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Idrogeno

Proprietà e composti dell'idrogeno

Il gas idrogeno è un elemento chimico a sé stante nella tavola periodica, dove trova posto in testa al gruppo IA, prima dei metalli alcalini ai quali assomiglia per la configurazione elettronica dello strato più esterno, con un solo elettrone sull'orbitale s; avendo un elettrone in meno del gas nobile elio, che lo segue, potrebbe essere collocato  anche  nel  gruppo  degli  alogeni (VIIA).

Tra gli elementi chimici è il più leggero ma nell'universo è anche il più abbondante costituendo circa il 55% della materia cosmica e il 77% della materia stellare.

E' più scarso nella crosta terrestre nella quale costituisce lo 0,9% in peso: circa i 5/6 si trovano combinati in forma di acqua, il rimanente è presente, legato al carbonio, negli idrocarburi; l'aria non contiene praticamente idrogeno libero, a causa della densità estremamente bassa dell'idrogeno che risalendo verso l'alto abbandona l'atmosfera.

L'idrogeno fu scoperto nel 1766 dal francese Henry Cavendish* che lo denominò "aria infiammabile"; il termine idrogeno, che deriva dal greco e significa "generatore di acqua", gli fu attribuito invece da Lavoisier nel 1783.

L'idrogeno elementare è un gas incolore e inodore a molecola biatomica (H2), costituito da una miscela di tre isotopi: l'idrogeno o prozio (1H) (99,98% della miscela), il cui atomo è formato da un protone e da un elettrone, il deuterio 2H (indicato anche col simbolo D e detto idrogeno pesante) e il trizio 3H, che hanno nel nucleo oltre al protone, rispettivamente uno e due neutroni.

La quantità di deuterio è di 1:5900 rispetto all'idrogeno, mentre il trizio è presente solo in minime tracce.

La molecola dell'idrogeno può esistere in due forme, dette orto-idrogeno e para-idrogeno, caratterizzate dagli spin nucleari dei due atomi, paralleli nel primo caso, antiparalleli nel secondo (le due forme presentano lievi differenze nelle proprietà fisiche).

Si tratta di una molecola molto stabile: il suo calore di dissociazione è di 104 kcal/mole; si può raggiungere una dissociazione quasi completa soltanto verso i 5000 °C, ma idrogeno atomico si può ottenere anche sottoponendo a bassa pressione idrogeno allo stato molecolare all'arco voltaico o alle radiazioni ultraviolette.

L'idrogeno atomico, detto anche idrogeno attivo, manifesta  un  forte potere  riducente  nei confronti di moltissimi composti chimici quali ossidi, alogenuri, solfuri, metalli alcalini, derivati etilenici.

L'idrogeno elementare, in assenza di catalizzatori (palladio, platino, nichel), è scarsamente reattivo: si combina praticamente solo con gli elementi più elettronegativi come fluoro, cloro, ossigeno (con cui brucia con fiamma azzurrognola dando acqua) e con i più elettropositivi come litio e calcio.

A caldo riduce quasi tutti gli ossidi dei metalli, alcuni alogenuri e alcuni solfuri.

Perdendo il suo elettrone, l'idrogeno forma lo ione H+ (idrogenione o protone) che si forma per esempio nella dissociazione degli acidi in soluzione acquosa: in tal caso lo ione H+ si lega alle molecole di acqua dando lo ione idronio H3O+; per acquisto di un elettrone forma lo ione idruro H-, stabile solo negli idruri alcalini che sono veri e propri composti salini. Per la sua configurazione elettronica, caratterizzata dalla presenza nel primo orbitale di un singolo elettrone, l'idrogeno ha una forte tendenza ad acquistare un secondo elettrone (per completare l'orbitale) formando composti a legami covalenti. Ne sono esempi l'acqua (H2O), l'ammoniaca (NH3), il metano (CH4).

Alla temperatura di 0°C e alla pressione di 1 atm la densità dell'idrogeno vale 0,0899 kg/m3.

La configurazione elettronica dell'idrogeno è la seguente 1s1.

Composti dell'idrogeno

L'idrogeno è il costituente di un gran numero di composti che comprendono la maggior parte delle sostanze organiche, gli idrocarburi, gli acidi e le basi, l'acqua, l'ammoniaca e gli idruri. Con quasi tutti gli elementi l'idrogeno forma composti binari (idruri), le cui proprietà variano fortemente da elemento a elemento. Nei composti con gli elementi non­metallici più elettronegativi (quali per esempio F, O, CI, N) l'idrogeno presenta il numero di ossidazione +1 e il legame formato è di tipo covalente fortemente polare; ciò determina in molti casi il manifestarsi di notevoli interazioni tra le molecole, indicate con il termine di "legame a idrogeno".

Date le sue ridottissime dimensioni, lo ione idrogeno H+ detto protone, non esiste mai libero. Esistono composti ionici dell'idrogeno, nei quali però questo è presente come anione H- (e possiede quindi numero di ossidazione -1): sono questi gli idruri degli elementi più elettropositivi, cioè dei metalli alcalini e di alcuni metalli alcalino-terrosi. Con il termine idruro, che a rigore dovrebbe indicare tutti i composti binari dell'idrogeno, e quindi per esempio anche gli idrocarburi e gli acidi alogenidrici, si indicano comunemente i composti che l'idrogeno forma con i metalli, i semimetalli e con alcuni elementi tra i meno elettronegativi dei non-metalli.

Utilizzo dell'idrogeno

Per quanto riguarda l'utilizzo dell'idrogeno, la maggior parte dell'idrogeno prodotto è destinato alla sintesi dell' ammoniaca e ai processi di idrogenazione catalitica (che comprendono tra gli altri l'indurimento degli oli e grassi, la sintesi del metanolo, il cracking idrogenato del petrolio).

Le sue qualità di energico riducente trovano un'importante applicazione metallurgica nella preparazione del tungsteno e del molibdeno per riduzione degli ossidi e nella preparazione degli idruri metallici.

Metodo di produzione dell'idrogeno

Per la produzione dell'idrogeno, in laboratorio può essere facilmente preparato facendo reagire con un acido forte un metallo: trattando per esempio zinco con acido solforico si ha la seguente reazione:

Zn + H2SO4 → Zn2+ + SO42- + H2

Si può anche ottenerlo trattando l'acqua con metalli alcalini, come il sodio; in tal caso la reazione è fortemente esotermica ed è perciò esplosiva:

2Na + 2H2O → 2 Na+ + 2 OH- + H2

Per via industriale l'idrogeno può essere ottenuto in tre modi diversi:

Produzione da gas d'acqua: consiste nel far reagire ad alta temperatura (900-1000 °C) vapor acqueo con carbone secondo la reazione endotermica:

C + H2O → CO + H2

La miscela di reazione, costituita da parti quasi uguali di ossido di carbonio e idrogeno, viene fatta reagire con altro vapor acqueo in eccesso (a temperatura di 400-500 °C) in presenza di un catalizzatore di ossido di ferro, attivato con ossidi di alluminio e di cromo, secondo la reazione esotermica (verso destra)

H2O + CO <==> CO2 + H2

II biossido di carbonio che si forma viene allontanato dal gas di reazione per assorbimento in acqua sotto pressione o in alcali: così si può ottenere idrogeno al 99% di purezza.

Produzione da idrocarburi: è il metodo di gran lunga più diffuso e consente di utilizzare metano (processo Fauser), idrocarburi leggeri, frazioni pesanti, gas di raffineria. La reazione può essere condotta con solo ossigeno, secondo il processo di combustione parziale:

CnH2n+2 + (n/2) H2O → n CO + (n+1) H2

oppure con vapor acqueo, con un processo fortemente endotermico, secondo la reazione:

CnH2n+2 + n H2O → n CO + (2n+1) H2

In pratica le due reazioni vengono realizzate contemporaneamente partendo da miscele idrocarburo-vapore-ossigeno, in modo da avere un processo che, una volta a regime, sia quasi atermico e cioè non richieda né somministrazione di calore né raffreddamento. I catalizzatori sono costituiti in genere da miscele di ossido di ferro con ossido di cromo, mantenuti a temperature comprese tra 350 e 550 °C. Il processo può però anche essere condotto a temperature più elevate, senza catalizzatore. La purezza dell'idrogeno prodotto con questo metodo è altissima (99,5% e oltre). In pratica da una tonnellata di olio combustibile con 600 m3 di ossigeno si ottengono 3000 m3 di idrogeno.

Produzione per elettrolisi dell'acqua: l 'elettrolisi dell'acqua, resa sufficientemente conduttrice per dissoluzione in essa di idrato potassico o di altri elettroliti, dà luogo a idrogeno, che si separa al catodo, e a ossigeno, che si separa all'anodo. Al fine di ridurre i fenomeni di sovra­tensione si impiegano catodi di ferro e anodi pure in ferro o in ferro nichelato. La tensione necessaria da applicare risulta in pratica di 2-2,3 V per ogni elemento della cella. L'energia elettrica necessaria, che sarebbe teoricamente di 3 kWh ca per m3 di idrogeno, sale a 4-5 kWh/m3. Il metodo perciò non può competere economicamente con i precedenti nonostante l'elevata purezza del prodotto, se non nel caso di piccole produzioni per le quali la depurazione risulterebbe troppo costosa.

* fisico francese noto per l'esperimento che porta il suo nome (esperimento di Cavendish).

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