan samar dari mesin utama Pesawat Ulang-alik dibandingkan dengan gumpalan yang sangat terlihat dari pendorong roket padat Pesawat Ulang-alik, yang menggunakan komposit amonium perklorat. Detektor nyala mungkin diperlukan untuk mendeteksi kebocoran hidrogen yang terbakar; kebocoran seperti itu bisa sangat berbahaya. Nyala hidrogen dalam kondisi lain berwarna biru, dan menyerupai nyala biru gas alam. Tenggelamnya pesawat "Hindenburg" adalah contoh terkenal dari pembakaran hidrogen, dan kasusnya masih dalam diskusi. Api jingga yang terlihat dalam insiden ini disebabkan oleh paparan campuran hidrogen dan oksigen yang dikombinasikan dengan senyawa karbon dari kulit pesawat. H2 bereaksi dengan setiap elemen pengoksidasi. Hidrogen dapat bereaksi secara spontan pada suhu kamar dengan klorin dan fluor untuk membentuk hidrogen halida, hidrogen klorida, dan hidrogen fluorida yang sesuai, 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", mirip dengan orbit Bumi Matahari. Namun, elektron atom dan proton disatukan oleh gaya elektromagnetik, sedangkan planet dan benda langit disatukan oleh gravitasi. Karena diskritisasi momentum sudut yang didalilkan di awal mekanika kuantum Bohr, elektron dalam model Bohr hanya dapat menempati jarak tertentu yang diizinkan dari proton dan, oleh karena itu, hanya energi tertentu yang diizinkan. Deskripsi atom hidrogen yang lebih akurat berasal dari perlakuan mekanika kuantum murni yang menggunakan persamaan Schrödinger, persamaan Dirac, atau bahkan sirkuit terpadu Feynman untuk menghitung distribusi kerapatan probabilitas elektron di sekitar proton. Metode pemrosesan yang paling kompleks memungkinkan Anda mendapatkan efek kecil teori khusus relativitas dan polarisasi vakum. Dalam mesin kuantum, elektron dalam keadaan dasar atom hidrogen tidak memiliki torsi sama sekali, menggambarkan bagaimana "orbit planet" berbeda dari gerakan elektron.

Bentuk molekul dasar

Ada dua isomer spin yang 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); dalam bentuk 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, juga dikenal sebagai "bentuk normal". Rasio kesetimbangan ortohidrogen terhadap parahidrogen tergantung pada suhu, tetapi karena bentuk orto adalah keadaan tereksitasi dan memiliki energi yang lebih tinggi daripada bentuk para, ia tidak stabil dan tidak dapat dimurnikan. Pada suhu yang sangat rendah, keadaan kesetimbangan hampir seluruhnya terdiri dari bentuk para. Sifat termal Fasa cair dan gas parahidrogen murni berbeda secara signifikan dari sifat bentuk normal karena perbedaan kapasitas panas rotasi, yang dibahas secara lebih rinci dalam isomer spin hidrogen. Perbedaan orto/pasangan juga terjadi pada molekul atau gugus fungsional lain yang mengandung hidrogen seperti air dan metilen, tetapi hal ini tidak terlalu penting untuk sifat termalnya. Interkonversi tanpa katalis antara para dan orto H2 meningkat dengan meningkatnya suhu; dengan demikian, H2 yang terkondensasi dengan cepat mengandung jumlah besar bentuk ortogonal energi tinggi, yang sangat lambat diubah ke bentuk para. Rasio orto/para dalam H2 terkondensasi merupakan faktor penting dalam persiapan dan penyimpanan hidrogen cair: konversi dari orto ke para bersifat eksotermik dan menyediakan panas yang cukup untuk menguapkan sebagian cairan hidrogen, yang mengakibatkan hilangnya bahan cair. Katalis untuk konversi orto-para seperti oksida besi, Karbon aktif, asbes berlapis, logam tanah jarang, senyawa uranium, kromium oksida atau beberapa senyawa nikel digunakan dalam pendinginan hidrogen.

Fase

    Gas hidrogen

    hidrogen cair

    lumpur hidrogen

    hidrogen padat

    hidrogen metalik

Koneksi

Senyawa kovalen dan organik

Sementara H2 tidak terlalu reaktif dalam kondisi standar, ia membentuk senyawa dengan sebagian besar unsur. Hidrogen dapat membentuk senyawa dengan unsur-unsur yang lebih elektronegatif, seperti halogen (misalnya F, Cl, Br, I) atau oksigen; dalam senyawa ini, hidrogen mengambil muatan positif parsial. Ketika terikat pada fluor, oksigen, atau nitrogen, hidrogen dapat berpartisipasi dalam bentuk ikatan non-kovalen kekuatan 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, di mana ia mengambil muatan negatif parsial. Senyawa ini sering dikenal sebagai hidrida. Hidrogen membentuk berbagai macam senyawa dengan karbon, yang disebut hidrokarbon, dan lebih banyak lagi jenis senyawa dengan heteroatom, yang karena hubungannya yang sama dengan makhluk hidup, disebut senyawa organik. Studi tentang sifat-sifatnya adalah kimia organik, dan studi mereka 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 banyak karakteristik kimia spesifik pada kelas senyawa ini, ikatan karbon-hidrogen diperlukan dalam beberapa definisi kata "organik" dalam kimia. Jutaan hidrokarbon diketahui, dan mereka biasanya dibentuk oleh jalur sintetis kompleks yang jarang melibatkan unsur hidrogen.

hidrida

Senyawa hidrogen sering disebut hidrida. Istilah "hidrida" menunjukkan bahwa atom H telah memperoleh karakter negatif atau anionik, dilambangkan H-, dan digunakan ketika hidrogen membentuk senyawa dengan unsur yang lebih elektropositif. Keberadaan anion hidrida, yang diusulkan oleh Gilbert N. Lewis pada tahun 1916 untuk hidrida yang mengandung garam golongan 1 dan 2, ditunjukkan oleh Moers pada tahun 1920 dengan elektrolisis litium hidrida cair (LiH), menghasilkan sejumlah stoikiometri hidrogen per anoda. Untuk hidrida selain logam golongan 1 dan 2, istilah ini menyesatkan mengingat elektronegativitas hidrogen yang rendah. Pengecualian dalam hidrida golongan 2 adalah BeH2, yang merupakan polimer. Dalam litium aluminium hidrida, anion AlH-4 membawa pusat hidrida yang melekat erat pada Al(III). Meskipun hidrida dapat terbentuk di hampir semua unsur golongan utama, jumlah dan kombinasi senyawa yang mungkin sangat bervariasi; misalnya, lebih dari 100 hidrida borana biner dan hanya satu aluminium hidrida biner yang diketahui. Indium hidrida biner belum diidentifikasi, meskipun ada kompleks besar. Dalam kimia anorganik, hidrida juga dapat berfungsi sebagai ligan penghubung yang menghubungkan dua pusat logam dalam kompleks koordinasi. Fungsi ini terutama merupakan karakteristik unsur golongan 13, terutama pada boran (boron hidrida) dan kompleks aluminium, serta pada gugus karboran.

Proton dan asam

Oksidasi hidrogen melepaskan elektronnya dan menghasilkan H+, yang tidak mengandung elektron dan tidak memiliki inti, yang biasanya terdiri dari satu proton. Inilah sebabnya mengapa H+ sering disebut sebagai proton. Pandangan ini merupakan pusat pembahasan asam. Menurut teori Bronsted-Lowry, asam adalah donor proton dan basa adalah akseptor proton. Proton telanjang, H+, tidak dapat eksis dalam larutan atau dalam kristal ionik karena daya tariknya yang tak tertahankan ke atom atau molekul lain dengan elektron. Kecuali untuk suhu tinggi yang terkait dengan plasma, proton tersebut tidak dapat dihilangkan dari awan elektron atom dan molekul dan akan tetap melekat padanya. Namun, istilah "proton" kadang-kadang digunakan secara metaforis untuk merujuk pada hidrogen bermuatan positif atau kationik yang terikat pada spesies lain dengan cara ini, dan dengan demikian disebut "H+" tanpa makna bahwa setiap proton individu ada secara bebas sebagai suatu spesies. Untuk menghindari munculnya "proton terlarut" telanjang dalam larutan, larutan asam kadang-kadang dianggap mengandung spesies fiktif yang disebut "ion hidronium" (H 3 O+). Namun, bahkan dalam kasus ini, kation hidrogen terlarut tersebut lebih realistis dianggap sebagai kelompok terorganisir yang membentuk spesies yang dekat dengan H9O+4. Ion oksonium lainnya ditemukan ketika air berada dalam larutan asam dengan pelarut lain. Meskipun eksotis 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, ditunjuk 1H, 2H, dan 3H. Inti sangat tidak stabil lainnya (4H hingga 7H) telah disintesis di laboratorium tetapi belum diamati di alam. 1H adalah isotop hidrogen yang paling umum, dengan kelimpahan lebih dari 99,98%. Karena inti isotop ini hanya terdiri dari satu proton, ia diberi nama formal protium yang deskriptif tetapi jarang digunakan. 2H, isotop stabil hidrogen lainnya, dikenal sebagai deuterium dan mengandung satu proton dan satu neutron di dalam nukleus. Dipercaya bahwa semua deuterium di alam semesta dihasilkan selama Big Bang dan telah ada sejak saat itu hingga sekarang. Deuterium bukanlah unsur radioaktif dan tidak menimbulkan bahaya toksisitas yang signifikan. Air yang diperkaya dengan molekul yang mengandung deuterium dan bukan hidrogen normal disebut air berat. Deuterium dan senyawanya digunakan sebagai label non-radioaktif dalam eksperimen kimia dan pelarut untuk spektroskopi 1H-NMR. Air berat digunakan sebagai moderator neutron dan pendingin untuk 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 nukleus. Ini radioaktif, meluruh menjadi helium-3 melalui peluruhan beta dengan waktu paruh 12,32 tahun. Ini sangat radioaktif sehingga dapat digunakan dalam cat bercahaya, sehingga berguna dalam pembuatan jam tangan dengan dial bercahaya, misalnya. Kaca mencegah sejumlah kecil radiasi keluar. Sejumlah kecil tritium diproduksi secara alami oleh interaksi sinar kosmik dengan gas atmosfer; tritium juga dirilis 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 pelabelan kimia dan biologi sebagai label radioaktif. Hidrogen adalah satu-satunya unsur yang memiliki nama berbeda untuk isotopnya yang umum digunakan saat ini. Selama studi awal radioaktivitas, berbagai isotop radioaktif berat diberikan nama sendiri, tetapi nama-nama tersebut tidak lagi digunakan, kecuali deuterium dan tritium. Simbol D dan T (bukan 2H dan 3H) kadang-kadang digunakan untuk deuterium dan tritium, tetapi simbol yang sesuai untuk protium P sudah digunakan untuk fosfor dan dengan demikian tidak tersedia untuk protium. Dalam pedoman nomenklaturnya, Persatuan Internasional Kimia Murni dan Terapan mengizinkan simbol apa pun dari D, T, 2H, dan 3H untuk digunakan, meskipun 2H dan 3H lebih disukai. Atom eksotik muonium (simbol Mu), yang terdiri dari antimuon dan elektron, terkadang juga dianggap sebagai radioisotop ringan hidrogen karena perbedaan massa antara antimuon dan elektron, yang ditemukan pada tahun 1960. Selama masa hidup muon, 2,2 s, muonium dapat memasukkan senyawa seperti muonium klorida (MuCl) atau natrium muonida (NaMu), mirip dengan hidrogen klorida dan natrium hidrida.

Cerita

Penemuan dan penggunaan

Pada tahun 1671, Robert Boyle menemukan dan menggambarkan 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 diskrit, menamakan gas itu "udara yang mudah terbakar" karena reaksi logam-asam. Dia menyarankan bahwa "udara yang mudah terbakar" sebenarnya identik dengan zat hipotetis yang disebut "phlogiston" dan menemukan lagi pada tahun 1781 bahwa gas menghasilkan air ketika dibakar. Diyakini bahwa dialah yang menemukan hidrogen sebagai unsur. Pada tahun 1783, Antoine Lavoisier memberi unsur tersebut nama hidrogen (dari bahasa Yunani -hydro yang berarti "air" dan gen -γενής yang berarti "pencipta") ketika dia dan Laplace mereproduksi data Cavendish bahwa air terbentuk ketika hidrogen dibakar. Lavoisier menghasilkan hidrogen untuk konservasi eksperimen massa dengan mereaksikan aliran uap dengan besi logam melalui lampu pijar yang dipanaskan dalam api. Oksidasi anaerobik besi oleh proton air pada suhu tinggi dapat secara skematis diwakili oleh 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 pertama kali dicairkan oleh James Dewar pada tahun 1898 menggunakan refrigerasi regeneratif dan penemuannya, labu vakum. Tahun berikutnya, ia menghasilkan hidrogen padat. Deuterium ditemukan pada bulan Desember 1931 oleh Harold Uray dan tritium dibuat pada tahun 1934 oleh Ernest Rutherford, Mark Oliphant dan Paul Harteck. Air berat, yang terdiri dari deuterium, bukan hidrogen biasa, ditemukan oleh kelompok Yurey pada tahun 1932. François Isaac de Rivaz membangun mesin Rivaz pertama, mesin pembakaran internal, didorong oleh hidrogen dan oksigen, pada tahun 1806. Edward Daniel Clark menemukan tabung gas hidrogen pada tahun 1819. Baja Döbereiner (pemantik api lengkap pertama) ditemukan pada tahun 1823. Balon hidrogen pertama ditemukan oleh Jacques Charles pada tahun 1783. Hidrogen memberikan kebangkitan bentuk lalu lintas udara pertama yang andal setelah penemuan Henri Giffard tentang pesawat pengangkat hidrogen pertama pada tahun 1852. Bangsawan Jerman Ferdinand von Zeppelin mempromosikan gagasan kapal udara kaku yang diangkat ke udara oleh hidrogen, yang kemudian disebut Zeppelin; yang pertama terbang untuk pertama kalinya pada tahun 1900. Penerbangan terjadwal secara teratur dimulai pada tahun 1910 dan dengan pecahnya Perang Dunia I pada bulan Agustus 1914 mereka telah membawa 35.000 penumpang tanpa insiden besar. Selama perang, kapal udara hidrogen digunakan sebagai platform observasi dan pembom. Penerbangan transatlantik non-stop pertama dilakukan oleh kapal udara Inggris R34 pada tahun 1919. Layanan penumpang reguler dilanjutkan pada tahun 1920-an dan penemuan cadangan helium di Amerika Serikat seharusnya meningkatkan keselamatan penerbangan, tetapi pemerintah AS menolak untuk menjual gas untuk tujuan ini, jadi H2 digunakan di kapal udara Hindenburg, yang dihancurkan di Kebakaran Milan di New Jersey 6 Mei 1937. Insiden itu disiarkan langsung di radio dan direkam dalam video. Secara luas diasumsikan bahwa penyebab penyalaan adalah kebocoran hidrogen, namun penelitian selanjutnya menunjukkan bahwa lapisan kain aluminized tersulut oleh listrik statis. Tapi 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, ini adalah gas yang paling umum digunakan di bidang ini saat ini. Baterai nikel-hidrogen pertama kali digunakan pada tahun 1977 di atas Satelit Teknologi Navigasi AS 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 peluncuran dan 13 tahun setelah dirancang.

Peran dalam teori kuantum

Karena struktur atomnya yang sederhana hanya terdiri dari proton dan elektron, atom hidrogen, bersama dengan spektrum cahaya yang diciptakan atau diserap olehnya, telah menjadi pusat pengembangan teori struktur atom. Selain itu, studi tentang kesederhanaan yang sesuai dari molekul hidrogen dan kation H+2 yang sesuai mengarah pada pemahaman tentang sifat ikatan kimia, yang segera mengikuti perlakuan fisik atom hidrogen dalam mekanika kuantum pada pertengahan 2020. Salah satu efek kuantum pertama yang diamati dengan jelas (tetapi tidak dipahami pada waktu itu) adalah pengamatan Maxwell yang melibatkan hidrogen setengah abad sebelum ada teori mekanika kuantum penuh. Maxwell mencatat bahwa panas spesifik H2 ireversibel berangkat dari gas diatomik di bawah suhu kamar dan mulai lebih dan lebih menyerupai kapasitas panas spesifik dari gas monoatomik pada suhu kriogenik. Berdasarkan teori kuantum, perilaku ini muncul dari jarak (terkuantisasi) tingkat energi rotasi, yang sangat luas di H2 karena massanya yang rendah. Tingkat jarak yang luas ini mencegah pembagian yang sama dari energi panas menjadi gerakan rotasi dalam hidrogen pada suhu rendah. Gas diatom, yang terdiri dari atom yang lebih berat, tidak memiliki tingkat spasi yang luas dan tidak menunjukkan efek yang sama. Antihidrogen adalah analog antimaterial dari hidrogen. Ini terdiri dari antiproton dengan positron. Antihidrogen adalah satu-satunya jenis atom antimateri yang telah diperoleh pada tahun 2015.

Berada di alam

Hidrogen adalah unsur kimia yang paling melimpah di alam semesta, membentuk 75% dari materi normal berdasarkan massa dan lebih dari 90% berdasarkan jumlah atom. (Namun, sebagian besar massa alam semesta tidak dalam bentuk ini unsur kimia, tetapi diperkirakan memiliki bentuk massa yang belum ditemukan, seperti materi gelap dan energi gelap.) Unsur ini ditemukan dalam jumlah besar di bintang dan raksasa gas. Awan molekul H2 dikaitkan dengan pembentukan bintang. Hidrogen memainkan peran penting dalam menghidupkan bintang melalui reaksi proton-proton dan fusi nuklir dari siklus CNO. Di seluruh dunia, hidrogen terjadi terutama dalam keadaan atom dan plasma dengan sifat yang sangat berbeda dari hidrogen molekuler. Sebagai plasma, elektron dan proton hidrogen tidak terikat bersama, 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, dalam angin matahari, mereka berinteraksi dengan magnetosfer Bumi, menciptakan arus Birkeland dan aurora. Hidrogen berada dalam keadaan atom netral di medium antarbintang. Sejumlah besar hidrogen netral yang ditemukan dalam sistem alfa-Liman cepat berlalu dr ingatan diyakini 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 langka di atmosfer bumi (1 ppm berdasarkan volume) karena sifatnya yang ringan, yang memungkinkannya mengatasi gravitasi bumi lebih mudah daripada gas yang lebih berat. Namun, hidrogen adalah unsur paling melimpah ketiga di permukaan bumi, yang ada terutama dalam bentuk senyawa kimia seperti hidrokarbon dan air. Gas hidrogen dihasilkan oleh beberapa bakteri dan ganggang dan merupakan komponen alami dari seruling, seperti metana, yang merupakan sumber hidrogen yang semakin penting. Suatu bentuk molekul yang disebut hidrogen molekul terprotonasi (H+3) ditemukan di medium antarbintang, di mana ia dihasilkan oleh ionisasi molekul hidrogen dari sinar kosmik. Ion bermuatan ini juga telah diamati di atmosfer atas planet Jupiter. Ion tersebut relatif stabil dalam lingkungan karena suhu dan densitas yang rendah. H+3 adalah salah satu ion paling melimpah di alam semesta dan memainkan peran penting dalam kimia medium antarbintang. Hidrogen triatomik H3 netral hanya dapat eksis 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 sarana untuk menggantikan ekuivalen pereduksi dalam reaksi biokimia.

Reformasi uap

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

    CH4 + H2O → CO + 3 H2

Reaksi ini bekerja paling baik pada tekanan rendah, tetapi masih dapat dilakukan pada tekanan tinggi (2,0 MPa, 20 atm, atau 600 inci air raksa). Ini karena H2 bertekanan tinggi adalah produk yang paling populer dan sistem pembersihan superheat bertekanan bekerja lebih baik pada tekanan yang lebih tinggi. Campuran produk dikenal sebagai "gas sintesis" karena sering digunakan secara langsung untuk menghasilkan metanol dan senyawa terkait. Hidrokarbon selain metana dapat digunakan untuk menghasilkan gas sintesis dengan berbagai rasio produk. Salah satu dari banyak komplikasi dari teknologi yang sangat dioptimalkan 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 pergeseran 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 berfungsi sebagai pendahuluan dari reaksi pergeseran yang dijelaskan di atas:

    C + H2O → CO + H2

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

asam logam

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

    Zn + 2 H + → Zn2 + + H2

Aluminium juga dapat menghasilkan H2 bila 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 sementara gas hidrogen dihasilkan di katoda. Biasanya, katoda dibuat dari platinum atau logam inert lainnya dalam produksi hidrogen untuk penyimpanan. Namun, jika gas akan dibakar di tempat, keberadaan oksigen diinginkan untuk meningkatkan pembakaran, dan oleh karena itu kedua elektroda akan dibuat dari logam inert. (Misalnya, besi mengoksidasi dan karena itu mengurangi jumlah oksigen yang dilepaskan). Efisiensi maksimum teoritis (listrik yang digunakan dalam kaitannya dengan 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 alumina, tetapi galium yang mahal, yang mencegah pembentukan kulit oksida pada pelet, dapat digunakan kembali. Ini memiliki implikasi potensial yang penting bagi ekonomi 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 ini, seperti siklus oksida besi, siklus serium (IV) oksida, siklus serium (III) oksida, siklus seng-seng siklus, siklus sulfur yodium, siklus tembaga, dan siklus hibrida klorin dan belerang sedang dalam penelitian dan pengujian 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, paduan besi dan baja secara perlahan dioksidasi oleh proton air sambil direduksi dalam molekul hidrogen (H2). Korosi anaerobik 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 terkristalisasi dengan baik (Fe3O4) secara termodinamika lebih stabil daripada besi hidroksida (Fe(OH)2). Proses ini terjadi selama korosi anaerobik besi dan baja dalam kondisi anoksik. air tanah dan ketika memulihkan tanah di bawah permukaan air tanah.

Asal geologis: reaksi serpentinisasi

Dengan tidak adanya oksigen (O2) di dalam kondisi geologi, yang berada jauh dari atmosfer bumi, hidrogen (H2) terbentuk dalam proses serpentinisasi oleh oksidasi anaerobik oleh proton air (H+) dari besi silikat (Fe2 +) yang ada dalam kisi kristal fayalite (Fe2SiO4, olivin-besi minal) . Reaksi yang sesuai 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 pada oksidasi anaerobik besi hidroksida yang kontak dengan air.

Formasi dalam transformator

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

Aplikasi

Konsumsi dalam berbagai proses

Sejumlah besar H2 dibutuhkan dalam industri perminyakan dan kimia. Penggunaan terbesar H2 adalah untuk pemrosesan ("peningkatan") bahan bakar fosil dan untuk produksi amonia. Di pabrik petrokimia, H2 digunakan dalam hidrodealkilasi, hidrodesulfurisasi, dan perengkahan air. H2 memiliki beberapa kegunaan penting lainnya. H2 digunakan sebagai agen hidrogenasi, khususnya untuk meningkatkan tingkat kejenuhan lemak dan minyak tak jenuh (ditemukan dalam barang-barang seperti margarin), dan dalam produksi metanol. Ini juga merupakan sumber hidrogen dalam produksi asam klorida. H2 juga digunakan sebagai agen pereduksi untuk bijih logam. Hidrogen sangat larut dalam banyak logam tanah jarang dan logam transisi dan larut dalam logam nanokristalin dan amorf. Kelarutan hidrogen dalam logam tergantung pada distorsi lokal atau pengotor dalam kisi kristal. Hal ini dapat berguna ketika hidrogen dimurnikan dengan melewati piringan paladium panas, tetapi kelarutan gas yang tinggi merupakan masalah metalurgi yang menggerus banyak logam, membuat perpipaan dan tangki penyimpanan sulit untuk dirancang. Selain digunakan sebagai reagen, H2 memiliki berbagai aplikasi dalam fisika dan teknik. Ini digunakan sebagai gas pelindung dalam metode 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, dengan kepadatan lebih dari 1/14 udara, H2 pernah digunakan secara luas sebagai gas pengangkat dalam balon dan kapal udara. Dalam aplikasi yang lebih baru, hidrogen digunakan rapi atau dicampur dengan nitrogen (kadang-kadang disebut gas pembentuk) sebagai gas pelacak untuk deteksi kebocoran instan. Hidrogen digunakan dalam industri otomotif, kimia, energi, kedirgantaraan dan telekomunikasi. Hidrogen adalah aditif makanan yang diizinkan (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 dalam reaksi fusi nuklir. Senyawa deuterium digunakan dalam bidang kimia dan biologi dalam mempelajari efek isotop dari reaksi. Tritium (hidrogen-3), diproduksi di reaktor nuklir, digunakan dalam pembuatan bom hidrogen, sebagai penanda isotop dalam ilmu biologi, dan sebagai sumber radiasi dalam cat bercahaya. Suhu titik rangkap tiga 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 refrigeran di generator karena sejumlah sifat menguntungkan yang merupakan akibat langsung dari molekul diatomiknya yang ringan. Ini termasuk kepadatan rendah, viskositas rendah, dan kapasitas panas spesifik tertinggi dan konduktivitas termal dari gas apapun.

Pembawa energi

Hidrogen bukanlah sumber energi, kecuali dalam konteks hipotetis pembangkit listrik fusi komersial menggunakan deuterium atau tritium, sebuah teknologi yang saat ini jauh dari matang. Energi Matahari berasal dari fusi nuklir hidrogen, tetapi proses ini sulit dicapai di Bumi. Hidrogen unsur dari matahari, sumber biologis atau listrik membutuhkan lebih banyak energi untuk memproduksinya daripada yang dibutuhkan untuk membakarnya, jadi dalam kasus ini hidrogen berfungsi sebagai pembawa energi, mirip dengan baterai. Hidrogen dapat diperoleh dari sumber fosil (seperti metana), tetapi sumber ini dapat habis. Densitas energi per satuan volume hidrogen cair dan hidrogen gas terkompresi pada setiap tekanan yang dapat dicapai secara praktis secara signifikan lebih kecil daripada sumber energi konvensional, meskipun densitas energi per satuan massa bahan bakar lebih tinggi. Namun, unsur hidrogen telah dibahas secara luas dalam konteks energi sebagai pembawa energi masa depan ekonomi yang luas. Sebagai contoh, sekuestrasi 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 tetapi tanpa emisi karbon. Namun, biaya infrastruktur yang terkait dengan konversi penuh ke ekonomi hidrogen akan signifikan. Sel bahan bakar dapat mengubah hidrogen dan oksigen langsung menjadi listrik lebih efisien daripada mesin pembakaran internal.

industri semikonduktor

Hidrogen digunakan untuk menjenuhkan ikatan yang menggantung dari silikon amorf dan karbon amorf, yang membantu menstabilkan sifat material. Ini 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 adalah produk dari beberapa metabolisme anaerobik dan diproduksi oleh beberapa mikroorganisme, biasanya melalui reaksi yang dikatalisis oleh enzim yang mengandung besi atau nikel yang disebut hidrogenase. Enzim-enzim ini mengkatalisis reaksi redoks reversibel antara H2 dan dua protonnya serta dua elektronnya. Penciptaan gas hidrogen terjadi dengan mentransfer ekuivalen pereduksi yang dihasilkan oleh fermentasi piruvat menjadi air. Siklus alami produksi dan konsumsi hidrogen oleh organisme disebut siklus hidrogen. Pemisahan air, proses di mana air dipecah menjadi proton, elektron, dan oksigen penyusunnya, terjadi dalam reaksi terang di semua organisme fotosintesis. Beberapa organisme tersebut, termasuk alga Chlamydomonas Reinhardtii dan cyanobacteria, telah berevolusi tahap kedua dalam reaksi gelap di mana proton dan elektron direduksi untuk membentuk gas H2 oleh hidrogenase khusus dalam kloroplas. Upaya telah dilakukan untuk memodifikasi hidrase cyanobacterial secara genetik untuk mensintesis gas H2 secara efisien bahkan dengan adanya oksigen. Upaya juga telah dilakukan dengan menggunakan ganggang yang dimodifikasi secara genetik dalam bioreaktor.