Idrogeno

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 (dal greco antico ὕδωρ, hydor, "acqua", e la radice γεν- di γίγνομαι, ghìghnomai, "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.

[modifica] Caratteristiche

L'idrogeno è l'elemento chimico più leggero. Il suo isotopo più comune (prozio) consiste di un singolo protone e di un elettrone. In condizioni normali di pressione e temperatura l'idrogeno forma un gas biatomico 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 quattro 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.

[modifica] 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 elencati qui sotto.

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'LZ 129 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 elettricità dall'ossidazione dell'idrogeno 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. L'idrogeno non è una fonte di energia, ma un vettore energetico, che attualmente è oggetto di dibattito poiché la sua produzione è inefficiente dal punto di vista termodinamico e richiede un'energia maggiore di quella che consente di risparmiare se usato come combustibile. L'unico modo di usare l'idrogeno come fonte di energia è la fusione nucleare, che potenzialmente potrebbe risolvere i problemi energetici mondiali poiché piccole quantità di questo gas producono quantità enormi di energia. La fusione nucleare è però ancora oggetto di ricerca. La molecola d'acqua è più stabile e quindi meno energetica, dell'ossigeno e dell'idrogeno separati. I processi "naturali" portano un sistema da un'energia più alta ad una più bassa tramite una trasformazione. Per le leggi della termodinamica l'estrazione di idrogeno dall'acqua non può avvenire come reazione inversa a costo zero, cioè senza spendere lavoro. Qualsiasi metodo di estrazione comporta un costo che è pari all'energia liberata poi dalla combustione dell'idrogeno, ed in realtà è maggiore perché non esiste macchina con rendimento pari al 100% durante il processo di estrazione.
Una conseguenza di solito negativa, ma a volte desiderata, dell'idrogeno è la sua azione infragilizzante sui metalli. Esso, a causa delle sue dimensioni atomiche ridotte, si fissa sugli atomi di ferro all'interno degli spazi interstiziali del reticolo molecolare 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.

[modifica] Storia

La parola idrogeno deriva dalle parole greche ydor (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.

[modifica] 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.

[modifica] Produzione

Per approfondire, vedi la voce Produzione di idrogeno.

[modifica] Produzione industriale

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. Questo processo, sfruttando combustibili fossili, porta all'emissione di elevate quantità di CO₂ le quali finiscono per aumentare il bilancio termico della terra e l'effetto serra.

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

2 CH₄ + H₂O + O₂ → 5 H₂ + CO + 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. Ad ogni modo, essendo l'idrogeno considerato un combustibile pulito, l'utilizzo di fonti non rinnovabili come i combustibili fossili per la sua produzione non avrebbe particolare significato. A tutt'oggi la vera scommessa sulla produzione di idrogeno si basa sulla sua produzione utilizzando fonti rinnovabili (energia eolica, delle maree, solare, geotermica, biomassa, etc..).

[modifica] Bioidrogeno

Una via alternativa, particolarmente promettente a livello di ricerca di base, è la produzione biologica di idrogeno che sfrutta processi legati a microrganismi come batteri rossi, cianobatteri e microalghe. Questi microrganismi sono capaci, nelle opportune condizioni, di sfruttare una via metabolica che porta alla produzione di idrogeno, sfruttando fonti diverse.

Le microalghe (come ad esempio Chlamydomonas reinhardtii) producono idrogeno utilizzando come substrato principale acqua e luce (in un processo chiamato biofotolisi). L'acqua viene utilizzata come fonte di elettroni (e-) e protoni (H+), mentre la luce fornisce l'energia necessaria per far avvenire il processo, secondo la reazione:

2H⁺ + 2e^- + luce → H₂

In questo modo, l'energia della luce viene raccolta nella forma dell'idrogeno gassoso. Sebbene questo sia reputato il metodo più pulito ed efficiente (unicamente dal punto di visto dell'efficienza di conversione dell'energia in idrogeno), lo studio e la comprensione di tutti i processi specificamente coinvolti nella biofotolisi sono ancora a livello di ricerca di base. Ad esempio, non è chiaro quale sia il vero ruolo della respirazione mitocondriale, dell'idrogenasi (l'enzima responsabile della produzione di idrogeno), della clororespirazione e quello dei carboidrati accumulati dalla microalga. Proprio sul ruolo di questi ultimi si è concentrato lo sforzo del mondo scientifico negli ultimi anni (a partire dal 2000, anno di pubblicazione di un importante articolo del ricercatore greco Anastasios Melis, dell'università della California, Berkeley che ha ridato vita a questo tipo di ricerca) tanto da ipotizzare addirittura non una biofotolisi ma, come per i batteri rossi, una vera e propria fermentazione. La questione è ancora aperta. Un altro problema piuttosto importante per la futuribilità di questo processo sono i tassi di produzione di idrogeno, finora molto bassi soprattutto se comparati con i batteri rossi: questo renderebbe l'applicabilità su larga scala economicamente sfavorevole (l'utilizzo di un fotobioreattore- reattore all'interno del quale avvengono processi che utilizzano la luce- è un altro punto chiave nell'economia del processo).

I batteri rossi non sulfurei sono capaci di produrre idrogeno a partire da materiale organico in un processo fermentativo. La fermentazione biologica è uno stadio iniziale della digestione anaerobica (ovvero che avviene in assenza di ossigeno) e può avvenire in presenza di luce (fotofermentazione) o in sua assenza (fermentazione al buio). A differenza della biofotolisi, la fonte di elettroni e protoni in questo caso è la materia organica. Questo porta inevitabilmente al rilascio di CO₂ nel processo produttivo. Ad ogni modo, questa CO₂ non aumenta il bilancio termico della terra in quanto non proveniente da sostanze fossili, ma rinnovabili. Entrambi questi processi (fermentazione al buio e alla luce) sono stati molto studiati negli ultimi 30 anni.

La fotofermentazione porta alla produzione di idrogeno utilizzando sia il substrato organico che la luce. Come detto, il substrato organico è la fonte di protoni ed elettroni, mentre la luce viene utilizzata sostanzialmente per attivare l'enzima responsabile della produzione di idrogeno, una nitrogenasi. Questo enzima ha una energia di attivazione abbastanza alta; come conseguenza, l'efficienza di conversione energetica (luce+sostanza organica/idrogeno) non è molto alta. Ad ogni modo, i tassi di produzione con batteri rossi sono molto alti, il che rende economicamente fattibile la costruzione di impianti industriali (anche in questo caso l'utilizzo di fotobioreattori è obbligato). La scarsa efficienza dei processi fermentativi alla luce ed il costo dei fotobioreattori ha portato ad un maggiore interesse nei processi fermentativi al buio. Sebbene tecnicamente molto più semplice da realizzare, questo processo è capace di utilizzare solo una minima parte dell'energia presente nella materia organica (questo limite è stato ben spiegato da Thauer nel 1977), lasciando composti organici ancora utilizzabili all'interno della coltura. Ad ogni modo, l'utilizzo della materia organica può essere associata allo smaltimento di un certo tipo di rifiuti. Questa possibilità ha finito per nobilitare il processo fermentativo anche se energeticamente sfavorevole dal punto di vista dell'efficienza di conversione. A differenza delle microalghe e dei cianobatteri, infatti, la produzione di idrogeno con i batteri rossi è già da oggi una biotecnologia che, opportunamente applicata, può dare risultati effettivi. Una delle soluzioni ipotizzate è l'accoppiamento dei due processi fermentativi al fine di scomporre tutti i composti organici nel mezzo di coltura. Questa soluzione prevederebbe una prima fermentazione al buio (utilizzando eventualmente rifiuti organici, con relativo basso costo della materia prima). Alla fine del processo al buio, la coltura batterica verrebbe separata dal mezzo colturale il quale verrebbe riutilizzato nella fotofermentazione per la definitiva scomposizione del materiale organico. In quest'ottica, anche la produzione di biomassa fermentabile quali colture di microrganismi come microalghe è stata suggerita. Gli attuali punti deboli di questa soluzione risiedono nel costo del fotobioreattore, nell'effettiva applicabilità ad ogni tipo di rifiuto organico, nel costo della materia prima, nella presenza di molecole contenenti zolfo o azoto nel biogas prodotto dalla coltura (specialmente utilizzando il rifiuto organico urbano) e nella sfiducia delle aziende coinvolte nello smaltimento dei rifiuti nell'utilizzo e nello sviluppo di una nuova biotecnologia.

Il 3 novembre 2006, la rivista Science ha pubblicato lo studio di un gruppo di ricerca internazionale guidato dal Lawrence Livermore Lab di Berkeley. Gli scienziati hanno messo a punto una tecnica di spettrografia ai raggi X e cristallografia per fotografare la fotolisi dell'acqua, premessa per lo sviluppo di tecnologie che usano la luce solare per la divisione dell'acqua e la produzione di idrogeno (da fonti rinnovabili). La tecnica ha permesso di osservare i passaggi della reazione di ossidazione dell'acqua, legami atomici e molecolari, gli scambi tra catalizzatore e proteina. Il catalizzatore scoperto è stato chiamato "Photosyntesis 2" ed è una molecola di 4 atomi di manganese e uno di calcio.

[modifica] Produzione chimica

Un sistema amatoriale per produrre una mediocre quantità di idrogeno utilizzando dei prodotti di facile recupero è quello che sfrutta la reazione della soda caustica NaOH sciolta nell'acqua con l'alluminio. Maggiore è la superficie del metallo esposta alla soluzione, maggiore sarà la velocità del processo; nel caso l'alluminio sia polverizzato, la reazione assumerà un carattere violento e quasi esplosivo. Il processo si svolge secondo la seguente equazione chimica:

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

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 un elemento igroscopico come il cloruro di calcio, o per mezzo della semplice condensazione. Oltre all'idrogeno, viene prodotto anche un secondo composto, l'alluminato di sodio.
In pratica, circa 80 g di NaOH si combineranno con 54 g di alluminio per dar luogo a 67,2 l in condizioni normali.

Un'altra reazione impiegabile è la seguente:

NaBH₄ + 2H₂O → NaBO₂ + 4 H₂

Il boroidruro di sodio NaBH₄ è un idruro irreversibile, che reagisce lentamente con l'acqua per liberare 4 moli di idrogeno per mole di composto a temperatura ambiente. In condizioni appropriate vengono liberati 0,213 g di idrogeno per 1 g di NaBH₄, ovvero 2,37 litri (gas STP) per mole di composto. A temperature ordinarie, una volta messi a contatto NaBH₄ e acqua, viene liberato dalla reazione solo un piccolo quantitativo dell'ammontare teorico d'idrogeno ricavabile dalla reazione. La diminuzione nella velocità iniziale di evoluzione dell'idrogeno è dovuta alla crescita del pH della soluzione che è causata dalla formazione degli anioni basici metaborato. A 298 K la variazione di entalpia (condizioni standard) della reazione d'idrolisi è pari a -217 kJ quindi la reazione è esotermica. Quando si utilizza il NaBH₄ per produrre idrogeno è auspicabile che la reazione sia sufficientemente veloce da soddisfare i bisogni del sistema nel quale il gas viene impiegato. L'idrolisi viene quindi accelerata impiegando dei catalizzatori.

[modifica] 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.

[modifica] 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.

[modifica] 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.

[modifica] Precauzioni

Simboli di rischio chimico

frasi R: R 12
frasi S: S 2-9-16-33

Le sostanze chimiche vanno manipolate con cautela
Avvertenze

L'idrogeno è un gas altamente infiammabile e forma con l'aria miscele esplosive (campo d'infiammabilità in aria a pressione atmosferica 4% - 74,5%). Reagisce inoltre violentemente con il cloro e il fluoro. Basta liberare una fuga di idrogeno a contatto con Ossigeno per innescare una violenta esplosione oppure una fiamma invisibile che produce acqua in gas.

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

[modifica] Citazioni letterarie

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

[modifica] Voci correlate

[modifica] Altri progetti

Wikimedia Commons contiene file multimediali su Idrogeno

La tavola periodica degli elementi

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