Le informazioni qui riportate hanno solo un fine illustrativo. Wikipedia non dà garanzia di validità dei contenuti: leggi le avvertenze. Idrogeno   1 H                                                                                                                                                                                                                                                                                   ← idrogeno → elio Aspetto Linea spettrale Generalità Nome, simbolo, numero atomico idrogeno, H, 1 Serie non metalli Gruppo, periodo, blocco 1 (IA), 1, s Densità, durezza 0,0899 kg/m³, Configurazione elettronica Proprietà atomiche Peso atomico 1,00794 amu Raggio atomico (calc.) 53 pm Raggio covalente 37 pm Raggio di van der Waals 120 pm Configurazione elettronica 1s1 e− per livello energetico 1 Stati di ossidazione 1 (anfotero) Struttura cristallina esagonale Proprietà fisiche Stato della materia gassoso Punto di fusione 14,025 K, (−259,13 °C) Punto di ebollizione 20,268 K, (−252,88 °C) Punto critico −241,14 °C a 1293 MPa Volume molare 11,42 · 10−3  m³/mol Entalpia di vaporizzazione 0,44936 kJ/mol Calore di fusione 0,05868 kJ/mol Tensione di vapore 209 Pa a 23 K Velocità del suono 1270 m/s a 298,15 K Altre proprietà Numero CAS 1333-74-0 Elettronegatività 2,2 (Scala di Pauling) Calore specifico 14304 J/(kg K) Conducibilità termica 0,1815 W/(m K) Energia di prima ionizzazione 1312,06 kJ/mol Isotopi più stabili Per approfondire vedi la voce Isotopi dell'idrogeno. iso NA TD DM DE DP 1H (Prozio[1]) 99,985% È stabile con 0 neutroni 2H (Deuterio) 0,015% È stabile con 1 neutrone 3H (Trizio) sintetico 12,33 anni β− 0,019 3He 4H sintetico (1,39 ± 0,10)10−22 s n 2,910 3H 4h--he+raggi gamma 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 ὕδωρ "hydor", acqua; la radice γεν/γον significa generare[2], quindi generatore d'acqua) 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 (298 K) è un gas incolore, inodore, altamente infiammabile.[3] L'idrogeno è l'elemento più leggero e più abbondante di tutto l'universo osservabile. 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 di cui rappresenta il combustibile delle reazioni termonucleari, mentre sulla Terra è scarsamente presente allo stato libero e molecolare e deve quindi essere prodotto per i suoi vari usi. In particolare questo elemento è usato nella produzione di ammoniaca, nell'idrogenazione degli oli vegetali, in aeronautica (in passato nei dirigibili), come combustibile alternativo e, di recente, come riserva di energia nelle pile a combustibile.[4] Inoltre è occluso in alcune rocce, come il granito. Indice 1 Cenni storici 1.1 Primi utilizzi 2 Caratteristiche 2.1 Isotopi 2.2 Diidrogeno 2.3 Ortoidrogeno e paraidrogeno 2.4 Combustione 3 Disponibilità 4 Produzione 4.1 Produzione industriale 4.1.1 Reforming del gas naturale 4.1.2 Gassificazione del carbone 4.1.3 Elettrolisi dell'acqua 4.1.4 Altri metodi di produzione industriale 4.2 Produzione in laboratorio 4.3 Sintesi biologica 5 Applicazioni 5.1 Impiego come reagente 5.2 Composti dell'idrogeno 5.3 L'idrogeno come vettore energetico 5.4 Altri impieghi 5.5 Precauzioni 6 Citazioni letterarie 7 Note 8 Bibliografia 9 Voci correlate 10 Altri progetti 11 Collegamenti esterni modifica Cenni storici L'idrogeno biatomico gassoso (H2) fu descritto formalmente per la prima volta da T. Von Hohenheim (conosciuto con il nome di Paracelso, 1493 - 1541), che lo ottenne artificialmente mescolando metalli con acidi forti. Paracelso non si rese conto che il gas infiammabile ottenuto in queste reazioni chimiche era un nuovo elemento chimico. Nel 1671, Robert Boyle riscoprì e descrisse la reazione che avveniva quando si mescolavano limatura di ferro ed acidi diluiti, e che generava idrogeno gassoso. Apparato ideato da Cavendish per la produzione di idrogeno in laboratorio (Philosophical Transactions, 1766). Nel 1766, Henry Cavendish fu il primo a riconoscere l'idrogeno gassoso come una sostanza discreta, identificando il gas prodotto nella reazione metallo-acido come "aria infiammabile" e scoprendo che la combustione del gas generava acqua. Cavendish ebbe a che fare con l'idrogeno durante i suoi esperimenti con gli acidi ed il mercurio. Giunse erroneamente alla conclusione che l'idrogeno era un componente liberato dal mercurio e non dall'acido, ma fu capace di descrivere con precisione molte proprietà fondamentali dell'idrogeno. Tradizionalmente, si considera Cavendish come lo scopritore di questo elemento. Nel 1783, Antoine Lavoisier assegnò all'elemento il nome di idrogeno (in francese Hydrogène, in greco ὕδωρ, ὕδᾰτος, "acqua" e γένος-ου, "generatore") quando provò (insieme a Laplace) la scoperta di Cavendish che la combustione del gas generava acqua. modifica Primi utilizzi Questa voce o sezione sull'argomento tecnologia è ritenuta da controllare. Motivo: Alla voce Hindenburg si attribuisce la causa dell'incendio al materiale di rivestimento. Partecipa alla discussione e/o correggi la voce. L'idrogeno è altamente infiammabile all'aria. Il disastro dell'Hindenburg, il 6 maggio del 1937, fu dovuto a questa sua caratteristica. Uno dei primi usi che si fece dell'idrogeno gassoso fu come gas di riempimento per aerostato e, successivamente, per altri tipi di aeronavi. L'idrogeno gassoso si otteneva per la reazione dell'acido solforico con il ferro metallico. La famosa tragedia del dirigibile Hindenburg non era dovuta all'idrogeno, bensì all'accensione della pittura esterna del dirigibile causata dal campo elettrico di un temporale, nel 1937, durante le operazioni di atterraggio provocando la morte di 35 persone. Per via della sbagliata considerazione sulla sua pericolosità fu sostituito, nell'impiego in palloni aerostatici e dirigibili, dell'elio gassoso, gas quasi altrettanto leggero, ma inerte. 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 (idrogeno metallico). Al contrario, in condizioni di pressione estremamente bassa, le molecole H2 possono subire dissociazione e se sottoposte a radiazione di opportuna frequenza, 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. Enormi quantità di energia vengono rilasciate sotto forma di radiazioni elettromagnetiche nel momento in cui avviene la combinazione di due nuclei di idrogeno (deuterio oppure prozio e trizio) 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. Le caratteristiche di solubilità e adsorbimento dell'idrogeno con vari metalli sono molto importanti nella metallurgia (alcuni metalli possono essere indeboliti dall'idrogeno) e nello sviluppo di forme sicure di immagazzinamento per un utilizzo come combustibile. L'idrogeno è altamente solubile in molti composti formati da lantanoidi e metalli del blocco d[5], e può sciogliersi nei metalli cristallini ed in quelli amorfi[6]. La solubilità dell'idrogeno nei metalli è influenzata dalle distorsioni locali e dalle impurezze del reticolo cristallino del metallo.[7]. modifica Isotopi Per approfondire, vedi la voce Isotopi dell'idrogeno. 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. Gli isotopi dell'idrogeno più diffusi; da sinistra a destra: prozio, deuterio e trizio. modifica Diidrogeno Idrogeno Nome IUPAC Idrogeno Nomi alternativi o-Idrogeno p-Idrogeno Idrogeno molecolare H2 UN 1049 UN 1966 Formula bruta o molecolare H2 Massa molecolare (u) 2,01588 Aspetto gas incolore Numero CAS 1333-74-0 Numero EINECS 215-605-7 Solubilità in acqua 1,96 mg/L Punto critico -239.96 °C / 1315 kPa abs Tensione di vapore (Pa) a K 0,07 C0p,m(J·K−1mol−1) 14.266 Indicazioni di sicurezza Limiti di esplosione 4%-76% Temperatura di autoignizione (K) 773,15-844,15 (500-571 °C) Simboli di rischio chimico frasi R 12 frasi S 2-9-16-33[8] Il diidrogeno[9] ha formula H2. La sua molecola è quindi costituita da due atomi di idrogeno. In condizioni normali si presenta come un gas infiammabile, incolore ed inodore. Nell'uso comune viene chiamato anch'esso semplicemente idrogeno o idrogeno gassoso quando è necessario distinguerlo dall'elemento chimico omonimo. Si ottiene in laboratorio mediante reazione di acidi con metalli come lo zinco e, industrialmente, mediante l'elettrolisi dell'acqua. L'idrogeno è impiegato per la produzione dell'ammoniaca, come combustibile alternativo e, di recente, come fonte di energia per le pile a combustibile. modifica Ortoidrogeno e paraidrogeno Rappresentazione dell'ortoidrogeno (a sinistra) e del paraidrogeno (a destra). 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 Combustione L'idrogeno gassoso è altamente infiammabile e brucia in aria a concentrazioni dal 4 al 75% (parti di idrogeno su 100 parti d'aria) e in atmosfera di cloro dal 5 al 95%. Le miscele di idrogeno detonano molto facilmente a seguito di semplici scintille o, se in alta concentrazione di reagenti, anche solo per mezzo della luce solare in quanto il gas reagisce violentemente e spontaneamente con qualsiasi sostanza ossidante. La temperatura di autoignizione dell'idrogeno in aria (21% di O2) è di 500 °C circa. L'entalpia della combustione dell'idrogeno è –286 kJ/mol, e la reazione di combustione in aria è la seguente: 2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l) + 572 kJ/mol Quando si mescola con l'ossigeno in un ampio intervallo di proporzioni, l'idrogeno esplode. All'aria l'idrogeno arde violentemente. Le fiamme di ossigeno ed idrogeno puro sono invisibili all'occhio umano (come si può notare dall'immagine). Per questo motivo, è difficile identificare visivamente se una fuga di idrogeno sta bruciando. Le fiamme visibili nella fotografia dell'incidente al dirigibile Hindenburg sono dovute alla combustione dell'idrogeno insieme ai materiali di rivestimento dell'aeronave, che contenevano carbonio e polveri piroforiche di alluminio, così come altri materiali infiammabili[10]. Indipendentemente dalle cause di questo incendio, è chiaro che si produsse l'innesco dell'idrogeno, dal momento che in assenza di questo gas il rivestimento di copertura del dirigibile avrebbe impiegato delle ore a bruciare[11]. Altra caratteristica dei fuochi alimentati dall'idrogeno è che le fiamme tendono a salire rapidamente con il gas attraverso l'aria (come si può vedere nella fotografia dell'incidente all'Hindeburg), causando danni minori dei fuochi alimentati da idrocarburi. Infatti i due terzi dei passeggeri del dirigibile sopravvissero all'incendio, e molti morirono per la caduta dall'alto o per l'incendio della benzina[12]. L'H2 reagisce direttamente con altri elementi ossidanti. Può produrre una reazione spontanea e violenta a temperatura ambiente in presenza di cloro o fluoro, con la formazione dei corrispondenti alogenuri di idrogeno: cloruro di idrogeno e fluoruro di idrogeno. modifica Disponibilità La regione R136 nella NGC 2070. Le dispersioni di colore rosso sono le molecole di idrogeno. 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. Giove e saturno hanno circa l'80 % dell'idrogeno, il sole il 90 %. Sulla Terra invece solo l'1 % dei gas è idrogeno. 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), 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. Secondo l'amministrazione Obama, l'idrogeno dovrebbe essere impiegato come combustibile delle macchine future. Ma si è dovuto riscontrare il problema sul trasporto dell'idrogeno. modifica Produzione Per approfondire, vedi la voce Produzione di idrogeno. L'H2 si ottiene in laboratori di chimica e di biologia, spesso come sottoprodotto di altre reazioni; nell'industria si ottiene per deidrogenazione di substrati saturi; in natura è utilizzato come mezzo per espellere equivalenti riduttivi nelle reazioni biochimiche. 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. L'idrogeno può essere ottenuto con molti metodi, però i più economici sono rappresentati dall'estrazione a partire dagli idrocarburi. Spesso, l'idrogeno è prodotto e consumato nello stesso processo di fabbricazione, senza bisogno di essere separato. Nel processo Haber-Bosch per la sintesi dell'ammoniaca (il quinto composto maggiormente prodotto al mondo), l'idrogeno si ottiene a partire dal gas naturale. modifica Reforming del gas naturale Schema del processo di produzione di idrogeno per reforming del gas naturale. L'idrogeno commerciale si produce generalmente mediante il processo di reforming del gas naturale[13]. Questo processo consiste nella reazione tra il metano ed il vapore acqueo per produrre monossido di carbonio e idrogeno, ad una temperatura dai 700 °C ai 1100 °C. CH4 + H2O → CO + 3 H2 La reazione è favorita a basse pressioni, tuttavia si fa avvenire a pressioni elevate (20 atm) visto che l'H2 così ottenuto è il prodotto più commercializzabile. Il mix di prodotto è noto come gas di sintesi perché è spesso utilizzato direttamente per la produzione di metanolo ed altri composti correlati. A parte il metano, possono essere utilizzati altri idrocarburi per ottenere il Syngas con diverse proporzioni dei componenti prodotti. Una delle complicazioni che si incontrano con questa tecnologia altamente ottimizzata è la formazione di coke o carbonio: CH4 → C + 2 H2 Per evitarlo, il vapore si riforma in genere utilizzando un eccesso di H2O. Il questo processo può essere ottenuto ulteriormente idrogeno a partire dal monossido di carbonio, mediante una reazione di spiazzamento dell'acqua gassosa, specialmente con un catalizzatore in ossido di ferro. Questa reazione è impiegata industrialmente come fonte di biossido di carbonio[13]: CO + H2O → CO2 + H2 modifica Gassificazione del carbone Impianto per la produzione di idrogeno dalla gassificazione del carbone. Un'altra via industriale per produrre idrogeno è la gassificazione del carbone, che prevede il trattamento del carbone con vapore acqueo (processo del gas d'acqua):[4] C + H2O → CO + H2 Tale reazione può servire come preludio della reazione di spiazzamento durante il reforming del gas naturale.[13] 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 400-500 °C su catalizzatore[4] a base di ossidi di ferro e di cromo: CO + H2O → CO2 + H2 La miscela gassosa ottenuta viene quindi purificata per distillazione frazionata. modifica Elettrolisi dell'acqua Per approfondire, vedi la voce Elettrolisi dell'acqua. Schema di funzionamento del voltametro di Hofmann, impiegato per realizzare l'elettrolisi dell'acqua. L'elettrolisi dell'acqua è un metodo semplice per produrre idrogeno, anche se la quantità di gas ottenuta con questo processo ha richiesto più energia di quanta possa fornirne. Una corrente a basso voltaggio che attraversa l'acqua, forma ossigeno gassoso all'anodo ed idrogeno gassoso al catodo. Generalmente quando si produce idrogeno si impiega un catodo di platino o di un altro metallo inerte. Al contrario, se l'idrogeno si consuma in situ, è necessaria la presenza di ossigeno perché si produca la combustione ed entrambi gli elettrodi (anodo e catodo) dovranno essere di un metalli inerte (l'impiego di un metallo non inerte, per esempio il ferro, produrrà l'ossidazione del metallo stesso e diminuirà la quantità di ossigeno che si sviluppa). La massima efficienza teorica (elettricità impiegata contro il valore energetico dell'idrogeno prodotto) è tra l'80% ed il 94%[14]. 2H2O(aq) → 2H2(g) + O2(g) modifica Altri metodi di produzione industriale Altri metodi importanti per la produzione di H2 includono l'ossidazione parziale degli idrocarburi: CH4 + 0,5 O2 → CO + 2 H2 L'idrogeno è anche ottenuto in quantità significative come sottoprodotto della maggior parte dei processi petrolchimici di cracking. L'elettrolisi della salamoia per ottenere cloro genera anche idrogeno come sottoprodotto. modifica Produzione in laboratorio In laboratorio, l'H2 si ottiene solitamente con la reazione degli acidi con metalli, come lo zinco. Zn + 2 H+ → Zn2+ + H2 Nel caso dell'alluminio, si genera H2 quando il metallo è trattato con un acido oppure con una base: 2 Al + 6 H2O → 2 Al(OH)3 + 3 H2 Ad esempio si può fare reagire l'alluminio con soda caustica (NaOH) sciolta in acqua. Maggiore è l'area del metallo esposta alla soluzione, maggiore sarà la velocità di reazione; 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. Nel 2007 si è scoperto che lega di alluminio e gallio in forma di pastiglia aggiunta all'acqua può essere utilizzata per ottenere idrogeno[15]. Il processo produce anche ossido di alluminio però il gallio (che ha un prezzo elevato) previene la formazione di uno strato di ossido sulla superficie della pastiglia, che può quindi essere riutilizzata. Questa scoperta ha importanti implicazioni nell'economia dell'idrogeno, visto che quest'ultimo può essere sintetizzato facilmente in situ, senza dover essere trasportato. modifica Sintesi biologica Per approfondire, vedi la voce Produzione biologica di idrogeno. Produzione di idrogeno dalle alghe. Una via alternativa è la produzione biologica di idrogeno (detto in questo caso "bioidrogeno") che sfrutta processi legati a microrganismi come batteri rossi, cianobatteri e microalghe. Questi microrganismi sono capaci, nelle opportune condizioni, di sfruttare una via metabolica anaerobica che porta alla produzione di idrogeno a partire da fonti diverse, grazie all'azione catalizzatrice di enzimi che contengono ferro o nichel, chiamati idrogenasi. Questi enzimi catalizzano la reazione redox reversibile del H2 che viene scisso nei suoi due protoni e due elettroni. La conversione dell'idrogeno gassoso avviene con il trasferimento degli equivalenti ridotti (prodotti durante il metabolismo dell'acido piruvico) all'ossigeno, con la conseguente formazione dell'acqua[16]. La dissociazione dell'acqua, dalla quale si ottengono due protoni, due elettroni ed ossigeno, avviene durante le reazioni della fase luminosa del metabolismo degli organismi fotosintetici. Alcuni di questi organismi -includendo l'alga Chlamydomonas reinhardtii ed i cianobatteri- hanno evoluto e sviluppato un secondo passaggio nelle reazioni della fase oscura nel quale i protoni sono ridotti per formare H2 gassoso dall'azione di idrogenasi specializzate nei cloroplasti[17]. 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 Microfotografia che mostra i cloroplasti in un tessuto vegetale. Le idrogenasi presenti in questi organuli sono capaci di generare H2 gassoso. 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). Sono stati compiuti molti sforzi nella ricerca scientifica al fine di modificare geneticamente le idrogenasi batteriche per sintetizzare H2 gassoso in maniera efficiente anche in presenza di ossigeno[18]. 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. Inoltre alcune fosfatasi riducono fosfiti ad H2. modifica Applicazioni modifica Impiego come reagente Nell'industria chimica e petrolchimica si richiedono grandi quantità di H2. L'applicazione principale dell'H2 avviene nel processo di raffinazione dei combustibili fossili e nella sintesi dell'ammoniaca (processo Haber-Bosch). I processi fondamentali che consumano H2 in un impianto petrolchimico sono l'idrodealchilazione, l'idrodesolfurizzazione e l'idrocraking[19]. L'H2 è utilizzato anche come agente idrogenante, particolarmente per aumentare il grado di saturazione dei grassi e degli oli insaturi (per ottenere prodotti come la margarina), e per la produzione del metanolo. Altri processi chimici nei quali viene utilizzato l'idrogeno sono elencati qui sotto. Nella sintesi dell'acido cloridrico. Idrodealchilazione, idrodesolforazione, idroraffinazione. modifica Composti dell'idrogeno Il più leggero di tutti i gas, l'idrogeno si combina con la maggior parte degli elementi. Con una elettronegatività pari a 2,1, 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 (si ha un calore di reazione pari a circa 136.800 calorie).[3] 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 L'idrogeno come vettore energetico Dall'immagine si nota la differenza tra la fiamma dell'idrogeno premescolato all'ossigeno in rapporto stechiometrico (gas di brown, quasi invisibile nei motori della navetta) e la fiamma dovuta alla combustione di perclorato d'ammonio e nanoparticelle d'alluminio (boosters laterali). Prototipo di veicolo alimentato ad idrogeno. Si parla molto dell'idrogeno come possibile fonte di energia per l'autotrazione. L'uso del H2 avrebbe il vantaggio di utilizzare le fonti fossili per ottenere direttamente il gas (a partire dal metano, per esempio). L'H2 usato poi come combustibile nei mezzi di trasporto, reagendo con l'ossigeno, produrrebbe come unico prodotto di scarto l'acqua, eliminando completamente le emissioni di CO2 ed i problemi climatico-ambientali ad esse associate. Utilizzato come combustibile presenta diversi vantaggi. Brucia all'aria quando la sua concentrazione è compresa tra il 4 ed il 75% del suo volume, mentre il gas naturale brucia a concentrazioni comprese tra il 5,4 ed il 15%. La temperatura di combustione spontanea è di 585 °C, mentre quella del gas naturale è di 540 °C. Il gas naturale esplode a concentrazioni comprese tra il 6.3 ed il 14%, mentre l'idrogeno richiede concentrazioni dal 13 al 64%. L'unico svantaggio sarebbe nella densità di energia dell'idrogeno liquido o gassoso (a pressione utilizzabile) che è significativamente inferiore rispetto ai tradizionali combustibili e quindi necessita di essere compresso a pressioni più elevate in fase di stoccaggio. Stante l'attuale sviluppo tecnologico, l'idrogeno può essere effettivamente utilizzato a fini energetici come combustibile nei motori a combustione interna utilizzati su alcuni prototipi di auto. Le pile a combustibile, attualmente in via di sviluppo, sono poi un modo alternativo per ottenere energia sotto forma di elettricità dall'ossidazione dell'idrogeno senza passare dalla combustione diretta ottenendo una maggiore efficienza in un futuro in cui la produzione di idrogeno potrebbe avvenire da fonti rinnovabili e non più combustibili fossili. Secondo i sostenitori della cosiddetta economia all'idrogeno queste due tecnologie ad idrogeno, oltre a risolvere il problema energetico, sarebbero quindi anche in grado di offrire un'alternativa pulita agli attuali motori a combustione interna alimentati da fonti fossili. Il problema vero, sollevato da più parti, è però a monte: l'idrogeno atomico e molecolare è assai scarso in natura ovvero l'elemento in sè si trova combinato assieme ad altri elementi in vari composti sulla crosta terrestre; esso dunque non è una fonte primaria di energia come lo sono gas naturale, petrolio e carbone, in quanto deve essere prodotto artificialmente spendendo energia a partire da fonti energetiche primarie. Esso sarebbe quindi impiegabile unicamente come vettore energetico cioè come mezzo per immagazzinare e trasportare l'energia disponibile ove occorra, mentre il ciclo di produzione/utilizzo sarebbe comunque inefficiente dal punto di vista termodinamico poiché la sua produzione richiederebbe in genere un'energia maggiore di quella che poi si renderebbe disponibile attraverso la sua 'combustione'. La molecola d'acqua è infatti più stabile e quindi meno energetica dell'ossigeno e dell'idrogeno separati e segue la legge secondo la quale 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 dunque come reazione inversa a costo zero, cioè senza spendere lavoro. Qualsiasi metodo di estrazione comporta quindi un costo che è pari all'energia liberata successivamente dalla combustione dell'idrogeno se a tal fine si utilizza l'esatto processo inverso, ed in realtà in tal caso anche maggiore perché non esiste alcuna macchina con rendimento pari al 100% durante il processo di estrazione. In altri termini la produzione di idrogeno attraverso il metodo più semplice, ovvero l'elettrolisi dell'acqua, e il successivo utilizzo dell'idrogeno nella reazione inversa con l'ossigeno nelle pile a combustibile non solo non porta ad alcun guadagno energetico, ma anzi, per quanto detto sopra, il guadagno netto energetico sarebbe negativo cioè ci sarebbe una perdita dovuta alle dissipazioni in calore. L'unico modo di usare in maniera efficiente l'idrogeno come fonte di energia sarebbe ottenerlo come bioidrogeno a spese di alghe e batteri. Attualmente l'idrogeno elementare ottenuto da fonti solari, biologiche o elettriche ha un costo di produzione, in termini energetici, molto più elevato di quello della sua combustione per ottenere energia. L'idrogeno può essere ottenuto con un guadagno netto di energia a partire da fonti fossili, come il metano (le reazioni di sintesi sono infatti diverse da quelle di combustione), però si tratta di fonti energetiche non rinnovabili cioè destinate comunque ad esaurirsi nel tempo ed in più con emissioni dirette di Co2 quindi non pulita. Infine i costi per la realizzazione delle infrastrutture necessarie per effettuare una completa conversione ad un'economia dell'idrogeno sarebbero sostanzialmente elevati[20]. Un altro modo in cui l'idrogeno potrebbe venire utilizzato efficacemente come fonte di energia, a prescindere da qualunque processo di produzione, è quello della fusione nucleare ovvero in un impianto termonucleare con un ipotetico reattore nucleare a fusione alimentato da deuterio o trizio, una tecnologia che attualmente è ancora in via di sviluppo nel reattore sperimentale ITER e che potenzialmente potrebbe risolvere i problemi energetici mondiali poiché in tale reazione nucleare piccole quantità di idrogeno producono enormi quantità di energia: l'energia del Sole proviene infatti dalla fusione nucleare dell'idrogeno; si tratta tuttavia di un processo tecnologicamente complicato da gestire sulla Terra e tuttora oggetto di intensa ricerca. Attualmente, ricapitolando, esistono quattro forme di utilizzazione dell'idrogeno per la produzione di energia: Combinandolo chimicamente con l'ossigeno dell'aria attraverso bruciatori convenzionali e con processi catalitici, come avviene nei motori a combustione interna ad idrogeno, permettendo anche un'ampia applicazione nell'ambito domestico. Combinandolo elettrochimicamente con l'ossigeno senza la generazione di fiamme per produrre direttamente elettricità in un reattore conosciuto con il nome di cella (o pila) a combustibile. Unendo i suoi nuclei in un reattore denominado Tokamak, durante il processo conosciuto con il nome di fusione nucleare. Combinandolo chimicamente con l'ossigeno in un mezzo acquoso in una caldaia non convenzionale per produrre vapore motrice, nel ciclo conosciuto come Chan K'iin[21]. Altri problemi rilevanti che si hanno con l'idrogeno sono il suo stoccaggio ed il trasporto. Se si mantiene in forma gassosa il contenitore deve sopportare pressioni fino a 200 atmosfere. Lo stoccaggio in forma liquida richiede invece temperature di -253 °C in depositi perfettamente isolati. Un'altra forma di stoccaggio consiste nella reazione chimica reversibile con diverse sostanze formando idruri metallici. modifica Altri impieghi Sonda meteorologica riempita con idrogeno. Nelle saldature e come agente riducente dei minerali metallici. Nella propulsione aeronautica e spaziale come combustibile per razzi e vettori spaziali (allo stato liquido). Come refrigerante nei generatori delle centrali elettriche, visto che è il gas che ha la maggiore conduttività termica. L'idrogeno liquido è usato nella ricerca criogenica, che comprende gli studi sulla superconduttività. La temperatura di equilibrio del punto triplo dell'idrogeno è un punto fisso definito nella scala delle temperature ITS-90. Lo spin della molecola di idrogeno può essere allineato omogeneamente mediante onde di radiofrequenza. Questa proprietà è la base per la risonanza magnetica nucleare, attraverso un dispositivo radiografico in grado di ottenere immagini e di raccogliere informazioni in funzione della differente velocità di recupero dello spin originale delle molecole di idrogeno (presenti nell'acqua) nei tessuti di un essere vivente. Il deuterio è usato nelle applicazioni nucleari come moderatore per rallentare i neutroni; i composti di deuterio sono usati in chimica e biologia, soprattutto nelle ricerche nel campo degli effetti isotopici. Il trizio (3H) viene prodotto nei reattori nucleari ed è impiegato nella produzione delle bombe a idrogeno, come radiomarcatore nelle scienze biologiche e in cinetica chimica, e come fonte di radiazioni nelle vernici luminescenti. 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 γs (energia di creazione di un'interfaccia), favorendo la rottura di un pezzo per fatica statica. Essendo quasi quindici volte più leggero dell'aria, venne impiegato come agente per sollevare palloni aerostatici e dirigibili. Dopo il disastro del 6 maggio 1937 del dirigibile LZ 129 Hindenburg (riempito di idrogeno), che provocò la morte di 35 passeggeri, l'opinione pubblica si convinse che il gas fosse troppo pericoloso per continuare a usarlo in questo campo. Si preferisce utilizzare elio per il riempimento dei dirigibili (anche se è più pesante dell'idrogeno e quindi fornisce una minore spinta ascensionale), in quanto, a differenza dell'idrogeno, l'elio è un gas inerte e quindi non brucia. L'idrogeno viene comunque ancora usato nei palloni aerostatici e nelle sonde meteorologiche. 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, come detto, 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 e pericolosa 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 Note ^ Detto anche protio. ^ Rolla, op. cit., p. 278 ^ a b Rolla, op. cit., p. 279 ^ a b c Rolla, op. cit., p. 282 ^ (1974). Hydrogen solubility in 1:5 compounds between yttrium or thorium and nickel or cobalt. Inorg Chem 13 (9): 2283  (in (EN)). ^ (1988). Hydrogen in amorphous and nanocrystalline metals. Mater. Sci. Eng. 26: 457-462  (in (EN)). ^ Kirchheim, R. (1988). Hydrogen solubility and diffusivity in defective and amorphous metals. Prog. Mater. Sci. 32 (4): 262-325  (in (EN)). ^ http://ecb.jrc.ec.europa.eu/esis/?LANG=fr&GENRE=CASNO&ENTREE=1333-74-0 ^ Connelly, Neil G. (2005). Nomenclature of inorganic chemistry - IUPAC recommendations. Nomenclature of Inorganic Chemistry: 49. ISBN 0-85404-438-8. ^ Brain, A., Van Vorst, WD (1999). The Hindenburg tragedy revisited: the fatal flaw exposed. International Journal of Hydrogen Energy 24 (5): 399-403. ^ John Dziadecki. (EN) Hindenburg Hydrogen Fire. 2005. URL consultato il 15 agosto 2009. ^ (EN) The Hindenburg Disaster. Swiss Hydrogen Association. URL consultato il 15 agosto 2009. ^ a b c David W. Oxtoby; Norman H. Nachtrieb; H. Pat Gillis; H. P. Gillis; Norman H. Nachtrie; Hatem H. Helal, Principles of Modern Chemistry, 5ª edizione (in (EN)), Pacific Grove, Brooks/Cole Pub Co, 2002. ISBN 978-0-03-035373-4 ^ Hydrogen. Status og muligheter. URL consultato il 02 ottobre 2009. ^ (EN) New process generates hydrogen from aluminum alloy to run engines, fuel cells. URL consultato il 02 ottobre 2009. ^ Cammack, R.; Frey, M.; Robson, R., Hydrogen as a Fuel: Learning from Nature (in (EN)), London, Taylor & Francis, 2001. ISBN 0-415-24242-8 ^ (2005). Improved photobiological H2 production in engineered green algal cells. J Biol Chem 280 (40): 34170-7  (in (EN)). ^ (EN) DOE Hydrogen Program. URL consultato il 02 ottobre 2009. ^ (EN) Los Alamos National Laboratory – Hydrogen. URL consultato il 15 agosto 2009. ^ Joseph Rom, The Hype about Hydrogen, Fact and Fiction in the Race to Save the Climate (in (EN)), New York, Island Press, 2004. ISBN 1-55963-704-8 ^ (EN) Ciclo Chan K'iin. URL consultato il 02 ottobre 2009. modifica Bibliografia Francesco Borgese, Gli elementi della tavola periodica. Rinvenimento, proprietà, usi. Prontuario chimico, fisico, geologico, Roma, CISU, 1993. ISBN 88-7975-077-1 R. Barbucci, A. Sabatini, P. Dapporto, Tavola periodica e proprietà degli elementi, Firenze, Edizioni V. Morelli, 1998. ISBN 88-1020-000-0 Luigi Rolla, Chimica e mineralogia. Per le Scuole superiori, 29a ed., Dante Alighieri, 1987. Klaus Weissermel; Hans-Jürgen Arpe, Charlet R. Lindley, Industrial organic chemistry, 4 (in inglese), Wiley-VCH, 2003, pp. 26-29. ISBN 3-527-30578-5 modifica Voci correlate Apparecchio di Kipp Bomba all'idrogeno Centrale a idrogeno Economia dell'idrogeno Economia allo zinco Fusione nucleare Legame idrogeno Immagazzinamento dell'idrogeno Isotopi dell'idrogeno Ossidrogeno Pila a combustibile Produzione di idrogeno Produzione biologica di idrogeno Spettro dell'atomo di idrogeno Stazione di rifornimento di idrogeno Zero Regio modifica Altri progetti Commons Wikizionario Wikimedia Commons contiene file multimediali su Idrogeno Wikizionario contiene la voce di dizionario «Idrogeno» modifica Collegamenti esterni Preparazione dell'idrogeno Preparazione di idrogeno da alluminio in ambiente acido e basico WebElements.com EnvironmentalChemistry.com Gli elementi L'idrogeno come combustibile v · d · m Tavola periodica degli elementi H                                                             He Li Be   B C N O F Ne Na Mg   Al Si P S Cl Ar K Ca   Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr   Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Uut Uuq Uup Uuh Uus Uuo Uue Ubn Unbibidi Ubu Ubb Ubt Ubq Ubp Ubh Ubs Ubo Ube Utn Utu Utb Utt Utq Utp Uth Uts Uto Ute Uqn Superattinidi Uqu Uqb Uqt Uqq Uqp Uqh Uqs Uqo Uqe Upn Upu Upb Upt Portale Chimica: Il portale della scienza della composizione, delle proprietà e delle trasformazioni della materia