Idrogeno

L’idrogeno è l’elemento chimico con il simbolo H e il numero atomico 1. Con un peso atomico standard di 1,008, l’idrogeno è l’elemento più leggero della tavola periodica. L’idrogeno è la sostanza chimica più abbondante nell’Universo, costituendo circa il 75% di tutta la massa barionica. Le stelle non rimanenti sono composte principalmente da idrogeno allo stato di plasma. L’isotopo più comune dell’idrogeno, chiamato prozio (nome usato raramente, simbolo 1H), ha un protone e non ha neutroni.

L’emergenza universale dell’idrogeno atomico è avvenuta per la prima volta durante l’epoca della ricombinazione (Big Bang). A temperatura e pressione standard, l’idrogeno è un gas diatomico incolore, inodore, insapore, non tossico, non metallico, altamente combustibile con la formula molecolare H2. Poiché l’idrogeno forma facilmente composti covalenti con la maggior parte degli elementi non metallici, la maggior parte dell’idrogeno sulla Terra esiste in forme molecolari come l’acqua o composti organici.

Storia

L’idrogeno gassoso è stato prodotto per la prima volta artificialmente all’inizio del 16° secolo dalla reazione degli acidi sui metalli. Nel 1766-81, Henry Cavendish fu il primo a riconoscere che l’idrogeno gassoso era una sostanza discreta, e che produce acqua quando viene bruciato, proprietà per cui prese il nome: in greco, idrogeno significa “acqua-formatore”.

Occorrenza naturale

Si verificano nell’universo

Poco dopo la creazione dell’universo, protoni e neutroni erano già presenti in numero travolgente. Alle alte temperature prevalenti, questi si combinavano per formare nuclei atomici leggeri, come D e 4He. Tuttavia, la maggior parte dei protoni è rimasta invariata e ha rappresentato i futuri nuclei 1H. Dopo circa 380.000 anni, quando la densità di radiazione dell’universo era diventata abbastanza piccola, gli atomi di idrogeno potevano essere formati semplicemente combinando i nuclei con gli elettroni, senza essere nuovamente dilaniati da un fotone. Da allora, c'è la radiazione cosmica di fondo (non dispersa!) e l’universo è pieno di idrogeno.

Con l’ulteriore raffreddamento dell’universo la massa si divide asimmetricamente e forma delle nuvole di idrogeno gassoso. Sotto l’influenza della gravità, queste nubi si sono sempre più condensate prima in galassie e poi il gas delle galassie si è condensato in protostelle, e sotto l’enorme pressione della gravità è iniziata la fusione degli atomi H in atomi He. Si formarono così le prime stelle e i primi soli. Più tardi, però, soprattutto nelle stelle molto grandi, si formarono anche elementi più pesanti come il carbonio, l’azoto e l’ossigeno, che sono i mattoni fondamentali di tutte le forme di vita conosciute, anche per fusione.

Si verificano sulla terra

Sulla terra, la frazione di massa è molto più bassa, circa lo 0,12% del peso totale, e il 2,9% della crosta terrestre. Inoltre, a differenza di quanto avviene nello spazio, l’idrogeno terrestre è prevalentemente legato e quasi mai puro (cioè come gas non miscelato). Nessun altro elemento è noto per contenere così tanti composti, il più comune è l’acqua.

Crosta terrestre

Ma l’elemento si trova anche in tutti gli esseri viventi, nel petrolio, nel gas naturale e in molti minerali. Altri eventi naturali sono i gas naturali come il metano (CH4).

Sale e acqua dolce

La maggior parte dell’idrogeno terrestre si trova nell’acqua composta. In questa forma copre oltre due terzi della superficie terrestre. Le risorse idriche totali della terra ammontano a circa 1386 miliardi di km³. Di questi, 1338 miliardi di km³ (96,5%) sono costituiti da acqua salata negli oceani. Il restante 3,5 % è disponibile come acqua dolce. La maggior parte di essa è allo stato solido: sotto forma di ghiaccio nell’Artico e nell’Antartico così come nei terreni permafrost, specialmente in Siberia. La piccola parte rimanente è acqua dolce liquida e si trova per lo più nei laghi e nei fiumi, ma anche nei depositi sotterranei, per esempio come acqua sotterranea.

Atmosfera

Nell’atmosfera terrestre l’idrogeno è quasi esclusivamente legato chimicamente, principalmente sotto forma di acqua. La frequenza percentuale di idrogeno molecolare nell’aria è di soli 0,55 ppm. La percentuale di vapore acqueo è tra l’1 e il 4 per cento circa. Questo valore dipende fortemente dall’umidità e dalla temperatura.

La bassa percentuale di idrogeno molecolare nell’atmosfera può essere spiegata dall’alta velocità termica delle molecole e dall’alta percentuale di ossigeno nell’atmosfera. Alla temperatura media dell’atmosfera, le particelle di H2 si muovono ad una media di quasi 7.000 km/h. Questo è circa un sesto della velocità di fuga sulla Terra. Tuttavia, a causa della distribuzione di Maxwell-Boltzmann delle velocità delle molecole di H2, c'è ancora un numero considerevole di molecole che raggiungono comunque la velocità di fuga. Tuttavia, le molecole hanno solo una lunghezza di percorso libero estremamente piccola, cosicché solo le molecole negli strati superiori dell’atmosfera fuoriescono effettivamente. Altre molecole di H2 seguono dagli strati sottostanti, e una certa quantità fuoriesce di nuovo fino a quando finalmente rimangono solo tracce dell’elemento nell’atmosfera. Presumibilmente l’idrogeno negli strati inferiori dell’atmosfera viene bruciato in gran parte in acqua. Con una piccola proporzione, si stabilisce un equilibrio tra il consumo e la nuova produzione (da batteri e scissione fotonica dell’acqua).

Produzione

La produzione annuale di idrogeno è attualmente di oltre 500 miliardi di metri cubi standard. La maggior parte di questo proviene da fonti fossili (gas naturale, petrolio greggio), dall’industria chimica, dove è un sottoprodotto della produzione di cloro, e dai processi di raffinazione del petrolio greggio.

Se l’idrogeno deve essere usato su larga scala per la produzione o lo stoccaggio di energia nel senso di un’economia energetica dell’idrogeno, la produzione mediante la riformazione convenzionale del vapore non è pratica. Tuttavia, può essere ancora possibile come punto di ingresso, ad esempio nel settore automobilistico.

Nel frattempo, alcuni processi di produzione dell’idrogeno sono stati sviluppati fino alla produzione in serie, altri sono ancora in fase di sviluppo:

  • Riformatore a vapore (gas naturale)
  • Ossidazione parziale (gassificazione dell’olio)
  • Riformatore autotermico (reforming del metanolo)
  • Elettrolisi dell’acqua
  • Biomassa (gassificazione, fermentazione)
  • Procedura Kværner
  • Idrogeno da alghe verdi

Uso economico

Ogni anno vengono prodotti in tutto il mondo oltre 600 miliardi di metri cubi di idrogeno (circa 30 milioni di tonnellate) per innumerevoli applicazioni nell’industria e nella tecnologia. Importanti campi di applicazione sono:

  • Trasportatori di energia: Nella saldatura, come combustibile per razzi. Il suo utilizzo come carburante per motori a reazione, nei motori a combustione di idrogeno o tramite celle a combustibile dovrebbe sostituire l’uso di prodotti petroliferi nel prossimo futuro (vedi propulsione a idrogeno), perché la combustione produce principalmente acqua, ma non fuliggine o anidride carbonica. Tuttavia, a differenza del petrolio, l’idrogeno non è una fonte di energia primaria.
  • Idrogenazione del carbone: Attraverso varie reazioni chimiche, il carbone viene convertito in idrocarburi liquidi con H2. In questo modo benzina, gasolio e olio combustibile possono essere prodotti artificialmente. Al momento, entrambi i processi sopra citati non hanno alcuna rilevanza economica a causa dei costi più elevati. Tuttavia, questo potrebbe cambiare drasticamente non appena le riserve di petrolio della terra si esauriranno.
  • Agente riducente: l’H2 può reagire con gli ossidi metallici ed estrarre ossigeno da essi. L’acqua e il metallo ridotto si formano. Il processo viene utilizzato nella fusione dei minerali metallici, soprattutto per estrarre metalli il più puro possibile.
  • Il processo Haber-Bosch viene utilizzato per produrre ammoniaca da azoto e idrogeno e da questa ammoniaca si producono importanti fertilizzanti ed esplosivi.
  • Indurimento dei grassi: I grassi induriti si ottengono dall’olio vegetale per idrogenazione. Durante questo processo i doppi legami nei residui di acidi grassi insaturi dei gliceridi sono saturi di idrogeno. I grassi risultanti hanno un punto di fusione più alto, rendendo il prodotto solido. La margarina viene prodotta in questo modo. Come sottoprodotto, si possono produrre anche grassi trans che sono dannosi per la salute.
  • Additivo alimentare: l’idrogeno è approvato come E 949 e viene utilizzato come gas propellente, gas da imballaggio, ecc.
  • Coolant: Grazie alla sua elevata capacità termica, l’idrogeno (gassoso) è usato come refrigerante nelle centrali elettriche e nei turbogeneratori ivi utilizzati. In particolare, l’H2 viene utilizzato laddove il raffreddamento a liquido può essere problematico. La capacità termica entra in gioco dove il gas non può essere fatto circolare, o solo lentamente. Poiché anche la conducibilità termica è elevata, l’H2 fluente viene utilizzato anche per trasportare l’energia termica verso grandi serbatoi (ad es. fiumi). In queste applicazioni, l’idrogeno protegge l’apparecchiatura dal surriscaldamento e aumenta l’efficienza. Il vantaggio dell’idrogeno è che, a causa della sua bassa densità, che è inclusa nel numero di Reynolds, scorre laminare con bassa resistenza fino a velocità più elevate rispetto ad altri gas.
  • Cryogenic: A causa della sua elevata capacità termica e del basso punto di ebollizione, l’idrogeno liquido è adatto come criogeno, cioè come refrigerante per temperature estremamente basse. Anche quantità maggiori di calore possono essere assorbite bene dall’idrogeno liquido prima che si verifichi un notevole aumento della sua temperatura. In questo modo, la bassa temperatura viene mantenuta anche in presenza di fluttuazioni esterne.
  • Gas vettore: L’idrogeno ha trovato uno dei suoi primi impieghi nei palloni aerostatici e nei dirigibili. Tuttavia, a causa della natura altamente infiammabile delle miscele H2-aria, questo ha portato ripetutamente ad incidenti. La più grande catastrofe in questo contesto è probabilmente l’incidente della “Dixmude” nel 1923, il più noto è stato sicuramente la “catastrofe di Hindenburg” del 1937. L’idrogeno come gas vettore è stato nel frattempo sostituito dall’elio e soddisfa questo scopo solo in applicazioni molto particolari.

I due isotopi naturali dell’idrogeno, il deuterio e il trizio, hanno applicazioni speciali:

Deuterio

Il deuterio è usato (sotto forma di acqua pesante) nei reattori ad acqua pesante come moderatore, cioè per rallentare i neutroni veloci prodotti durante la fissione nucleare fino alla velocità termica.

I solventi deuterizzati sono usati nella spettroscopia a risonanza magnetica nucleare perché il deuterio ha uno spin nucleare di uno e non è visibile nello spettro NMR dell’isotopo normale dell’idrogeno.

In chimica e biologia, i composti di deuterio aiutano a studiare i processi di reazione e le vie metaboliche (etichettatura isotopica), poiché i composti con deuterio di solito si comportano chimicamente e biochimicamente quasi identici ai composti corrispondenti con l’idrogeno. Le reazioni non sono disturbate dall’etichettatura, ma il destino del deuterio nei prodotti finali può ancora essere determinato.

Inoltre, la notevole differenza di massa tra idrogeno e deuterio fornisce un chiaro effetto isotopico nelle proprietà dipendenti dalla massa. Ad esempio, l’acqua pesante ha un punto di ebollizione misurabilmente più alto rispetto all’acqua.

Trizio

L’isotopo trizio radioattivo è prodotto in reattori nucleari in quantità utilizzabili industrialmente. Oltre al deuterio, è anche un materiale di partenza nella fusione nucleare per l’elio. Nell’uso civile, serve come marcatore radioattivo in biologia e in medicina. Per esempio, può essere usato per rilevare le cellule tumorali. In fisica, è esso stesso oggetto di ricerca da un lato, mentre dall’altro, i nuclei di trizio altamente accelerato sono utilizzati per studiare i nuclei pesanti o per produrre isotopi artificiali.

I campioni d’acqua possono essere datati in modo molto preciso con l’aiuto del metodo del trizio. Con un tempo di dimezzamento di circa dodici anni, è particolarmente adatto per misurare periodi di tempo relativamente brevi (fino a diverse centinaia di anni). Tra le altre cose, può essere utilizzato per determinare l’età di un vino.

Viene utilizzato come fonte di energia affidabile e di lunga durata per vernici luminose (in miscela con un colorante fluorescente), soprattutto nelle applicazioni militari, ma anche negli orologi da polso. L’isotopo è utilizzato anche per scopi militari nella bomba all’idrogeno e in alcuni tipi di armi nucleari il cui effetto è basato sulla fissione.

Biologia

L’idrogeno sotto forma di vari composti è essenziale per tutti gli organismi viventi conosciuti. Il più importante di questi è l’acqua, che serve come mezzo per tutti i processi cellulari e per tutti i trasporti di massa. Insieme al carbonio, all’ossigeno, all’azoto (e più raramente anche ad altri elementi) è un componente di quelle molecole della chimica organica senza le quali qualsiasi forma di vita a noi nota è semplicemente impossibile.

L’idrogeno svolge anche un ruolo attivo nell’organismo, per esempio in alcuni coenzimi come la nicotinammide adenina dinucleotide (NAD/NADH), che servono come equivalenti di riduzione (o “trasportatori di protoni”) nell’organismo e partecipano alle reazioni redox. Nei mitocondri, le centrali elettriche della cellula, il trasferimento di cationi di idrogeno (protoni) tra le diverse molecole della cosiddetta catena respiratoria serve a fornire un gradiente protonico attraverso la membrana chemiosmotica potenziale di generare composti ricchi di energia come l’adenosina trifosfato (ATP). Durante la fotosintesi nelle piante e nei batteri, l’idrogeno dell’acqua è necessario per convertire l’anidride carbonica fissa in carboidrati.

In termini di massa, l’idrogeno è il terzo elemento più importante del corpo umano: Per una persona con un peso corporeo di 70 kg, circa 7 kg (= 10 % in peso) possono essere attribuiti all’idrogeno contenuto. Solo il carbonio (ca. 20 wt.%) e l’ossigeno (ca. 63 wt.%) costituiscono una percentuale ancora maggiore del peso. In relazione al numero di atomi, l’idrogeno molto leggero è di gran lunga l’atomo più comune nel corpo di qualsiasi essere vivente. (I 7 kg nell’uomo corrispondono a 3,5-103 moli di idrogeno con 26-1023 atomi ciascuno, cioè circa 4,2-1027 atomi di idrogeno).

Sicurezza

L’idrogeno è estremamente infiammabile. Brucia con ossigeno puro o aria e con altri ossidanti gassosi come il cloro o il fluoro con una fiamma calda. Poiché la fiamma è difficilmente visibile, si può entrare in essa inavvertitamente. Le miscele con cloro o fluoro sono infiammabili anche con radiazioni ultraviolette (vedi gas di cloro ossidrico). Oltre all’etichettatura prescritta dal GHS (vedi box informativo), le bombole di gas compresso H2 devono essere dotate di una spalla rossa e di un corpo cilindrico rosso secondo la norma DIN EN 1089-3.

L’idrogeno non è tossico e non danneggia l’ambiente. Pertanto non è specificato alcun valore MAK. Non è richiesta la respirazione o la protezione della pelle. Solo in caso di inalazione di alte concentrazioni si possono verificare disturbi del movimento, perdita di coscienza e soffocamento a causa della mancanza di ossigeno a partire da circa il 30 % del volume.

Le miscele di aria e di idrogeno dal 4 al 76% in volume sono combustibili. Al di sopra di una concentrazione del 18 % in aria, la miscela è esplosiva (gas ossidrico). La temperatura di accensione in aria è di 560 °C. Durante la manipolazione, l’idrogeno deve essere tenuto lontano da fonti di accensione, comprese le scariche elettrostatiche. I contenitori devono essere conservati lontano da gas ossidanti (ossigeno, cloro) e da altre sostanze ossidanti.

A causa delle sue piccole dimensioni atomiche, l’idrogeno può diffondersi attraverso molti solidi, cioè il gas può lentamente fuoriuscire attraverso materiali non idonei (ad es. plastica). I materiali e gli spessori utilizzati per i serbatoi e le tubazioni del gas tengono conto di questo fatto, in modo che non ci siano rischi maggiori che con la benzina, per esempio. I veicoli a idrogeno con serbatoi a pressione possono essere parcheggiati senza problemi in parcheggi multipiano e sotterranei. Non esiste alcuna disposizione di legge che lo limiti.