Mengapa hidrogen bebas begitu sedikit di Bumi?
Hidrogen mewakili sekitar 75 % massa barionik alam semesta. Di kerak bumi ia tidak mencapai 0,15 % menurut massa, dan praktis tidak ada yang berupa H₂ bebas. Perbedaan itu bukan kebetulan pembentukan planet: ia akibat langsung teori kinetik.
Kecepatan rata-rata sebuah molekul bergantung pada massanya dan suhunya. Di eksosfer, pada sekitar 1 000 K, molekul H₂ mencapai kecepatan beberapa kilometer per detik. Kecepatan lepas Bumi adalah 11,2 km/s. Distribusi Maxwell-Boltzmann memiliki ekor: selalu ada molekul yang jauh lebih cepat daripada rata-rata. Bagi hidrogen, ekor itu melewati ambang lepas cukup sering untuk mengosongkan cadangan dalam skala waktu geologi.
Molekul nitrogen, enam belas kali lebih berat, bergerak empat kali lebih lambat pada suhu yang sama dan praktis tidak pernah lolos. Karena itu atmosfer Bumi terdiri dari nitrogen dan oksigen, sedangkan Jupiter — dengan kecepatan lepas 60 km/s — mempertahankan hidrogen asal pembentukannya.
Hidrogen Bumi tidak lenyap, melainkan terperangkap. Setiap molekul air mengandung dua atom, dan lautan menyimpan cadangan yang sangat besar. Namun mengeluarkannya dari sana memerlukan energi, dan biaya itulah yang membentuk seluruh industrinya.
Apa arti konfigurasi 1s¹?
Satu elektron tunggal pada orbital 1s. Itu konfigurasi paling sederhana yang mungkin, dan karena itu hidrogen adalah satu-satunya atom yang persamaan Schrödinger-nya memiliki penyelesaian analitik eksak.
Penyelesaian itu menjadi dasar seluruh kimia kuantum. Orbital yang digambar untuk atom mana pun — s berbentuk bola, p dengan dua cuping, d dengan empat — adalah bentuk turunan dari hidrogen yang disesuaikan lewat hampiran. Dengan dua elektron, suku tolakan antara keduanya sudah menutup kemungkinan penyelesaian tertutup.
Elektron tunggal itu juga menjelaskan kerancuan posisi hidrogen dalam tabel. Ia berbagi dengan logam alkali satu elektron s terluar dan kemampuan melepaskannya. Namun ia kekurangan satu elektron untuk melengkapi kulit, sama seperti halogen, dan membentuk H⁻ dengan logam aktif. Berbagai tabel menempatkannya di atas litium, di atas fluor, di kedua tempat, atau terpisah sendiri. Tidak ada pilihan yang sepenuhnya memuaskan.
Apa beda protium, deuterium, dan tritium?
Jumlah neutronnya, dan akibatnya lebih besar daripada biasanya.
Protium, dengan satu proton dan tanpa neutron, menyusun 99,98 % hidrogen alami. Deuterium menambah satu neutron dan menggandakan massa atomnya. Tritium menambah dua, bersifat radioaktif, dan meluruh melalui emisi beta dengan waktu paruh 12,32 tahun.
Menggandakan massa adalah keanehan. Antara karbon 12 dan karbon 13 selisih relatifnya 8 %; antara protium dan deuterium, 100 %. Perbandingan itu menjadikan hidrogen satu-satunya unsur yang isotopnya memiliki sifat kimia berbeda secara nyata dan bernama sendiri.
Air berat, D₂O, mendidih pada 101,4 °C alih-alih 100 °C, membeku pada 3,8 °C, dan 11 % lebih rapat. Reaksi yang memutus ikatan dengan hidrogen berlangsung lebih lambat dengan deuterium, kadang enam atau tujuh kali lebih lambat. Para kimiawan memanfaatkan efek isotop kinetik itu untuk mengetahui ikatan mana yang putus pada tahap lambat suatu mekanisme.
Apa yang membedakan hidrogen hijau, biru, dan abu-abu?
Bukan gasnya, yang identik dalam ketiga kasus, melainkan asalnya dan nasib karbonnya.
Hidrogen abu-abu diperoleh dari reformasi metana dengan uap. Metana dan air bereaksi di atas nikel pada sekitar 800 °C:
CH₄ + H₂O → CO + 3 H₂
CO + H₂O → CO₂ + H₂Karbon dioksida dilepas ke atmosfer. Untuk setiap ton hidrogen, sembilan sampai dua belas ton CO₂ diemisikan.
Hidrogen biru memakai proses yang sama, tetapi menangkap karbon dioksida itu dan menyimpannya di bawah tanah. Penangkapan tidak pernah lengkap, dan perdebatan tentang keefektifannya berkisar pada berapa bagian yang tertahan dan untuk berapa lama.
Hidrogen hijau berasal dari elektrolisis air dengan listrik terbarukan. Ia tidak mengemisikan karbon, tetapi menuntut lebih banyak energi: memisahkan air memerlukan sekurang-kurangnya 39,4 kWh per kilogram hidrogen pada batas termodinamika, dan elektroliser nyata memakai sekitar 50.
Angka itu menjelaskan mengapa 95 % hidrogen dunia masih abu-abu. Ini bukan soal kemauan, melainkan harga listrik dibandingkan harga gas alam.
Untuk apa hidrogen sebenarnya dipakai?
Lebih sedikit untuk energi daripada yang tersirat dalam perdebatan publik. Sebagian besar konsumsi dunia terbagi pada dua penerapan industri.
Yang pertama adalah sintesis amonia lewat proses Haber-Bosch, yang menggabungkan hidrogen dan nitrogen di bawah tekanan pada katalis besi. Dari sanalah sebagian besar pupuk bernitrogen di planet ini berasal. Diperkirakan sekitar separuh nitrogen dalam tubuh manusia pernah melewati pabrik amonia.
Yang kedua adalah pengilangan minyak bumi, tempat hidrogen membuang belerang dari bahan bakar. Tanpa pengolahan itu, bensin dan solar akan melepaskan belerang dioksida saat terbakar.
Sel bahan bakar dan kendaraan hidrogen masih menyerap bagian yang jauh lebih kecil. Hambatannya bukan kimianya, yang berjalan baik, melainkan penyimpanannya: hidrogen memiliki kerapatan energi per satuan massa yang sangat baik dan kerapatan per satuan volume yang buruk. Memampatkannya pada 700 bar atau mencairkannya pada 20 K menyelesaikan soal volume dengan biaya energi dan infrastruktur.