Idrogeno - PROPRIETA' FISICHE, PROPRIETA' CHIMICHE, IDROGENO ATOMICO, PREPARAZIONE, USI DELL'IDROGENO

Idrogeno

L'elemento chimico idrogeno è un gas incoloro e infiammabile. Il suo simbolo chimico è H e il suo numero atomico è 1. L'idrogeno è il primo elemento della tavola periodica e ha la struttura atomica più semplice di quella di tutti gli altri elementi; il suo nucleo consiste di un singolo protone e, esternamente ad esso, c'è un solo elettrone. Sebbene formalmente nella tavola periodica sia il primo elemento del gruppo I A (metalli alcalini), l'idrogeno non può essere considerato realmente un membro di questa famiglia di elementi, ma deve essere trattato come un caso a sé stante. L'idrogeno gassoso consiste di molecole biatomiche. L'idrogeno è presente in tutta la materia animale e vegetale come parte dei composti nei quali esso è legato al carbonio e ad altri elementi. Fa parte della struttura dell'acqua e di tutti gli acidi ed è anche un costituente del petrolio e del carbone sotto forma di idrocarburi.

Il nome idrogeno, derivato dai termini greci hydro, acqua, e genes, generatore, fu suggerito da Lavoisier nel 1781. Già nel sec. XVI Paracelso aveva identificato l'idrogeno come quel gas infiammabile che viene prodotto dalla reazione di un metallo con un acido; in quell'epoca comunque l'idrogeno non fu riconosciuto come elemento e fu confuso con altri gas combustibili, come ad esempio gli idrocarburi e il monossido di carbonio. Nel 1766 Henry Cavendish identificò l'idrogeno gassoso come elemento misurando la sua densità e il volume di gas svolto da certe quantità di acido e di metallo; egli dette a questo gas, in base alle sue proprietà di combustibile, il nome di 'aria infiammabile'.

Fonti naturali. L'idrogeno è il più abbondante di tutti gli elementi nell'universo: è stato valutato che l'idrogeno costituisce più del 90% di tutti gli atomi e i tre quarti della massa dell'universo. E' opinione comune che tutti gli elementi più pesanti siano stati, e lo siano ancora, formati da idrogeno e elio. L'idrogeno si trova nel Sole e nelle stelle e gioca un ruolo importante nelle reazioni protone-protone che danno luogo alla liberazione di energia nel Sole e nelle stelle. Le temperature estremamente alte a cui si trovano comunemente le stelle rendono possibile la fusione nucleare dell'idrogeno e questa reazione provoca un colossale sviluppo di energia.

Si crede che l'idrogeno libero sia il principale componente del pianeta Giove e che a una certa profondità nell'interno del pianeta la pressione sia così grande che l'idrogeno liquido molecolare si trasformi in idrogeno ancora allo stato liquido ma con proprietà tipiche dello stato metallico. Negli USA e in Russia si sta tentando di produrre idrogeno metallico solido.

L'idrogeno costituisce circa lo 0,76% in peso della crosta terrestre e l'elemento si pone quindi al nono posto in ordine di abbondanza fra tutti gli elementi sulla Terra. Il suo più importante composto naturale è l'acqua, che è anche la principale fonte dell'elemento. L'idrogeno libero è un componente dei gas emessi dai vulcani e si trova anche assorbito nei depositi salini, nel carbone, nelle rocce e nelle meteoriti; il contenuto di idrogeno nell'atmosfera terrestre, però, è inferiore a una parte per milione a causa del fatto che questo gas diffonde continuamente nello spazio.

PROPRIETA' FISICHE

L'isotopo comune dell'idrogeno, viene talvolta indicato col nome di pròzio. Nel 1932 Harold Urey isolò un altro isotopo stabile presente in natura, l'idrogeno pesante o deuterio, che contiene nel nucleo un neutrone oltre al protone dell'idrogeno comune. Nel 1935 Ernst Rutherford, L. E. Oliphant e Paul Harteck sintetizzarono un terzo isotopo, il trizio, che contiene nel nucleo due neutroni e un protone, per mezzo di un bombardamento con deuteroni veloci ottenuti dall'acido deuterofosforico. Il trizio è radioattivo e decade nell'elio emettendo un elettrone dal nucleo.

Poiché le conurazioni elettroniche dei tre isotopi sono identiche, le loro proprietà chimiche sono le stesse; tuttavia, a causa delle loro masse molto diverse, le loro velocità di reazione sono leggermente differenti. Il deuterio è estremamente utile nell'ambito della ricerca scientifica, ma è poco usato al di fuori dei laboratori. Grandi quantità di deuterio vengono comunque usate per la produzione di acqua pesante (ossido di deuterio), adoperata per il rallentamento dei neutroni nei reattori a base di uranio.

L'idrogeno è incolore, inodore e insapore. Esso ha la densità più bassa di tutte le sostanze, pari a 0,08988 g/l (grammi/litro) alla pressione di una atmosfera e alla temperatura di 25 °C. I due atomi che formano la molecola di deuterio sono legati da un singolo legame covalente, cosicché ciascun atomo raggiunge la conurazione elettronica stabile dell'elio. La molecola non è polare e le scarsissime forze di attrazione fra le molecole (forze intermolecolari) sono provate dal basso punto di ebollizione, -252,87 °C, e dall'altrettanto basso punto di fusione, -259,14 °C.

L'idrogeno gassoso ha il più alto coefficiente di diffusione fra tutti i gas. Diffonde attraverso sostanze porose, come pure attraverso l'argilla e la gomma e perfino attraverso alcuni metalli. La diffusione dell'idrogeno attraverso il palladio è un metodo comunemente usato per purificare il gas.

PROPRIETA' CHIMICHE

La conurazione elettronica dell'atomo di idrogeno presenta una valenza 1, oppure un numero di ossidazione ±1. L'idrogeno forma tre tipi di composti nei quali esso si presenta come: 1) anione, o ione idruro; (2) catione, o protone; (3) atomo legato covalentemente.

L'idrogeno reagisce con i metalli del gruppo I A e con i metalli più pesanti del gruppo II A (bario, stronzio e calcio) per formare idruri anionici.

Così l'idruro risultante contiene l'anione, come può essere verificato elettrolizzando l'idruro in un alogenuro alcalino fuso: si trova infatti che l'idrogeno si svolge all'anodo (elettrodo positivo); la ben nota idrolisi dell'acqua svolge invece l'idrogeno al catodo (elettrodo negativo). Gli idruri complessi di boro e di alluminio, come ad esempio il boroidruro di sodio, e l'idruro di alluminio e litio, sono usati come agenti riducenti nella sintesi dei composti organici.

La ionizzazione dell'atomo di idrogeno, richiede una considerevole quantità di energia (313 kcal/mole) e, conseguentemente, il protone libero, può esistere solo nei tubi di scarica. Unicamente a causa delle sue piccole dimensioni il protone ha un considerevole potere polarizzante e si trova sempre associato con altri atomi. Così, in acqua, si associa con più molecole di solvente e viene spesso rappresentato come ione. L'acqua è in parte ionizzata. Quando gli acidi si sciolgono in acqua danno una concentrazione di ioni idrogeno maggiore di quella che esiste in acqua pura.

Quasi tutti i composti dell'idrogeno sono di tipo covalente. Essi si formano soprattutto con gli elementi appartenenti ai gruppi dal VI B al VII B della tavola periodica. Fra essi possono essere citati come esempi: il metano; l'ammoniaca; il solfuro di idrogeno; il floruro di idrogeno. L'idrogeno brucia all'aria e reagisce in modo esplosivo con l'ossigeno.

L'idrogeno reagisce sotto certe condizioni in modo esplosivo anche con gli alogeni ed il prodotto è un alogenuro di idrogeno.

IDROGENO ATOMICO

La molecola di idrogeno può essere dissociata negli atomi costituenti usando fonti di alta energia come scariche elettriche o microonde fatte passare attraverso idrogeno gassoso a basse pressioni. Il legame che unisce i due atomi di idrogeno nella molecola è forte e di conseguenza la reazione è altamente endotermica: per farla avvenire è infatti necessario fornire una quantità di energia pari a 104,2 kcal/mole. Molti metalli, come ad esempio il platino e il tungsteno, sono capaci di catalizzare la ricombinazione degli atomi di idrogeno, reazione che dà luogo allo sviluppo di una quantità di energia equivalente a quella spesa nella dissociazione. Questa ricombinazione degli atomi di idrogeno, altamente esotermica, viene usata nel cannello a idrogeno per la saldatura dei metalli. L'idrogeno atomico è un potentissimo agente riducente; esso può ridurre molti ossidi e cloruri metallici a metalli, mentre l'ossigeno può essere ridotto a perossido di idrogeno.

PREPARAZIONE

L'idrogeno viene solitamente ottenuto in laboratorio per azione di acidi diluiti sui metalli; tutti i metalli che si trovano sopra l'idrogeno nella serie elettrochimica degli elementi, relativa ai potenziali di riduzione, reagiscono con acido cloridrico diluito o con acido solforico diluito svolgendo idrogeno. Lo zinco è il metallo usato più comunemente.

Un altro metodo usato spesso in laboratorio è l'elettrolisi dell'acqua. Questa può essere decomposta negli elementi che la costituiscono, idrogeno e ossigeno, facendo passare corrente elettrica attraverso una sua soluzione acida e usando elettrodi di platino o di carbonio.

L'idrogeno viene ottenuto commercialmente per azione di vapore caldo su carbon coke al calor bianco, oppure attraverso un processo simile che usa un catalizzatore di nichel e idrocarburi raffinati di scarso valore al posto del carbon coke. L'idrogeno può anche essere ottenuto come sottoprodotto dei processi di cracking degli idrocarburi e, durante la fabbricazione del cloro e dell'idrossido di sodio, per elettrolisi di soluzioni concentrate di cloruro di sodio. La produzione di idrogeno, solamente negli USA, ammonta a decine di migliaia di metri cubi di gas al giorno.

USI DELL'IDROGENO

Fino all'inizio del sec. XX erano necessarie solo piccole quantità di idrogeno; il gas era usato come combustibile nel gas da città e nel gas d'acqua, per riempire palloni e per i cannelli ossidrici usati nelle saldature. Oggi, invece, vengono usate enormi quantità del gas per molti processi. L'impiego più importante dell'idrogeno si ha nella sintesi dell'ammoniaca, per mezzo del processo Haber. La reazione comporta la fissazione diretta dell'azoto, ottenuto dall'aria, per combinazione con l'idrogeno. I gas reagiscono l'uno con l'altro ad alta pressione (almeno 250 atmosfere) in presenza di un catalizzatore finemente suddiviso e alla temperatura di 500 °C.

Sotto le condizioni precedentemente descritte, circa il 15% della miscela di gas si trasforma in ammoniaca. I gas vengono raffreddati mentre sono ancora sotto pressione e l'ammoniaca viene asportata allo stato liquido. L'ammoniaca viene usata a sua volta nella fabbricazione di molti composti contenenti azoto, compresi l'acido nitrico, l'urea e alcuni fertilizzanti, come il nitrato di ammonio.

Grandi quantità di idrogeno vengono usate per la fabbricazione di cloruro di idrogeno che, una volta sciolto in acqua, prende il nome di acido cloridrico.

Anche l'ottenimento di molti composti organici comporta l'uso dell'idrogeno. Ad esempio il metanolo viene sintetizzato facendo reagire il monossido di carbonio con idrogeno a una temperatura di 400 °C, a una pressione di 300 atmosfere e in presenza di ossido di zinco e ossido di cromo come catalizzatori. Gli alcoli superiori vengono ottenuti nel processo OXO, nel quale un alchene viene fatto reagire con monossido di carbonio e idrogeno in presenza di un catalizzatore al cobalto. Nella fabbricazione della margarina, l'olio di arachidi, che contiene doppi legami carbonio-carbonio (gruppi insaturi), viene fatto reagire con idrogeno (viene cioè idrogenato) in presenza di un catalizzatore a base di nichel per produrre grassi solidi commestibili contenenti legami singoli carbonio carbonio (gruppi saturi) al posto di quelli doppi. L'idrogeno viene poi usato nell'ottenimento di certi metalli, come il molibdeno e il tungsteno, a partire dai corrispondenti ossidi, nell'ottenimento di speciali colate metalliche, nella produzione del magnesio, e per il raffreddamento di grossi generatori elettrici.

L'idrogeno liquido ha importanti applicazioni negli studi delle basse temperature (v. criogenia) e negli studi relativi alla superconduttività, poiché il suo punto di fusione è solo di pochi gradi superiore allo zero assoluto. L'idrogeno liquido viene anche usato nelle camere a bolle per fotografare le tracce prodotte dalle particelle nucleari e per la identificazione di queste. Grandi quantità di idrogeno liquido sono state usate nella ricerca spaziale come combustibile sia per generare energia elettrica nelle celle a combustibile sia, insieme a ossigeno o fluoro come ossidanti, nei razzi. A questo proposito, all'idrogeno liquido viene preferita una miscela di idrogeno solido e idrogeno liquido, che formano una poltiglia; questa miscela ha una temperatura più bassa, una densità maggiore e inoltre una stabilità più elevata.

Nell'ambito della ricerca di nuove fonti di energia è sorto un notevole interesse per la possibilità di utilizzare l'idrogeno come riserva energetica. E' stato infatti suggerito che molti combustibili potrebbero essere convertiti in elettricità che, a sua volta, dovrebbe essere usata per elettrolizzare l'acqua allo scopo di produrre idrogeno. L'idrogeno così ricavato potrebbe essere immagazzinato allo stato liquido e, quando necessario, sarebbe disponibile per essere bruciato: l'energia immagazzinata sarebbe quindi riutilizzabile.