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.
PROPRIETA'
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.
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,
tra i quali il più importante è l'acqua, H2O.
È parte essenziale di tutti gli idrocarburi e di molte
sostanze organiche. Inoltre tutti gli acidi contengono idrogeno.
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 o 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
viene 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.
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