Idrogeno

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Introduzione

Idrogeno Elemento chimico di simbolo H e numero atomico 1, appartenente al gruppo IA (o l) della tavola periodica; è un gas molto reattivo, incolore, inodore e insapore.

Fu scoperto nel 1766 dal chimico britannico Henry Cavendish, come prodotto dell’azione dell’acido solforico sui metalli e come elemento costituente dell’acqua; nominato inizialmente “aria infiammabile” da Joseph Priestley, fu poi chiamato “idrogeno” dal chimico francese Antoine-Laurent Lavoisier.

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Proprietà e diffusione

Come molti elementi gassosi, l’idrogeno è diatomico (la molecola contiene due atomi), ma ad alte temperature si dissocia in atomi liberi. Ha punto di ebollizione e di fusione più bassi di ogni altra sostanza, fatta eccezione per l’elio: solidifica a -259,2 °C e liquefà a -252,77 °C. Alla temperatura di 0 °C e alla pressione di 1 atmosfera, si presenta allo stato gassoso con densità 0,089 g/litro. Il peso atomico è 1,0079. L’idrogeno liquido, ottenuto per la prima volta dal chimico britannico James Dewar nel 1898, è incolore e ha densità relativa 0,070. Vedi Criogenia.

Il gas idrogeno è una miscela di due forme diverse, l’ortoidrogeno (con spin dei nuclei paralleli), che costituisce circa il 75% della miscela, e il paraidrogeno (con spin antiparalleli). Ai punti di fusione e di ebollizione la composizione è leggermente diversa.

Esistono tre isotopi dell’idrogeno: il nucleo dell’idrogeno ordinario è composto da un solo protone; il deuterio, presente nel normale idrogeno per lo 0,02%, ha nucleo costituito da un protone e un neutrone, e ha quindi massa atomica 2; il trizio, isotopo radioattivo e instabile, ha nucleo formato da un protone e due neutroni, e ha massa atomica 3.

In laboratorio sono stati osservati anche isotopi più pesanti: il più pesante in assoluto è stato ottenuto da un gruppo di ricerca internazionale presso il laboratorio RIKEN in Giappone, inviando un fascio di nuclei di elio 8 contro un campione di idrogeno. Nell’impatto, alcuni nuclei di elio 8 hanno ceduto all’idrogeno tutti e sei i neutroni contenuti nel loro nucleo, dando origine a nuclei di idrogeno 7, costituiti da sei neutroni e un protone ciascuno. Naturalmente si tratta di sistemi altamente instabili, osservabili solo in particolari condizioni.

L’idrogeno libero è presente solo in ridottissime quantità nell’atmosfera, ma dall’analisi degli spettri solari e stellari risulta l’elemento più abbondante nell’universo. È presente in grandi quantità anche sulla Terra, in diversi composti, il più importante dei quali è l’acqua, H₂O. È parte essenziale di tutti gli idrocarburi e di molte sostanze organiche. Inoltre, tutti gli acidi contengono idrogeno.

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Usi

L’idrogeno reagisce con molti non-metalli. In presenza di un catalizzatore, si combina con l’azoto formando ammoniaca (vedi Fissazione dell’azoto), con lo zolfo dando solfuro di idrogeno, con il cloro formando acido cloridrico e con l’ossigeno per formare acqua. La reazione fra ossigeno e idrogeno avviene a temperatura ambiente solo in presenza di un catalizzatore di platino. L’idrogeno si combina anche con alcuni metalli, come sodio e litio, formando composti detti idruri. Si comporta da riducente nei confronti degli ossidi metallici, tra i quali l’ossido di rame, liberando ossigeno e riportando il metallo allo stato elementare. Reagisce inoltre con i composti organici insaturi per formare i corrispondenti composti saturi.

L’idrogeno viene preparato in laboratorio sfruttando l’azione degli acidi diluiti su metalli, ad esempio lo zinco, oppure attraverso l’elettrolisi dell’acqua. Grandi quantità di gas vengono prodotte industrialmente a partire da vari gas combustibili.

L’elemento trova moltissimi impieghi in numerosi settori dell’industria e della ricerca. Enormi quantità di idrogeno vengono usate nella produzione di ammoniaca e di alcol metilico, nei processi di idrogenazione degli oli, per ottenere grassi commestibili; del carbone, per produrre petrolio sintetico; infine del petrolio per arricchire la benzina.

Oggi l’idrogeno è visto come una promettente fonte di energia alternativa ai combustibili fossili. Sono in fase di studio e perfezionamento celle a combustibile alimentate a idrogeno adatte a sostituire turbine, motori e batterie negli impianti di produzione di energia elettrica, nelle automobili e nei dispositivi elettronici. I fattori che incoraggiano l’uso di questo elemento in luogo di petrolio e gas naturale sono essenzialmente la sua abbondanza in natura e l’assenza di gas nocivi tra i prodotti della reazione che ha luogo nelle celle a idrogeno; i problemi che invece impediscono un suo immediato uso sistematico sono legati allo stoccaggio e alla distribuzione di questo gas, nonché al fatto che la forma utilizzata nelle celle a combustibile non è immediatamente disponibile, ma deve essere estratta mediante processi di “reforming” che richiedono energia e che, a loro volta, producono emissioni nocive.

Inoltre, poiché è il più leggero fra tutti i gas, l’idrogeno è sempre stato utilizzato per il riempimento di mongolfiere e dirigibili. Tuttavia, essendo facilmente infiammabile, in questi casi viene spesso sostituito con l’elio, che ha circa il 92% del suo potere ascensionale. L’idrogeno è anche usato nelle fiamme ossidriche ad alta temperatura, per tagliare, fondere o saldare i metalli. È conservato in bombole di acciaio mantenute alla pressione di 120/150 atmosfere.