Idrogeno

idrogeno – elio
H Li
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Generale Nome, Simbolo, Numero Atomico idrogeno, H, 1 Serie chimica nonmetalli Gruppo, Periodo, Blocco 1 (IA), 1, s Densità , Durezza 0,0899 kg/m³, Nd Colore incolore
H,1.jpg Proprietà atomiche Peso atomico 1,00794 amu Raggio atomico 25 pm Raggio covalente 37 pm Raggio di van der Waals 120 pm Configurazione elettronica 1s¹ e^- per livello energetico 1 Stato di ossidazione 1 (anfotero) Struttura cristallina Esagonale Proprietà fisiche Stato di aggregazione gassoso Punto di fusione 14,025 K, (-258,89 °C) Punto di ebollizione 20,268 K, (-252,78 °C) Volume molare m³/mol Entalpia di vaporizzazione 0,44936 kJ/mol Entalpia di fusione 0,05868 kJ/mol Pressione del vapore 209 Pa a 23 K Velocità del suono 1270 m/s a 298,15 K Varie Elettronegatività 2,2 (Scala di Pauling) Capacità calorica specifica 14304 J/(kg*K) Conducibilità elettrica NA Conducibilità termica 0,1815 W/(m*K) Energia di prima ionizzazione 1312,06 kJ/mol Isotopi stabili iso NA TD DM DE DP ¹H 99,985% H è stabile con 0 neutroni Deuterio ²H 0,015% H è stabile con 1 neutrone Trizio ³H sintetico 12,33 anni β^- 0,019 ³He ⁴H sintetico sconosciuto n 2,910 ³H iso = isotopo
NA = abbondanza in natura
TD = tempo di dimezzamento
DM = modalità di decadimento
DE = energia di decadimento in MeV
DP = prodotto del decadimento L'idrogeno (hydor, "acqua", e gennàn, "generare") è il primo elemento chimico della tavola periodica degli elementi, ha come simbolo H e come numero atomico 1.

Allo stato elementare esiste sotto forma di molecola biatomica, H₂, che a pressione atmosferica e a temperatura ambiente (298K) è un gas incolore, inodore, altamente infiammabile. L'idrogeno è l'elemento più leggero e più abbondante di tutto l'universo. È presente nell'acqua (11,19%) e in tutti i composti organici e organismi viventi. L'idrogeno forma composti con la maggior parte degli elementi, spesso anche per sintesi diretta. Le stelle sono principalmente composte di idrogeno nello stato di plasma. Questo elemento è usato nella produzione di ammoniaca, nell'idrogenazione degli oli vegetali, in aeronautica (nei dirigibili come combustibile alternativo) e, di recente, come riserva di energia nelle pile a combustibile.

Caratteristiche

L'idrogeno è l'elemento chimico più leggero. Il suo isotopo più comune (protio) consiste di un singolo protone e di un elettrone. In condizioni normali di pressione e temperatura l'idrogeno forma un gas diatomico, H₂, con un punto di ebollizione di soli 20,27 K e un punto di fusione di 14,02 K.

Sottoposte a pressioni eccezionalmente alte, come quelle che si trovano al centro dei giganti gassosi (Giove ad esempio), le molecole perdono la loro identità e l'idrogeno diventa un metallo liquido. Al contrario, in condizioni di pressione estremamente bassa, le molecole H₂ possono subire dissociazione se sottoposte a radiazione di opportuna frequenza e gli atomi individuali possono sopravvivere per un tempo sufficiente per esser rilevati. Nubi di H₂ si formano e sono associate con la nascita delle stelle.

Questo elemento gioca un ruolo vitale nel fornire energia all'universo, attraverso processi di fusione nucleare che rilasciano enormi quantità di energia tramite la combinazione di due atomi di idrogeno in uno di elio.

Essendo il prozio (v. isotopi) il più semplice elemento chimico, è stato studiato dalla meccanica quantistica in maniera approfondita, vedi ad esempio l'articolo sull'energia degli stati stazionari dell'atomo di idrogeno.

Applicazioni

Grandi quantità di idrogeno sono necessarie per applicazioni industriali, come nel processo Haber-Bosch per la produzione di ammoniaca, nell'idrogenazione dei grassi e degli oli, e nella produzione del metanolo. Altri processi nei quali viene utilizzato l'idrogeno sono:

idrodealchilazione, idrodesolforazione, idroraffinazione.
nelle saldature, come combustibile per razzi, e per la riduzione dei minerali metallici.
l'idrogeno liquido è usato nella ricerca criogenica, che comprende gli studi sulla superconduttività.
Il trizio viene prodotto nei reattori nucleari ed è impiegato nella produzione delle bombe all'idrogeno.
Essendo quasi quindici volte più leggero dell'aria, venne impiegato come agente per sollevare palloni aerostatici e dirigibili. Dopo il disastro dell'Hindenburg l'opinione pubblica si convinse che il gas fosse troppo pericoloso per continuare a usarlo in questo campo.
Il deuterio è usato nelle applicazioni nucleari come moderatore per rallentare i neutroni, composti contenenti deuterio sono utilizzati in chimica e biologia.
Il trizio è usato come tracciante isotopico nelle bioscienze e in cinetica chimica, come sorgente di radiazione delle vernici fosforescenti.
L'idrogeno può essere bruciato in motori a combustione interna, utilizzati su alcuni prototipi di auto. Le pile a combustibile sono un modo per ottenere dall'ossidazione dell'idrogeno elettricità senza passare dalla combustione diretta, e ottenere quindi maggiore efficienza, in un futuro in cui la produzione di idrogeno avverrà utilizzando fonti rinnovabili e non più combustibili fossili.
Una conseguenza di solito negativa, ma a volte desiderata, dell'idrogeno è la sua azione infragilizzante sui metalli. Esso si fissa sugli atomi di ferro all'interno delle cricche e contribuisce a ridurre di molto il valore di γ_s (energia di creazione di un'interfaccia), favorendo la rottura di un pezzo per fatica statica.

Storia

La parola idrogeno deriva dalle parole greche hydor (acqua) e gennàn (generare). Venne individuato come sostanza distinta nel 1776 da Henry Cavendish; nominato inizialmente "aria infiammabile" da Joseph Priestley, poi Antoine Lavoisier lo riconobbe come elemento e gli diede nome.

Disponibilità

L'idrogeno è l'elemento più abbondante dell'universo, forma fino al 75% della materia (in base alla massa) e più del 90% (in base al numero di atomi). Questo elemento si trova principalmente nelle stelle e nei giganti gassosi. Relativamente alla sua abbondanza generale, l'idrogeno è molto raro nell'atmosfera terrestre (1 ppm) e praticamente inesistente allo stato puro sulla superficie e nel sottosuolo terrestre.

Sulla Terra la fonte più comune di questo elemento è l'acqua, che è composta da due atomi di idrogeno e uno di ossigeno (H₂O). Altre fonti sono: la maggior parte della materia organica (che comprende tutte le forme di vita conosciute), il carbone, i combustibili fossili e il gas naturale. Il metano (CH₄), che è un sottoprodotto della decomposizione organica, sta diventando una fonte di idrogeno sempre più importante.

Produzione

Il fatto che l'idrogeno sia l'elemento più abbondante dell'universo potrebbe far pensare che sia estremamente facile produrlo, ad esempio estraendolo dall'acqua. Se questo è vero in linea teorica, nella pratica attualmente il modo più economico per produrre questo elemento consiste nell'utilizzo di petrolio o di altri combustibili fossili. Infatti, circa il 97% dell'idrogeno prodotto è ottenuto dai combustibili fossili, mentre soltanto un 3% si ottiene tramite l'elettrolisi dell'acqua.

La via industriale più comune per produrlo è quella della gassificazione del carbone, che prevede il trattamento del carbone con vapore acqueo (processo del gas d'acqua): C + H₂O → CO + H₂

la reazione è endotermica, ossia richiede calore per compiersi; il calore viene fornito miscelando al vapore acqueo una frazione di ossigeno in modo che avvenga contestualmente anche la reazione esotermica (che genera calore)

C + O₂ → CO₂

L'ossido di carbonio prodotto nel primo stadio viene successivamente trattato con altro vapore acqueo a 500°C su catalizzatore a basi di ossidi di ferro e di cromo

CO + H₂O → CO₂ + H₂

La miscela gassosa ottenuta viene quindi purificata per distillazione frazionata.

In maniera analoga l'idrogeno può essere prodotto partendo dal metano

12 CH₄ + 5 H₂O + 5 O₂ → 29 H₂ + 9 CO + 3 CO₂

Per produrre idrogeno è quindi necessaria energia: per estrarlo dall'acqua tramite elettrolisi, ad esempio, si deve disporre di energia elettrica. Per questo l'idrogeno non è una fonte di energia, ma piuttosto un mezzo per trasportare e immagazzinare l'energia disponibile (ovvero un vettore).

Qualora giungessero a buon fine le ricerche per ottenere energia attraverso la fusione nucleare controllata, la grande densità di energia prodotta potrebbe rendere trascurabile il problema della disponibilità e della produzione industriale dell'idrogeno.

Una via alternativa, particolarmente promettente a livello di ricerca universitaria, è la produzione biologica di idrogeno da biomasse residuali per fermentazione. La fermentazione biologica è uno stadio della digestione anaerobica (uno stadio iniziale) e può essere fotobiologica (in presenza di luce) o no (dark fermentation). Soprattutto quest'ultima tecnologia si sta rivelando promettente perché da un lato consente di produrre elevate quantità di idrogeno, il cui utilizzo come combustibile non determina la produzione di NOx, solfuri, particolati, ecc.. e dall'altro consente lo smaltimento di alcune tipologie di rifiuti organici (compresi i rifiuti urbani) che altrimenti andrebbero a finire in discarica.

Un sistema amatoriale per produrre una mediocre quantità di idrogeno utilizzando dei prodotti di facile recupero è quello che sfrutta la reazione dell'idrossido di sodio (comunemente chiamato soda caustica) con l'alluminio. Per ottenere una reazione soddisfacente bisognerebbe utilizzare della polvere di alluminio, o comunque dei piccoli pezzi di quest'ultimo. La componente principale per innescare la reazione è l'acqua: senza di essa l'alluminio non si riesce a combinare con la soda caustica. Infatti

2 NaOH + 2 Al + 2H₂O → 2 NaAlO₂ + 3 H₂

La reazione, essendo esotermica, comporta una notevole produzione di calore, ne consegue quindi una produzione non indifferente di vapore acqueo, che il più delle volte deve essere eliminato utilizzando, ad esempio, un elemento igroscopico come il cloruro di calcio. L'alluminio, sciogliendosi nell'idrossido di sodio, crea un terzo composto, che assume un colore grigio scuro sostituendosi all'acqua, alla sodia caustica e allo stesso alluminio, l'alluminato di sodio.

Tuttavia i modi per produrre idrogeno da una reazione chimica simile sono molti, questo è solo uno dei più conosciuti ed economici.

Composti

Il più leggero di tutti i gas, l'idrogeno si combina con la maggior parte degli elementi. Con una elettronegatività pari a 2,2, forma composti dove può essere la componente più non-metallica o più metallica. I primi vengono chiamati idruri, nei quali l'idrogeno esiste o come ione H^- o insinuandosi nel reticolo cristallino dei metalli dando luogo a quelli che vengono chiamati idruri interstiziali (come nell'idruro di palladio). Nel secondo caso l'idrogeno tende a essere covalente, in quanto lo ione H⁺ non è altro che un semplice nucleo e ha una forte tendenza ad attirare elettroni.

L'idrogeno si combina con l'ossigeno formando acqua, H₂O, liberando molta energia in questo processo. L'ossido di deuterio è meglio noto come acqua pesante. L'idrogeno forma un vasto numero di composti con il carbonio. A causa della loro associazione con gli esseri viventi, questi composti sono chiamati "organici", e gli studi relativi alle loro proprietà formano la chimica organica.

Forme

In condizioni normali il gas di idrogeno è una miscela di due diversi tipi di molecole, che differiscono a seconda che gli spin dei due nuclei atomici siano tra loro paralleli o antiparalleli. Queste due forme sono rispettivamente conosciute come orto-idrogeno e para-idrogeno. In condizioni standard, il rapporto tra orto e para è di circa 3 a 1 e la conversione di una forma nell'altra è talmente lenta da non avvenire in assenza di un catalizzatore. Le due forme differiscono a livello energetico, il che provoca piccole differenze nelle loro proprietà fisiche. Ad esempio, i punti di fusione ed ebollizione del paraidrogeno sono all'incirca 0,1 °K più bassi dell'ortoidrogeno.

L'esistenza di queste due forme pone un inconveniente nella produzione industriale di idrogeno liquido: quando viene liquefatto, l'idrogeno è generalmente una miscela para:orto circa 25:75; lasciato a sé, nell'arco di un mese la miscela si arricchisce della forma para, che diventa il 90%; questa conversione libera calore che fa evaporare gran parte dell'idrogeno, che viene perso. Per ovviare a ciò, la liquefazione dell'idrogeno viene condotta in presenza di un catalizzatore a base di ossido di ferro; in questo modo l'idrogeno liquido ottenuto è composto per oltre il 99% dalla forma para.

Isotopi

Il più comune isotopo dell'idrogeno (prozio) non ha neutroni, ne esistono però altri due: il deuterio con un neutrone, e il trizio (radioattivo) con due. I due isotopi stabili sono il prozio (¹H) e il deuterio (²H, D).

L'idrogeno è l'unico elemento a cui si attribuiscono nomi differenti per alcuni dei suoi isotopi.

Sono stati osservati anche gli isotopi ⁴H, ⁵H e ⁶H, ma sono tanto instabili che, al momento, non si è neppure riusciti a stimare l'ordine di grandezza dei loro tempi di dimezzamento.

Precauzioni

L'idrogeno è un gas altamente infiammabile e forma con l'aria miscele esplosive. Reagisce inoltre violentemente con il cloro e il fluoro.

L'acqua pesante (o ossido di deuterio) D₂O è tossica per molte specie. La quantità necessaria a uccidere un uomo comunque è notevole.

Citazioni letterarie

All'idrogeno è dedicato uno dei racconti de "Il sistema periodico" di Primo Levi.

Voci correlate

Collegamenti esterni

http://www.idrogeno.ch

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