Hubungan hidrogen dengan air

Air tesusun oleh molekul-molekul triatomik sederhana (H₂O), tetapi tingkahlaku air sangat kompleks dan beberapa hal agak unik. Sifat unik air muncul etrutama dari struktur molekuler dan resultante gaya-gaya intermolekulernya. Atom oksigen dalam molekul air dilukiskan membentuk orbital hibrida terluar sp³, dengan dua pasang electron non-ikatan. Teori VSEPR mengklasifikasikan air sebagai molekul tipe AB₂E₂. Oleh karena itu_,bangun molekul air berbentuk V dengan sudut ikatan H-O-H = 104,5^o, lebih kecil daripada sudut tetrahedron regular (109^o47’)  oleh karena  tolakan yang lebih kuat dari dua pasang elektron non-ikatan tersebut. Bentuk molekul dengan dua pasang elektron mandiri yang demikian ini mengakibatkan air bersifat polar yang sangat kuat( = 1,85 D) hingga menghasilkan gaya dipol-dipol yang sangat kuat pula.

Sifat elektronegatif atom oksigen yang sangat tinggi lebih lanjut mengakibatkan terbentuknya ikatan hidrogen antar molekul air yang sangat kuat pula. Atom-atom hidrogen dengan muatan positif parsial akan tertarik secara kuat oleh atom oksigen dari molekul air tetangga oleh ikatan hidrogen. Jadi, dalam molekul air setiap atom oksigen mampu membentuk dua ikatan hidrogen dari ke dua pasang elektron mandiri tersebut. Oleh ikatan hidrogen   molekul-molekul air ini dalam fasa cair bergerombol dengan jumlah molekul yang bervariasi bersama-sama dengan beberapa molekul lain yang tidak bergabung. Model keseimbangan dinamik menjelaskan adanya keseimbangan antara molekul-molekul gerombol dengan molekul-molekul terpisah sehingga selalu terjadi pemutusan sekaligus penggabungan molekul-molekul air secara terus menerus.

Dalam fasa padat (es) molekul-molekul air tertata rapi pada posisi yang sudah fiks(pasti permanen) oleh ikatan hidrogen. Tiap atom oksigen dikelilingi oleh empat atom hidrogen, dua diantaranya dengan ikatan kovalen dan dua yang lain dengan ikatan hidrogen. Ke empat atom hidrogen ini juga diikat lebih lanjut dengan empat atom oksigen (dari empat molekul air) yang lain. Bentuk ikatan demikian ini terulang berkelanjutan secara tiga dimensi membentuk struktur terbuka semacam sarang lebah.

Ikatan hidrogen antar molekul-molekul air sangat penting bagi kehidupan di bumi ini. Tanpa ikatan hidrogen, air akan mencair kira-kir a-100^oC dan mendidih -90⁰C. Ikatan hidrogen mengakibatkan sifat keanehan (abnormal) yang sangat jarang ditemui yaitu fasa cair lebih rapat dari pada padatnya.  Bagi hampir semua senyawa, molekul-molekul terkemas lebih rapat pada fasa padatnya dari pada fasa ccairnya. Andaikata hal ini terjadi pada air baik di laut, danau maupun di sungai di dunia ini, maka ketika temperatur turun hingga dibawah titik beku air, air akan membeku mulai dari bawah, dan akibatnya segala makhluk / organissme di dalam air tidak akan tahan hidup dalam lingkungan demikian ini. Untungnya kerapatan es lebih kecil daripada cairannya sehingga lapisan es yang senantiasa berada di atas permukaan justru menjaga air dibawahnya tetap dalam fasa cair.

Sifat abnormal air tersebut berkaitan dengan struktur es yang terbuka. Oleh karena adanya jaringan ikatan hidrogen. Pada saat meleleh, beberapa ikatan hidrogen terputus dan sebagian struktur terbuka menjadi runtuh. Perubahan ini menaikkan rapatan (densitas) cairan. Rapatan mencapai maksimum pada 4⁰C. Pada titik ini naiknya kerapatan yang disebabkan oleh runtuhnya kluster(gerombolan) ikatan hidrogen dalam molekul-molekul air diatas oleh turunnya kerapatan yang disebabkan oleh naikknya gerak molekul sebagai akibat dari naiknya temperatur.

Prinsip Le Chaterlier menunjukkan bahwa fasa yang lebih rapat diunggulkan oleh kenaikkan tekanan. Jadi untuk air, pengaruh naiknya tekanan terhadap fasa padatan (es) yang lebih rendah kerapatannya.

Hidrogen dapat dibuat dari proses elektrolisis air dengan menggunakan suplai energi yang dapat diperbaharui misalnya angina, hydropower, atau turbin. Dengan cara elektrolisis maka produksi yang dijalankan tidak akan menghasilkan polusi. Proses elektrolisis menjadi salah satu proses yang memiliki nilai ekonomi yang murah dibandingkan dengan menggunakan bahan baku hidrokarbon. Salah satu teknik elektrolisis yang mendapatkan perhatian cukup tinggi adalah elektrolisis dengan menggunakan tekanan tinggi dalam teknik ini elektrolisis dijalankan untuk menghasilkan gas hidrogen dan oksigen dengan tekanan sekitar 120-200 Bar. Teknik lain adalah dengan menggunakan elektrolisis temperatur tinggi dengan teknik ini konsumsi energy untuk proses elektrolisis sangat rendah sehingga bias meningkatkan efisiensi hingga 50%. Proses elektrolisis dengan menggunakan metode ini biasanya digabungkan dengan instalasi reactor nuklir disebabkan karena bila menggunakan sumber panas yang lain maka tidak akan bias menutup biaya peralatan yang tergolong cukup mahal.