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Idrogeno

L'Idrogeno è l'elemento chimico della tavola periodica degli elementi, che ha come simbolo H e come numero atomico 1. 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 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 sorgente di energia nelle celle a combustibile).

Caratteristiche

L'idrogeno è l'elemento chimico più leggero. Il suo isotopo più comune 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 protio più semplice elemento chimico, è stato studiato dalla meccanica quantistica in maniera approfondita, vedi ad esmpio 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:

• idrodealcalizzazione, idrodesolforizzazione, 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 tritio 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 tritio 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 celle a combustibile vengono viste come un modo per fornire energia non inquinante e a basso costo.

Storia

La parola idrogeno deriva dalle parole greche hydro (acqua) e genes (generare). Venne individuato come sostanza distinta nel 1776 da Henry Cavendish. Antoine Lavoisier gli diede il 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). 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.

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, generando 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 per lo stato di spin nucleare. Queste due forme sono conosciute cone orto- e paraidrogeno. In condizioni standard, il rapporto tra orto- e paraidrogeno è di 3 a 1. 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.

Isotopi

Il più comune isotopo dell'idrogeno (protio) 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 protio (H-1) e il deuterio (H-2, D).

L'idrogeno è l'unico elemento i cui isotopi hanno nomi differenti.

Precauzioni

L'idrogeno è un gas altamente infiammabile. Inoltre reagisce violentemente con il cloro e il fluoro. L'acqua pesante D₂O è tossica per molte specie. La quantità necessaria a uccidere un'uomo comunque è notevole.