IDROGENO: STORIA, STRUTTURA, PROPRIETÀ E USI - CHIMICA - 2026

L' idrogeno è un elemento chimico rappresentato dal simbolo H. L'atomo è il più piccolo di tutti ed è quello che inizia la tavola periodica, indipendentemente da dove sia posizionato. È costituito da un gas incolore costituito da molecole di H ₂ biatomiche , non da atomi di H isolati; come con i gas nobili He, Ne, Ar, tra gli altri.

Di tutti gli elementi, è forse il più emblematico ed eccezionale, non solo per le sue proprietà in condizioni terrestri o drastiche, ma per la sua immensa abbondanza e varietà dei suoi composti. L'idrogeno è un gas, sebbene inerte in assenza di fuoco, infiammabile e pericoloso; mentre l'acqua, H ₂ O, è il solvente universale e vitale.

Bombole rosse utilizzate per immagazzinare l'idrogeno. Fonte: Famartin

L'idrogeno di per sé non mostra peculiarità visive degne di ammirazione, essendo semplicemente un gas che viene immagazzinato in bombole o bottiglie rosse. Tuttavia, sono le sue proprietà e la capacità di legarsi a tutti gli elementi a rendere speciale l'idrogeno. E tutto questo, nonostante abbia un solo elettrone di valenza.

Se l'idrogeno non fosse immagazzinato nei suoi rispettivi cilindri, fuggirebbe nello spazio mentre gran parte di esso reagisce durante l'ascesa. E sebbene abbia una concentrazione molto bassa nell'aria che respiriamo, fuori dalla Terra e nel resto dell'Universo, è l'elemento più abbondante, presente nelle stelle e considerato la sua unità di costruzione.

Sulla Terra, invece, rappresenta circa il 10% della sua massa totale. Per visualizzare cosa significa, bisogna considerare che la superficie del pianeta è praticamente ricoperta di oceani e che l'idrogeno si trova nei minerali, nel petrolio greggio e in qualsiasi composto organico, oltre a far parte di tutti gli esseri viventi.

Come il carbonio, tutte le biomolecole (carboidrati, proteine, enzimi, DNA, ecc.) Hanno atomi di idrogeno. Pertanto, ci sono molte fonti per estrarlo o produrlo; tuttavia, pochi rappresentano metodi di produzione veramente redditizi.

Storia

Identificazione e nome

Sebbene nel 1671 Robert Boyle avesse assistito per la prima volta a un gas che si era formato quando la limatura di ferro reagiva con gli acidi, fu lo scienziato britannico Henry Cavendish, nel 1766, a identificarlo come una nuova sostanza; l '"aria infiammabile".

Cavendish ha scoperto che quando questa aria presumibilmente infiammabile bruciava, veniva generata acqua. Sulla base del suo lavoro e dei suoi risultati, il chimico francese Antoine Lavoisier diede a questo gas il nome di idrogeno nel 1783. Etimologicamente il suo significato deriva dalle parole greche "idro" e "geni": formare acqua.

Elettrolisi e carburante

Subito dopo, nel 1800, gli scienziati americani William Nicholson e Sir Anthony Carlisle scoprirono che l'acqua può decomporsi in idrogeno e ossigeno; avevano trovato l'elettrolisi dell'acqua. Successivamente, nel 1838, il chimico svizzero Christian Friedrich Schoenbein introdusse l'idea di sfruttare la combustione dell'idrogeno per generare elettricità.

La popolarità dell'idrogeno era tale che persino lo scrittore Jules Verne lo definì un carburante del futuro nel suo libro L'isola misteriosa (1874).

Isolamento

Nel 1899, il chimico scozzese James Dewar fu il primo a isolare l'idrogeno come gas liquefatto, essendo lui stesso quello in grado di raffreddarlo abbastanza da ottenerlo nella sua fase solida.

Due canali

Da questo punto in poi, la storia dell'idrogeno presenta due canali. Da un lato, il suo sviluppo nel campo dei combustibili e delle batterie; e dall'altra, la comprensione della struttura del suo atomo e di come rappresentasse l'elemento che ha aperto le porte alla fisica quantistica.

Struttura e configurazione elettronica

Molecola di idrogeno biatomico. Fonte: Benjah-bmm27

Gli atomi di idrogeno sono molto piccoli e hanno un solo elettrone per formare legami covalenti. Quando due di questi atomi si uniscono, danno origine a una molecola biatomica, H ₂ ; questo è idrogeno molecolare gassoso (immagine in alto). Ogni sfera bianca corrisponde a un singolo atomo di H e la sfera globale agli orbitali molecolari.

Pertanto, l'idrogeno è costituito in realtà da molecole di H ₂ molto piccole che interagiscono attraverso le forze di diffusione di Londra, poiché mancano di un momento di dipolo perché sono omonucleari. Pertanto, sono molto "irrequieti" e si diffondono rapidamente nello spazio poiché non ci sono forze intermolecolari abbastanza forti per rallentarli.

La configurazione elettronica dell'idrogeno è semplicemente 1s ¹ . Questo orbitale, 1s, è il prodotto della risoluzione della famosa equazione di Schrödinger per l'atomo di idrogeno. In H ₂ due orbitali 1s si sovrappongono per formare due orbitali molecolari: uno legante e l'altro anti-legame, secondo la teoria degli orbitali molecolari (TOM).

Questi orbitali consentono o spiegano l'esistenza degli ioni H ₂ ⁺ o H ₂ ^- ; tuttavia, la chimica dell'idrogeno è definita in condizioni normali dagli ioni H ₂ o H ⁺ o H ^- .

Numeri di ossidazione

Dalla configurazione elettronica dell'idrogeno, 1s ¹ , è molto facile prevedere i suoi possibili numeri di ossidazione; tenendo presente, ovviamente, che l'orbitale 2s di maggiore energia non è disponibile per i legami chimici. Pertanto, nello stato basale, l'idrogeno ha un numero di ossidazione di 0, H ⁰ .

Se perde il suo unico elettrone, l'orbitale 1s rimane vuoto e il catione o ione idrogeno, H ⁺ , si forma con grande mobilità in quasi tutti i mezzi liquidi; soprattutto l'acqua. In questo caso, il suo numero di ossidazione è +1.

E quando accade il contrario, cioè guadagnando un elettrone, l'orbitale ora avrà due elettroni e diventerà 1s ² . Quindi il numero di ossidazione diventa -1 e corrisponde all'anione idruro, H ^- . Vale la pena notare che H ^- è isoelettronico al gas nobile elio, He; cioè, entrambe le specie hanno lo stesso numero di elettroni.

In sintesi, i numeri di ossidazione dell'idrogeno sono: +1, 0 e -1 e la molecola di H ₂ ha due atomi di idrogeno H ⁰ .

fasi

La fase preferita dell'idrogeno, almeno in condizioni terrestri, è quella gassosa, per i motivi precedentemente esposti. Tuttavia, quando le temperature diminuiscono nell'ordine di -200 ° C, o se la pressione aumenta di centinaia di migliaia di volte quella atmosferica, l'idrogeno può condensare o cristallizzare rispettivamente in una fase liquida o solida.

In queste condizioni, le molecole H ₂ possono essere allineate in diversi modi per definire modelli strutturali. Le forze di scattering di Londra ora diventano altamente direzionali e quindi appaiono geometrie o simmetrie adottate dalle coppie H ₂ .

Ad esempio, due coppie H ₂ , è quella uguale alla scrittura (H ₂ ) ₂ definiscono un quadrato simmetrico o asimmetrico. Nel frattempo, tre coppie di H ₂ , o (H ₂ ) ₃ definiscono un esagono, molto simile a quelli del carbonio nei cristalli di grafite. In effetti, questa fase esagonale è la fase principale o più stabile per l'idrogeno solido.

Ma cosa succederebbe se il solido fosse costituito non da molecole ma da atomi di H? Quindi avremmo a che fare con l'idrogeno metallico. Questi atomi di H, richiamando le sfere bianche, possono definire sia una fase liquida che un solido metallico.

Proprietà

Aspetto fisico

L'idrogeno è un gas incolore, inodore e insapore. Pertanto, avere una perdita rappresenta un rischio di esplosione.

Punto di ebollizione

-253 ° C.

Punto di fusione

-259 ° C.

Punto di infiammabilità e stabilità

Esplode praticamente a qualsiasi temperatura se c'è una scintilla o una fonte di calore vicino al gas, anche la luce solare può incendiare l'idrogeno. Tuttavia, finché è ben conservato, è un gas poco reattivo.

Densità

0,082 g / l. È 14 volte più leggero dell'aria.

solubilità

1,62 mg / L a 21 ºC in acqua. È, in generale, insolubile nella maggior parte dei liquidi.

Pressione del vapore

1,24 · 10 ⁶ mmHg a 25 ° C. Questo valore dà un'idea di quanto devono essere chiuse le bombole di idrogeno per evitare la fuoriuscita di gas.

Temperatura di autoaccensione

560v ° C.

elettronegatività

2.20 della scala Pauling.

Calore di combustione

-285,8 kJ / mol.

Calore di vaporizzazione

0,90 kJ / mol.

Calore di fusione

0,117 kJ / mol.

isotopi

L'atomo di idrogeno "normale" è il protio, ¹ H, che costituisce circa il 99,985% dell'idrogeno. Gli altri due isotopi di questo elemento sono il deuterio, ² H, e il trizio, ³ H. Questi differiscono nel numero di neutroni; il deuterio ha un neutrone, mentre il trizio ne ha due.

Isomeri di spin

Esistono due tipi di idrogeno molecolare, H ₂ : orto e para. Nella prima, i due spin (del protone) degli atomi di H sono orientati nella stessa direzione (sono paralleli); mentre nel secondo i due giri sono in direzioni opposte (sono antiparalleli).

L'idrogeno-para è il più stabile dei due isomeri; Ma all'aumentare della temperatura, il rapporto orto: para diventa 3: 1, il che significa che l'isomero idrogeno-orto predomina sull'altro. A temperature molto basse (lontanamente vicine allo zero assoluto, 20 K), è possibile ottenere campioni di idrogeno-para puro.

Nomenclatura

La nomenclatura per riferirsi all'idrogeno è una delle più semplici; sebbene non sia lo stesso per i suoi composti inorganici o organici. H ₂ può essere chiamato con i seguenti nomi oltre a "idrogeno":

-Idrogeno molecolare

-Dihydrogen

-Molecola di idrogeno biatomico.

Per lo ione H ⁺ i loro nomi sono protone o ione idrogeno; e se è in un mezzo acquoso, H ₃ O ⁺ , catione idronio. Mentre la H ^- ioni è l'anione idruro.

L'atomo di idrogeno

L'atomo di idrogeno rappresentato dal modello planetario di Bohr. Fonte: Pixabay.

L'atomo di idrogeno è il più semplice di tutti ed è normalmente rappresentato come nell'immagine sopra: un nucleo con un solo protone (per ¹ H), circondato da un elettrone che disegna un'orbita. Tutti gli orbitali atomici per gli altri elementi della tavola periodica sono stati costruiti e stimati su questo atomo.

Una rappresentazione più fedele all'attuale comprensione degli atomi sarebbe quella di una sfera la cui periferia è definita dall'elettrone e dalla nuvola probabilistica dell'elettrone (il suo orbitale 1s).

Dove trovare e produzione

Un campo di stelle: fonte inesauribile di idrogeno. Fonte: Pixabay.

L'idrogeno è, anche se forse in misura minore rispetto al carbonio, l'elemento chimico che si può dire senza dubbio essere ovunque; nell'aria, che fa parte dell'acqua che riempie i mari, gli oceani e il nostro corpo, nel petrolio greggio e nei minerali, nonché nei composti organici che vengono assemblati per dare origine alla vita.

Scorri una libreria di composti per trovare gli atomi di idrogeno al loro interno.

La domanda non è tanto quanto ma come sia presente. Ad esempio, la molecola H ₂ è così volatile e reattiva nell'incidenza della luce solare, che è molto bassa nell'atmosfera; quindi, reagisce per unire altri elementi e quindi guadagnare stabilità.

Mentre più in alto nel cosmo, l'idrogeno si trova prevalentemente come atomi neutri, H.

L'idrogeno, infatti, è considerato, nella sua fase metallica e condensata, come l'unità di costruzione delle stelle. Poiché ne esistono in quantità incommensurabili e, per la sua robustezza e le dimensioni colossali, rendono questo elemento il più abbondante dell'intero universo. Si stima che il 75% della materia nota corrisponda ad atomi di idrogeno.

naturale

Raccogliere atomi di idrogeno sciolti nello spazio sembra poco pratico ed estrarli dalle periferie del Sole, o nebulose, irraggiungibili. Sulla Terra, dove le sue condizioni costringono questo elemento a esistere come H ₂ , può essere prodotto attraverso processi naturali o geologici.

Ad esempio, l'idrogeno ha un proprio ciclo naturale in cui alcuni batteri, microbi e alghe possono generarlo attraverso reazioni fotochimiche. Il ridimensionamento dei processi naturali e parallelamente a questi prevede l'utilizzo di bioreattori, dove i batteri si nutrono di idrocarburi per rilasciare l'idrogeno in essi contenuto.

Anche gli esseri viventi sono produttori di idrogeno, ma in misura minore. Se così non fosse, non sarebbe possibile spiegare come costituisca una delle componenti gassose della flatulenza; che si sono dimostrati eccessivamente infiammabili.

Infine, vale la pena ricordare che in condizioni anaerobiche (senza ossigeno), ad esempio negli strati sotterranei, i minerali possono reagire lentamente con l'acqua per produrre idrogeno. La reazione di Fayelita lo dimostra:

3Fe ₂ SiO ₄ + 2 H ₂ O → 2 Fe ₃ O ₄ + 3 SiO ₂ + 3 H ₂

Industriale

Sebbene il bioidrogeno sia un'alternativa per generare questo gas su scala industriale, i metodi più utilizzati consistono praticamente nel "rimuovere" l'idrogeno dai composti che lo contengono, in modo che i suoi atomi si uniscano e formino H ₂ .

I metodi meno rispettosi dell'ambiente per produrlo consistono nel far reagire il coke (o carbone di legna) con vapore surriscaldato:

C (s) + H ₂ O (g) → CO (g) + H ₂ (g)

Allo stesso modo, il gas naturale è stato utilizzato per questo scopo:

CH ₄ (g) + H ₂ O (g) → CO (g) + 3H ₂ (g)

E poiché le quantità di coke o gas naturale sono enormi, è vantaggioso produrre idrogeno mediante una di queste due reazioni.

Un altro metodo per ottenere l'idrogeno è applicare una scarica elettrica all'acqua per scomporla nelle sue parti elementari (elettrolisi):

2 H ₂ O (l) → 2 H ₂ (g) + O ₂ (g)

In laboratorio

L'idrogeno molecolare può essere preparato in piccole quantità in qualsiasi laboratorio. Per fare questo, un metallo attivo deve essere fatto reagire con un acido forte, in un becher o in una provetta. Il gorgogliamento osservabile è un chiaro segno della formazione di idrogeno, rappresentato dalla seguente equazione generale:

M (s) + nH ⁺ (aq) → M ^{n +} (aq) + H ₂ (g)

Dove n è la valenza del metallo. Ad esempio, il magnesio reagisce con H ⁺ per produrre H ₂ :

Mg (s) + 2H ⁺ (aq) → Mg ²⁺ (aq) + H ₂ (g)

reazioni

redox

I numeri di ossidazione da soli offrono un primo assaggio di come l'idrogeno partecipa alle reazioni chimiche. L'H ₂ reagendo può rimanere invariato o scindersi negli ioni H ⁺ o H ^{- a} seconda della specie con cui si lega; se sono più o meno elettronegativi di esso.

H ₂ non è molto reattivo a causa della forza del suo legame covalente, HH; tuttavia, questo non è un impedimento assoluto perché reagisca e formi composti con quasi tutti gli elementi della tavola periodica.

La sua reazione più nota è con quella dell'ossigeno gassoso per produrre vapori d'acqua:

H ₂ (g) + O ₂ (g) → 2H ₂ O (g)

E tale è la sua affinità per l'ossigeno nel formare la molecola d'acqua stabile, che può persino reagire con essa come anione O ² in alcuni ossidi metallici:

H ₂ (g) + CuO (s) → Cu (s) + H ₂ O (l)

Anche l'ossido d'argento reagisce o viene "ridotto" dalla stessa reazione:

H ₂ (g) + AgO (s) → Ag (s) + H ₂ O (l)

Queste reazioni dell'idrogeno corrispondono al tipo redox. Cioè, riduzione-ossidazione. L'idrogeno si ossida sia in presenza di ossigeno che degli ossidi metallici di metalli meno reattivi di esso; ad esempio, rame, argento, tungsteno, mercurio e oro.

Assorbimento

Alcuni metalli possono assorbire idrogeno gassoso per formare idruri metallici, che sono considerati leghe. Ad esempio, i metalli di transizione come il palladio assorbono quantità significative di H _2, essendo simili alle spugne metalliche.

Lo stesso accade con leghe metalliche più complesse. In questo modo l'idrogeno può essere immagazzinato con mezzi diversi dalle sue bombole.

aggiunta

Le molecole organiche possono anche "assorbire" l'idrogeno attraverso diversi meccanismi molecolari e / o interazioni.

Per i metalli, H ₂ molecole sono circondati da atomi di metallo all'interno delle loro cristalli; mentre nelle molecole organiche, il legame HH si rompe per formare altri legami covalenti. In un senso più formalizzato: l'idrogeno non viene assorbito, ma viene aggiunto alla struttura.

L'esempio classico è l'aggiunta di H ₂ al doppio o triplo legame di alcheni o alchini, rispettivamente:

C = C + H ₂ → HCCH

C≡C + H ₂ → HC = CH

Queste reazioni sono anche chiamate idrogenazione.

Formazione di idruri

L'idrogeno reagisce direttamente con gli elementi per formare una famiglia di composti chimici chiamati idruri. Sono principalmente di due tipi: salini e molecolari.

Allo stesso modo, ci sono gli idruri metallici, che sono costituiti dalle leghe metalliche già citate quando questi metalli assorbono idrogeno gassoso; e quelli polimerici, con reti o catene di legami EH, dove E denota l'elemento chimico.

salino

Negli idruri salini, l'idrogeno partecipa al legame ionico come l'anione idruro, H ^- . Perché questo si formi, l'elemento deve essere necessariamente meno elettronegativo; altrimenti, non cederebbe i suoi elettroni all'idrogeno.

Pertanto, gli idruri salini si formano solo quando l'idrogeno reagisce con metalli altamente elettropositivi, come i metalli alcalini e alcalino terrosi.

Ad esempio, l'idrogeno reagisce con il sodio metallico per produrre idruro di sodio:

2Na (s) + H ₂ (g) → 2NaH (s)

O con bario per produrre idruro di bario:

Ba (s) + H ₂ (g) → BaH ₂ (s)

Molecolare

Gli idruri molecolari sono anche meglio conosciuti di quelli ionici. Sono anche chiamati alogenuri di idrogeno, HX, quando l'idrogeno reagisce con un alogeno:

Cl ₂ (g) + H ₂ (g) → 2HCl (g)

Qui l'idrogeno partecipa al legame covalente come H ⁺ ; poiché, le differenze tra le elettronegatività tra entrambi gli atomi non sono molto grandi.

L'acqua stessa può essere considerata un idruro di ossigeno (o ossido di idrogeno), la cui reazione di formazione è già stata discussa. La reazione con lo zolfo è molto simile per dare solfuro di idrogeno, un gas maleodorante:

S (s) + H ₂ (g) → H ₂ S (g)

Ma di tutti gli idruri molecolari il più famoso (e forse il più difficile da sintetizzare) è l'ammoniaca:

N ₂ (g) + 3H ₂ (g) → 2NH ₃ (g)

applicazioni

Nella sezione precedente era già stato affrontato uno dei principali utilizzi dell'idrogeno: come materia prima per lo sviluppo di sintesi, inorganica o organica. Il controllo di questo gas di solito non ha altro scopo che farlo reagire per creare composti diversi da quelli da cui è stato estratto.

Materiale grezzo

- È uno dei reagenti per la sintesi dell'ammoniaca, che a sua volta ha infinite applicazioni industriali, a partire dalla produzione di fertilizzanti, anche come materiale per azotati.

- È destinato a reagire con il monossido di carbonio e quindi a produrre in modo massiccio metanolo, un reagente molto importante nei biocarburanti.

Agente riducente

- È un agente riducente per alcuni ossidi metallici, motivo per cui viene utilizzato nella riduzione metallurgica (già spiegato nel caso del rame e di altri metalli).

- Ridurre i grassi o gli oli per produrre la margarina.

Industria petrolifera

Nell'industria petrolifera, l'idrogeno viene utilizzato per "idrotrattare" il petrolio greggio nei processi di raffinazione.

Ad esempio, cerca di frammentare molecole grandi e pesanti in piccole molecole con una maggiore domanda nel mercato (hydrocracking); rilasciare i metalli intrappolati nelle gabbie della petroporfirina (idrodemetalizzazione) rimuovere gli atomi di zolfo come H ₂ S (idrodesolforazione); o ridurre i doppi legami per creare miscele ricche di paraffina.

Carburante

L'idrogeno stesso è un ottimo carburante per razzi o veicoli spaziali, poiché piccole quantità di esso, quando reagiscono con l'ossigeno, rilasciano enormi quantità di calore o energia.

Su scala più piccola, questa reazione viene utilizzata per progettare celle o batterie a idrogeno. Tuttavia, queste cellule affrontano le difficoltà di non essere in grado di immagazzinare correttamente questo gas; e la sfida di diventare completamente indipendenti dalla combustione di combustibili fossili.

Il lato positivo è che l'idrogeno utilizzato come carburante rilascia solo acqua; invece dei gas che rappresentano mezzi di inquinamento per l'atmosfera e gli ecosistemi.

Riferimenti

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