Idrogeno

IDROGENO

Chimica

Idrogeno

L'idrogeno  era conosciuto sotto il nome di «aria infiammabile» dagli alchimisti, che lo preparavano trattando la limatura di ferro con acido solforico. Le sue proprietà furono però precisate soltanto nel 1766 grazie alle ricerche di Cavendish.

L'idrogeno occupa il primo posto della classificazione periodica di Mendeleev; il suo atomo è costituito da un solo protone attorno al quale gravita un solo elettrone. Il suo peso atomico è 1,00797. Sono noti due isotopi dell'idrogeno: il deuterio e il tritio.

Proprietà fisiche

L'idrogeno  è un gas inodore e incolore. È la più leggera fra tutte le sostanze: la sua densità rispetto all'aria è 0,07. Attraversa un setto poroso più rapidamente di ogni altro gas ed è anche in grado di attraversare taluni metalli scaldati al rosso, come il ferro, il platino, l'iridio: tale proprietà può essere impiegata per far entrare in un tubo a vuoto piccole quantità di idrogeno (osmoregolatore di Villard). L'idrogeno è dopo l'elio il gas più difficile a liquefarsi. La sua temperatura critica è ­240 sC; il suo punto di ebollizione a pressione atmosferica è ­252,7 sC; solidifica a ­259,2 sC. È un discreto conduttore del calore e dell'elettricità; viene facilmente assorbito da taluni metalli, come il palladio, che può scioglierne mille volte il proprio volume. La molecola dell'idrogeno è biatomica; a temperatura ambiente sono stabili due isomeri, detti ortoidrogeno e paraidrogeno. Ciò avviene perché nella molecola i nuclei dei due atomi ruotano su se stessi: nel primo i nuclei dei due atomi ruotano nello stesso senso, nel secondo ruotano in senso inverso. A temperatura ambiente prevale l'ortoidrogeno (75% della miscela), allo zero assoluto esiste solo il paraidrogeno. Le loro proprietà fisiche sono diverse, per es. il paraidrogeno conduce meglio l'elettricità.

Proprietà chimiche

Molecola di metano

Generalmente  poco attivo a freddo, l'idrogeno dà luogo, a caldo o in presenza di catalizzatori, a numerose reazioni. Ha numero di ossidazione 1, perciò è monovalente. Si combina direttamente alla maggior parte dei non metalli e dei metalli alcalini e alcalino- terrosi. I quattro alogeni danno i corrispondenti idracidi: la velocità della reazione e la quantità di calore svolta decrescono dal fluoro allo iodio. La combinazione con l'ossigeno per dare acqua avviene spesso con esplosione a temperatura elevata o in presenza di un catalizzatore (spugna di platino). Con lo zolfo si combina verso i 250 sC; la reazione con azoto, che dà luogo all'ammoniaca, richiede l'uso di catalizzatori, alte temperature e alte pressioni. Con il carbonio reagisce verso i 1.100 °C per generare metano; se si opera all'arco elettrico si ottiene invece acetilene.

I metalli alcalini e alcalino-terrosi danno verso i 300 °C idruri cristallini decomponibili dall'acqua, come NaH o CaH₂. L'idrogeno è un riducente dei composti alogenati od ossigenati. Riduce gli ossidi di zolfo, azoto e arsenico, liberando il non metallo e anche gli ossidi dei metalli preziosi, del piombo e del rame. Con gli ossidi degli elementi del gruppo del ferro si hanno reazioni reversibili.

In presenza di un catalizzatore può verificarsi una riduzione più spinta, con formazione di idruri, con il platino, ad es., si passa dagli ossidi d'azoto direttamente all'ammoniaca. Anche l'ossido di carbonio si trasforma in metano in presenza di nichel suddiviso. La stessa miscela di idrogeno e di ossido di carbonio, riscaldata sotto pressione con ossido di zinco, dà alcool metilico; alla pressione di 20 atm e a 185 °C circa, con un catalizzatore a base di cobalto, si ottiene un carburante sintetico (processo Fischer-Tropsch).

Fra le idrogenazioni catalitiche ricordiamo inoltre quelle delle nafte e del carbon fossile (processo di fabbricazione dei carburanti sintetici noto con il nome di processo Bergius), e l'addizione di idrogeno a composti organici non saturi. Si può anche operare ponendo il composto da ridurre nell'ambiente stesso in cui viene prodotto l'idrogeno: si dice allora che si fa agire l'idrogeno nascente, molto reattivo. Infatti facendo gorgogliare biossido di zolfo nella miscela di zinco e acido cloridrico impiegata per preparare idrogeno, si ottiene idrogeno solforato H₂S. Insufflando idrogeno in un arco elettrico si ottiene un gas dotato di proprietà riducenti eccezionali detto da Langmuir idrogeno atomico, che riduce tutti gli ossidi e si combina a freddo con la maggior parte dei non metalli.

Stato naturale

Molecola di idrogeno

L'idrogeno  è probabilmente l'elemento più abbondante dell'universo, ma non è certo il più diffuso sulla Terra. L'aria atmosferica ne contiene una piccola percentuale (3/10.000 in volume). Le sue proporzioni sono superiori nei gas espulsi dai vulcani e in quelli che escono dalle fonti naturali. Allo stato di combinazione esiste nell'acqua, in molte sostanze minerali, in tutte le sostanze organiche.

L'idrogeno atomico in condizioni normali non esiste in modo stabile, data la sua grande tendenza a ricombinarsi per formare idrogeno molecolare. Per contro, nello spazio interstellare si ha una grande quantità di idrogeno atomico; ciò è dovuto alla bassissima densità del gas interstellare che rende estremamente improbabili le collisioni tra atomi. Vi è però grande interesse ad ottenere idrogeno atomico in laboratorio a densità elevate, per lo meno confrontabili con quelle che si hanno a temperatura e pressioni standard, per poter studiare questo gas che dovrebbe, tra le altre, presentare una caratteristica particolare: quella di restare gassoso a qualunque temperatura, per quanto prossima sia allo zero assoluto. Con un complicato sistema criogenico e con l'aiuto di campi magnetici si è da poco riusciti ad ottenerlo a densità di 10²³ atomi per m³ e a mantenerlo stabile per alcuni minuti alla temperatura di frazioni di K. Si può ritenere questo risultato una prima prova delle proprietà dell'idrogeno atomico, come previste dalla teoria quantistica.

Preparazione

L'idrogeno  viene preparato industrialmente partendo dall'acqua o dalle miscele gassose che lo contengono (gas naturali, gas di cokeria, gas di petrolio). L'ottenimento dall'acqua può essere effettuato per elettrolisi di una soluzione acquosa di idrossido di sodio o di un carbonato alcalino, con elettrodi di ferro: si liberano idrogeno al catodo e ossigeno all'anodo. Il processo è troppo costoso e perciò di solito si effettua la riduzione del vapor d'acqua con carbone a 1.000 °C circa. Si ottiene «gas d'acqua», miscela formata principalmente da idrogeno e ossido di carbonio:

C + H₂O →H₂ + CO.

L'ossido di carbonio può essere separato per liquefazione frazionata o con il processo di conversione. In questo secondo caso si aggiunge un eccesso di vapor d'acqua e si convoglia la miscela su un catalizzatore costituito da ossidi di ferro. Si ha la reazione

CO + H₂O → H₂ + CO₂

che fornisce una nuova quantità di idrogeno accanto a biossido di carbonio che viene eliminato per assorbimento in acqua.

Il gas naturale americano e il gas di cokeria possono contenere il 50% di idrogeno: dopo averli liberati dagli idrocarburi liquidi, dal biossido di carbonio e dall'acqua, i gas vengono compressi e trattati con azoto liquido, che condensa tutti i gas tranne l'idrogeno e l'azoto. La miscela così ottenuta viene impiegata per la sintesi dell'ammoniaca. In laboratorio l'idrogeno è generalmente preparato per azione dell'acido cloridrico diluito sullo zinco: 2HCl + Zn → ZnCl₂ + H₂.

Impieghi

L'idrogeno  è un gas industriale di primaria importanza. Fu per lungo tempo adoperato per il gonfiamento degli aerostati; ma a causa della sua infiammabilità, che provocò gravissimi incidenti (Akron, Hindenburg, ecc.), è stato sostituito dall'elio, leggermente più pesante ma non infiammabile. L'idrogeno è usato come materia prima in un gran numero di operazioni chimiche. La più importante è la sintesi dell'ammoniaca, ma vanno anche ricordate l'idrogenazione degli oli di pesce e delle nafte, la fabbricazione del metanolo e dei carburanti sintetici. Allo stato liquido è usato come combustibile per missili.

Idrogeno solforato

La  sua composizione venne definita nel 1777 da Scheele. È un gas incolore, di odore simile a quello delle uova marce; la sua densità è 1,2; liquefa a ­62 sC; 1 litro d'acqua in condizioni normali scioglie 3 litri di gas, che vengono eliminati a 100 sC. È molto tossico ed è la causa principale degli avvelenamenti provocati dall'atmosfera dei pozzi neri. Poco stabile, si decompone facilmente per riscaldamento e agisce da riducente e da solforante. Il cloro e gli altri alogeni lo ossidano; brucia nell'aria dando vapor d'acqua e biossido di zolfo, ma, se l'ossigeno è in quantità insufficiente, si ottiene zolfo elementare; questa trasformazione ha luogo nelle sue soluzioni, che si ossidano al contatto dell'aria con precipitazione dello zolfo. In presenza di sostanze porose che agiscono come catalizzatori, le soluzioni a temperature moderate si trasformano in acido solforico: in tal modo si spiega perché le acque solforose danneggiano i tessuti. Agisce a caldo sui metalli per generare i solfuri e idrogeno. È un acido debole bibasico, che con gli alcali dà luogo a due serie di sali, gli idrogenosolfuri come NaHS, e i solfuri come Na₂S. Poiché la maggior parte dei solfuri è insolubile, essi danno sovente luogo con le soluzioni di sali metallici a precipitati il cui colore serve a caratterizzare alcuni cationi metallici. Si riconosce facilmente perché provoca la formazione di solfuro di piombo nero dalle soluzioni incolori dei sali di piombo. L'idrogeno solforato si ritrova nelle emanazioni vulcaniche e in alcune sorgenti minerali (es. acque di Tabiano); si forma anche nella putrefazione delle sostanze animali (uova, carne, feci, ecc.).

In laboratorio viene preparato facendo agire l'acido cloridrico diluito su solfuro di ferro sintetico FeS; in questo caso contiene idrogeno, in quanto il solfuro contiene sempre ferro libero; se lo si vuole puro, si tratta a caldo il solfuro di antimonio Sb₂S₃ con lo stesso acido.