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Lmwcq'mwcgidrogeno (mwcwsimbolo mwdaH, dal latino mwdqhydrogenium,cite-ref-2[2] basato a sua volta sul mweggreco mwewὕδωρ, hýdor, «acqua», con la radice mwfaγεν-, ghen-, «generare»cite-ref-3[3]cite-ref-4[4], quindi «generatore di acqua») è il primo mwhqelemento chimico della mwhgtavola periodica (mwhwnumero atomico 1) e il più mwialeggero. Con l'idrogeno iniziano sia il primo mwiqperiodo del sistema periodico che il primo mwiggruppo, e quindi anche il mwiwblocco mwjas.

È l'elemento più mwjgabbondante dell'mwjwuniverso osservabile e il più semplice: il suo mwkaisotopo più comune, il mwkqprozio, è formato da un mwkgprotone, che ne costituisce il mwkwnucleo, e da un mwlaelettrone.

Allo stato libero, a mwlgpressione atmosferica e mwlwtemperatura ambiente (mwma298 K), l'idrogeno si trova sotto forma di mwmqgas mwmgbiatomico di mwmwformula Hmwna2 (diidrogeno), incolore, inodore, insapore e altamente mwnqinfiammabile,cite-ref-rolla279-5-0[5]cite-ref-6[6] con un mwpgpunto di ebollizione di 20,27mwpw K (-252,9mwqa °C) e un mwqqpunto di fusione di 14,02mwqg K (-259,1mwqw °C).

Allo stato mwrqlegato è presente nell'mwrgacqua (11,19%) e in tutti i mwrwcomposti organici e mwsaorganismi viventi; inoltre, è occluso in alcune mwsqrocce, come il mwsggranito, e forma mwswcomposti con la maggior parte degli elementi, spesso anche per mwtasintesi diretta.

È il principale costituente delle mwtgstelle, dove è presente nello stato di mwtwplasma e rappresenta il mwuacombustibile delle mwuqreazioni termonucleari, mentre sulla mwugTerra è scarsamente presente allo stato libero e molecolare, e deve quindi essere prodotto per i suoi vari usi. In particolare è usato nella produzione di mwuwammoniaca, nell'mwvaidrogenazione degli mwvqoli vegetali, in mwvgaeronautica (in passato nei mwvwdirigibili), come combustibile mwwaalternativo, e più di recente come riserva di energia nelle mwwqpile a combustibile.cite-ref-7[7]

Essendo il suo atomo il più semplice, è stato studiato in maniera approfondita dalla mwxwmeccanica quantistica.cite-ref-8[8]

• Storia

• Primi utilizzi

• Isotopi

• Diidrogeno

• Proprietà termodinamiche della molecola

• Reattività dell'idrogeno molecolare

• Chimica ionica in fase gassosa

• Ortoidrogeno e paraidrogeno

• Disponibilità

• Produzione

• Applicazioni

• Impiego come reagente

• Composti dell'idrogeno

• L'idrogeno come vettore energetico

• Altri impieghi

• Precauzioni

• Combustione

• Note

• Bibliografia

• Voci correlate

• Altri progetti

• Collegamenti esterni

L'idrogeno biatomico gassoso Hmwzw2 fu descritto formalmente per la prima volta da Theophrastus Von Hohenheim (più conosciuto con il nome di mwaaParacelso, 1493-1541), che lo ottenne artificialmente mescolando mwaqmetalli con mwagacidi forti. Paracelso non si rese conto che il gas mwawinfiammabile ottenuto in queste reazioni chimiche era costituito da un nuovo elemento chimico, chiamato in seguito idrogeno. Nel 1671, mwbaRobert Boyle riscoprì e descrisse la reazione che avveniva quando si mescolavano limatura di mwbqferro e acidi diluiti, e che generava Hmwbg2.

Nel 1766, mwdqHenry Cavendish fu il primo a riconoscere l'idrogeno molecolare gassoso Hmwdg2 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 utilizzava in questi esperimenti acidi e mwdwmercurio e giunse erroneamente alla conclusione che il diidrogeno fosse una sostanza liberata dal mercurio e non dall'acido, ma fu capace di descrivere con precisione molte proprietà fondamentali dell'idrogeno e del diidrogeno. Tradizionalmente, si considera Cavendish come lo scopritore dell'idrogeno.

Nel 1783, mweqAntoine Lavoisier assegnò all'elemento il nome di "idrogeno" (in francese mwegHydrogène, dal greco mwewὕδωρ, mwfaὕδᾰτος, "acqua" e mwfqγένος-ου, "generatore") quando provò (insieme a Laplace) la scoperta di Cavendish che la combustione dell'idrogeno generava acqua.

Uno dei primi usi che si fece dell'idrogeno fu come gas di riempimento per mwgqaerostati e successivamente per altri tipi di mwggaeronavi. Famosa è la tragedia del dirigibile mwgwHindenburg, che ebbe luogo nonostante gli ingegneri avessero rivestito la struttura dell'aeronave in modo da non causare mwhascintille, dato che si conosceva l'infiammabilità del gas. Quello fu un caso particolare di impiego, dato che non era disponibile l'mwhqelio, gas quasi altrettanto leggero, ma inerte. Al tempo l'idrogeno molecolare si otteneva per la reazione dell'mwhgacido solforico con il mwhwferro.

L'idrogeno è l'unico elemento ai cui mwiwisotopi più noti si attribuiscono nomi specifici:cite-ref-9[9] il mwkaprozio (1H), l'isotopo più comune, non ha mwkgneutroni; il mwkwdeuterio (mwla2H, o D) ha un mwlqneutrone e il mwlgtrizio (mwlw3H, o T, radioattivo) due neutroni. Sono stati osservati anche gli isotopi mwma4H, mwmq5H, mwmg6H e mwmw7H, tutti estremamente instabili e radioattivi.cite-ref-10[10]

Il nucleo del trizio (nuclide mwqa3H) è più fortemente legato del suo mwqqisobaro mwqgelio-3 (mwqw3He), le energie di legame per nucleone (= energia di legame/mwramwrqA) sono 2,827mwrg mwrwMeV contro 2,573mwsa MeV e tuttavia mwsq3H decade mwsgesotermicamente in mwsw3He (mwtadecadimento beta), dato che la mwtqmassa di mwtg3He (3,016029mwtw u) è un po' minore di quella di mwua3H (3,016049mwuq mwugu); la differenza di massa si ritrova come mwuwenergia cinetica dell'elettrone e dell'mwvaantineutrino prodotti nel decadimento.cite-ref-11[11]

Il nucleo del prozio è dotato di mwwgspin ed è quindi un nucleo attivo per la tecnica della mwwwrisonanza magnetica nucleare protonica (mwxa1H-RMN), una diffusissima tecnica analitica per tutti i composti contenenti idrogeno che ha anche notevole valore strutturale,cite-ref-12[12] grazie anche al valore 1/2 dello spin di mwyq1H (che consente assenza di mwygmomento di quadrupolo nucleare), il quale permette di ottenere spettri ad alta mwywrisoluzione e grazie inoltre all'elevata ricettività del nucleo, che permette un'alta sensibilità della tecnica stessa.cite-ref-13[13] Il nucleo del deuterio ha spin 1 e anche per esso è possibile l'applicazione di questa tecnica (mw0a2H-RMN); tuttavia, dato che il valore dello spin è maggiore di 1/2, il nucleo ha momento di quadrupolo e questo fa allargare i picchi di assorbimento facendo peggiorare la risoluzione. Per il trizio, anch'esso con spin 1/2, le cose stanno in maniera molto simile al prozio (quando però si operi su composti triziati).cite-ref-14[14]

Allo stato libero in mw3qcondizioni normali l'idrogeno si presenta come diidrogeno, una mw3gsostanza formata da mw3wmolecole biatomiche (Hmw4a2), che è un mw4qgas incolore, inodore, insapore, non tossico ed estremamente infiammabile. Oltre a diidrogeno, altre denominazioni corrette sono: idrogeno molecolare, idrogeno biatomico, idrogeno diatomico. Di frequente viene anche chiamato sbrigativamente, ma erroneamente, "idrogeno".

Avendo la più piccola massa molecolare, solo 2,016 grammi per mole, Hmw4w2 è il più mw5aleggero dei gas. Per lo stesso motivo presenta, a parità di temperatura e pressione, la più alta velocità di mw5qeffusione e, più in generale, ha altissima mw5gdiffusività attraverso membrane porose.

A pressione ordinaria il diidrogeno condensa in un liquido mobile e incolore a -252,76mw6a °C (20,39mw6q K), la cui mw6gdensità è solo 0,0708mw6w g/mL;cite-ref-16[16] tale liquido può esistere stabilmente al di sotto della temperatura critica, pari a 33,18mw8a K (-240mw8q °C);cite-ref-17[17] a -259,19mw9g °C (13,96mw9w K) il liquido solidifica in un solido cristallino incolore avente un mw-areticolo esagonale compatto di molecole Hmw-q2.cite-ref-02-18-0[18]

A marcata differenza da altri gas e dall'mw-welio in particolare, il diidrogeno si mwaqaadsorbe superficialmente su diversi metalli, quali mwaqetitanio, mwaqinichel, mwaqmrutenio, mwaqqosmio, mwaquplatino e specialmente mwaqypalladio; in quest'ultimo, Hmwaqc2 si diffonde facilmente anche al suo interno e la sua solubilità in esso, che implica anche interazioni chimiche,cite-ref-03-19-0[19] è molto grande, arrivando a formare una mwaqwsoluzione solida, metallica, che può raggiungere una concentrazione formulabile, come composto non stechiometrico, di composizione approssimativa Pdmwaq04Hmwaq43.cite-ref-32-20-0[20] Inoltre, Hmwarm2 è capace di attraversare facilmente un setto di palladio, il quale si comporta nei suoi riguardi da mwarqmembrana semipermeabile, permettendo di separare il diidrogeno da altri gas eventualmente presenti in miscela e quindi di purificarlo.cite-ref-32-20-1[20]

Il diidrogeno ha un'elevata mwaroconducibilità termica, 0,168mwars W/(mwarwm×K), anche superiore a quella dell'elio [0,142mwar0 W/(m×K)]cite-ref-21[21] e altrettanto accade per le mwasivelocità del suono: 1320mwasm m/s in Hmwasq2 e 973mwasu m/s in He.cite-ref-22[22] Entrambe queste proprietà e la citata velocità di effusione sono legate alla mwasovelocità molecolare media, che per Hmwass2 è maggiore di quella dell'He alla stessa temperatura, dato che la mwaswmassa molecolare del diidrogeno è praticamente la metà di quella di He.

L'idrogeno molecolare si ottiene in mwas4laboratorio mediante reazione di mwas8acidi con mwatametalli attivi, come lo mwatezinco o lo mwatistagno e, industrialmente, mediante l'mwatmelettrolisi dell'acqua, il mwatqreforming del mwatugas naturale, la gassificazione di residui della raffinazione del petrolio. Il diidrogeno è impiegato per la produzione dell'mwatyammoniaca, per la desolforazione dei derivati del petrolio, come mwatccombustibile alternativo e, di recente, come fonte di energia per le mwatgpile a combustibile.

La mwatsmolecola del diidrogeno è composta da due mwatwatomi di idrogeno tenuti insieme dal più forte (4,52mwat0 eV) e più corto (74,14mwat4 mwat8pm)cite-ref-23[23] mwauqlegame covalente mwauusemplice tra due atomi uguali e mwauyneutri, cioè in una molecola biatomica omopolare. Questo deriva dalla condivisione dei due elettroni spaiati dei due atomi H attraverso la sovrapposizione dei due orbitali 1mwaucs di ciascun atomo H a dare un mwauglegame sigma (σ): tale sovrapposizione comporta che la mwaukdensità elettronica nella regione internucleare dei due atomi uniti nella molecola Hmwauo2 risulti significativamente accresciuta rispetto a quella presente nei due atomi H separati, e questo costituisce l'azione legante esercitata da tale densità elettronica verso i due nuclei.cite-ref-24[24] Inoltre, in questa molecola tali nuclei non sono mwau8schermati da gusci elettronici che eserciterebbero azione repulsiva, se presenti.cite-ref-25[25]

Per questo, Hmwavu2 è una mwavyspecie chimica molto stabile termodinamicamente: l'mwavcenergia necessaria per la mwavgdissociazione mwavkomolitica del legame a dare due atomi di idrogeno separati, cioè:

Hmwavw2 mwav0(g) mwav4 mwav8 →mwawa mwawe 2 Hmwawi· mwawm(g)

a 25mwawu °C e 1 atm è mwawyΔHr° = 435,7mwawk kJ/mol (4,516mwawo eV);cite-ref-26[26] alla temperatura di 2700mwaw8 °C e pressione ambiente, in condizioni di mwaxaequilibrio, solo l'8% delle molecole Hmwaxe2 è dissociato in atomi (idrogeno atomico) e, per far sì che si raggiunga una dissociazione pressoché totale per via termica, occorre arrivare ad una temperatura di circa 6000mwaxm K, una situazione naturalmente presente sulla superficie del mwaxqSole.cite-ref-0-27-0[27] D'altro canto, la dissociazione mwaxketerolitica, cioè:

Hmwaxw2 mwax0(g) mwax4 mwax8 →mwaya mwaye Hmwayi+ mwaym(g) + Hmwayq– mwayu(g)

ha un costo energetico di gran lunga maggiore, 1.675mwayc kJ/mol (17,36mwayg eV);cite-ref-0-27-1[27] anche l'mway0energia di ionizzazione della molecola a dare il noto mway4ione molecolare mway8H2+ è decisamente elevata (15,43mwazi eV)cite-ref-2-28-0[28] e supera quella dell'atomo di idrogeno stesso, che comunque è elevata (13,60mwazc eV).cite-ref-29[29] Questi dati sono indicativi della difficoltà per la molecola di rompere il legame o di allentarlo in qualche modo e ciò si riflette in mwazwenergie di attivazione notevoli.

La dissociazione eterolitica ora vista si riferisce a molecole Hmwaz82 isolate, in fase gassosa; quando tale dissociazione avviene in soluzione acquosa, il costo energetico (come mwaaaenergia libera) è molto minore, meno di un decimo: mwaaeΔGr° = 143,1mwaaq kJ/mol (1,483mwaau eV).cite-ref-30[30] Questo, grazie al fatto che la molecola d'acqua ha natura mwaaoanfiprotica, e può quindi solvatare sia i cationi che gli anioni, ed anche al fatto che l'acqua liquida ha una mwaascostante dielettrica relativa molto elevata, cosa che favorisce la dissociazione in ioni perché diminuisce le interazioni elettriche tra gli ioni, favorendo la loro separazione.cite-ref-31[31]

Oltre alla ovvia assenza di mwabepolarità della molecola Hmwabi2, questi sono i principali presupposti che rendono l'idrogeno molecolare, in assenza di mwabmcatalizzatori e di mwabqluce, scarsamente reattivo a temperatura ambiente e anche oltre. Miscelato in tali condizioni con l'mwabuossigeno, non reagisce, a meno che non sia innescato, ad esempio da una mwabyscintilla; in tal caso, lo fa in maniera fortemente esplosiva (miscela tonantecite-ref-32[32]) dando luogo alla formazione di mwabsvapore acqueo con grande sviluppo di calore (ΔmwabwHmwab0r° = -241,98mwab4 kJ/mol):cite-ref-04-33-0[33]

2 Hmwacu2 (g) + Omwacy2 (g) mwacc mwacg →mwack mwaco 2 Hmwacs2O mwacw(g)

In pratica, tra gli elementi chimici in forma molecolare, l'idrogeno reagisce a temperatura ambiente solo con mwac4fluoro molecolare (Fmwac82) e lo fa esplosivamente, anche al buio e alle bassissime temperature di Hmwada2 liquido,cite-ref-34[34] per dare mwadufluoruro di idrogeno HF; sempre a temperatura ambiente, ma in presenza di mwadyluce solare, reagisce anche e con il mwadccloro per dare mwadgcloruro di idrogeno HCl.cite-ref-1-35-0[35] Reagisce con il mwad0bromo a 400mwad4 °C per dare mwad8HBr e, sempre a 400mwaea °C, con lo mwaeeiodio, ma in presenza di mwaeiplatino come catalizzatore, per dare (reversibilmente) mwaemHI.cite-ref-1-35-1[35] Anche la reazione con l'azoto (Nmwaeg2), per dare l'ammoniaca NHmwaek3, necessita di innalzamento di temperatura e di catalisi (mwaeoFe, e mwaesMo come attivatore) e porta comunque ad un equilibrio.cite-ref-1-35-2[35] Tuttavia l'idrogeno, fatto gorgogliare a temperatura ambiente in una soluzione acquosa di cloruro di palladio(II) reagisce prontamente (viene ossidato) per dare palladio metallico, che mwafeprecipita come fine polvere scura, e HCl in soluzione:cite-ref-3-36-0[36]

PdClmwafg2 mwafk(sol) + Hmwafo2 mwafs(g) +2 Hmwafw2O → Pd mwaf0(s) ↓ + 2 Hmwaf43Omwaf8+ mwaga(sol) + 2 Clmwage− mwagi(sol)

La molecola di idrogeno può sommare un mwaguprotone (Hmwagy+) in fase gassosa con reazione mwagcesotermica per dare lo mwaggione idrogenonio Hmwagk3mwago+, una specie molecolare triangolare equilatera (mwagssimmetria mwagwDmwag03hcite-ref-37[37]) con due elettroni di legame e avente particolare stabilità connessa all'aromaticità sigma per esso riscontrata.cite-ref-38[38]

Hmwahk2 + Hmwaho+ → Hmwahs3mwahw+

Questo ione molecolare è un fortissimo mwah4acido di Brønsted-Lowry, in grado di mwah8protonare anche una mwaiabase debolissima come il mwaiemetano (dando origine a CHmwaii5mwaim+, mwaiqione metanio) e qualsiasi altro mwaiuidrocarburo.

L'mwaicaffinità protonica di Hmwaig2, pari alla variazione di entalpia standard (ΔmwaikHmwaior°) della reazione di protonazione cambiata di segno, è 422,3mwais kJ/molcite-ref-2-28-1[28] (4,377mwaja mwajeeV), mentre il ΔmwajiGmwajmr° della stessa, cioè la basicità di Hmwajq2 in fase gassosa, vale 394,7mwaju kJ/mol (4,090mwajy eV).cite-ref-2-28-2[28] La specie può essere prodotta dalla reazione dell'idrogeno gassoso con lo ione HeHmwajs+ (elio protonato), che si pensa essere stato il primo 'composto' originatosi dal mwajwBig Bang:cite-ref-39[39]

HeHmwakm+ + Hmwakq2 → Hmwaku3mwaky+ + He

La reazione è termodinamicamente favorita perché l'affinità protonica dell'elio (177,8 kJ/molcite-ref-40[40]) è ben minore di quella di Hmwakw2 (mwak0vide supra).

Lo ione molecolare HeHmwak8+ può ottenersi anche in laboratorio, in situ, lasciando decadere la molecola HT (mwalaisotopologa di Hmwale2):cite-ref-41[41]cite-ref-42[42]

HT (dec. beta(-)) → HHemwalw+ + emwal0- + anti-ν

In mwamucondizioni normali il diidrogeno è una mwamymiscela di due diversi tipi di mwamcmolecole, che differiscono a seconda che gli mwamgspin dei due mwamknuclei 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 mwamoorto e mwamspara è di circa 3 a 1 e la conversione di una forma nell'altra è talmente lenta da non avvenire in assenza di un mwamwcatalizzatore. Le due forme differiscono a mwam0livello energetico, il che provoca piccole differenze nelle loro proprietà fisiche. Ad esempio, i mwam4punti di fusione ed mwam8ebollizione 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 diidrogeno liquido: quando viene liquefatto, il diidrogeno è generalmente una miscela mwanepara:mwaniorto circa 25:75; lasciato a sé, nell'arco di un mese la miscela si arricchisce della forma mwanmpara, che diventa il 90%; questa conversione libera mwanqcalore che fa evaporare gran parte del diidrogeno, che viene perso. Per ovviare a ciò, la liquefazione del diidrogeno viene condotta in presenza di un catalizzatore a base di mwanuossido di ferro; in questo modo il diidrogeno liquido ottenuto è composto per oltre il 99% dalla forma mwanypara.

L'idrogeno è l'elemento più mwaomabbondante dell'universo, formando fino al 75% della materia in base alla mwaoqmassa e più del 90% in base al numero di atomi. Si trova principalmente nelle mwaoustelle e nei mwaoygiganti gassosi. Relativamente alla sua abbondanza nell'ambiente, l'idrogeno è molto raro nell'mwaocatmosfera terrestre (1mwaog mwaokppm) e praticamente inesistente come Hmwaoo2 sulla superficie e nel sottosuolo. mwaosGiove e mwaowSaturno sono composti da circa l'80% di idrogeno, il mwao0Sole dal 90%.

Questo elemento ha un ruolo fondamentale nel fornire energia all'mwao8universo, attraverso processi di mwapafusione nucleare. Enormi quantità di energia vengono rilasciate sotto forma di mwaperadiazioni elettromagnetiche nel momento in cui avviene la combinazione di due nuclei di idrogeno (deuterio oppure prozio e trizio) in uno di mwapielio.

Sottoposte a mwapqpressioni eccezionalmente alte, come quelle che si trovano al centro dei mwapugiganti gassosi (mwapyGiove ad esempio), le molecole perdono la loro identità e l'idrogeno diventa un mwapcmetallo mwapgliquido (mwapkidrogeno metallico). Al contrario, in condizioni di pressione estremamente bassa, le molecole di Hmwapo2 possono subire mwapsdissociazione e se sottoposte a radiazione di opportuna mwapwfrequenza, gli atomi individuali possono sopravvivere per un tempo sufficiente per esser rilevati. mwap0Nubi di H2 si formano e sono associate con la mwap8nascita delle stelle.

Sulla mwaqoTerra la fonte più comune di questo elemento è l'mwaqsacqua, che è composta da due atomi di idrogeno e uno di mwaqwossigeno (Hmwaq02O). Altre fonti sono: la maggior parte della mwaq4materia organica (che comprende tutte le forme di vita conosciute), i mwaq8combustibili fossili e il mwaragas naturale. Il mwaremetano (CHmwari4), che il principale componente del gas naturale ma si può ottenere anche per digestione anaerobia di sostanze organiche, sta diventando una fonte di idrogeno sempre più importante.

L'Hmwary2 si ottiene in laboratori di chimica e di mwarcbiologia, spesso come sottoprodotto di altre reazioni; nell'industria si ottiene nel mwargcracking degli idrocarburi; per mwarkelettrolisi dell'acqua, e con il processo del mwarogas d'acqua. In natura è utilizzato come mezzo per espellere equivalenti riduttivi nelle reazioni biochimiche.

Nell'industria chimica e mwar4petrolchimica si richiedono grandi quantità di Hmwar82. L'applicazione principale dell'Hmwasa2 avviene nel processo di raffinazione dei combustibili fossilicite-ref-44[44] e nella sintesi dell'ammoniaca (mwasuprocesso Haber-Bosch). I processi fondamentali che consumano Hmwasy2 in un impianto petrolchimico sono l'idrodealchilazione, l'mwasgidrodesolforazionecite-ref-45[45] e lmwas0'mwas4mwas8idrocrakingcite-ref-46[46]. L'idrogeno prodotto dall'elettrolisi dell'acqua utilizzando energia elettrica rinnovabile (solare ed eolica) è la base per la produzione di ammoniaca rinnovabile. L'Africa ha un buon potenziale per produrre ammoniaca rinnovabile e ridurre la dipendenza dalle importazioni di fertilizzanticite-ref-47[47], e persino per diventare un esportatore a lungo terminecite-ref-48[48]cite-ref-49[49].

L'Hmwaue2 è utilizzato nei laboratori e nell'industria chimica come materia prima per condurre idrogenazioni, normalmente in presenza di catalizzatori metallici; in tal modo, dal mwauibenzene si può ottenere il mwaumcicloesano, ad esempio, e dai mwauqgrassi e oli insaturi si ottenengono prodotti come la mwauumargarina. Si usa anche per effettuare reazioni di mwauyidrogenolisi. Viene utilizzato anche nella sintesi dell'mwaucacido cloridrico.

L'idrogeno si combina con la maggior parte degli elementi. Con un'mwauoelettronegatività pari a 2,2, un valore intermedio, forma composti dove può essere la componente più non-metallica o più metallica: nel primo caso i suoi composti si dicono mwausidruri, nei quali l'idrogeno esiste come Hmwauwδ− o al limite come ione Hmwau0−; in altri casi l'atomo H si insinua negli interstizi dei reticoli cristallini dei metalli dando luogo a quelli che vengono chiamati idruri interstiziali (come nella maggior parte degli idruri dei metalli di transizione); nel secondo caso l'idrogeno tende a formare composti essenzialmente covalenti, in cui è presente come Hmwau8δ+.

Il diidrogeno Hmwave2 si combina con il diossigeno Omwavi2 formando mwavmacqua (Hmwavq2O) liberando molta energia in questo processo (si ha un mwavucalore di reazione pari a circa mwavy572,4 kJ).cite-ref-rolla279-5-1[5] L'ossido di deuterio è meglio noto come mwavsacqua 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 mwavwchimica organica.

Tra i vari usi dell'idrogeno vi è quello di possibile fonte di energia per l'autotrazione.cite-ref-50[50] L'uso del Hmwawc2 avrebbe il vantaggio di utilizzare le fonti fossili per ottenere direttamente il gas (a partire dal metano, per esempio). L'Hmwawg2 usato poi come combustibile nei mezzi di trasporto, reagendo con Omwawk2, produrrebbe come unico prodotto di scarto l'acqua, eliminando completamente le emissioni di COmwawo2 e i problemi climatico-ambientali a esse associate. Utilizzare il diidrogeno come mwawscombustibile presenta diversi vantaggi. Brucia all'aria quando la sua concentrazione è compresa tra il 4 e il 75% del suo volume, mentre il gas naturale brucia a concentrazioni comprese tra il 5,4 e il 15%. La temperatura di combustione spontanea è di 585mwaww °C, mentre quella del gas naturale è di 540mwaw0 °C. Il gas naturale esplode a concentrazioni comprese tra il 6,3 e il 14%, mentre il diidrogeno richiede concentrazioni dal 13 al 64%. L'unico svantaggio sarebbe nella densità di energia del diidrogeno liquido o gassoso (a pressione utilizzabile) che è significativamente inferiore rispetto ai tradizionali combustibili e quindi necessita di essere mwaw4compresso 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 mwaxqmotori a combustione interna utilizzati su alcuni prototipi di mwaxuauto. Le mwaxypile a combustibile, attualmente in via di sviluppo, sono poi un modo alternativo per ottenere energia sotto forma di mwaxcelettricità dall'mwaxgossidazione dell'idrogeno senza passare dalla mwaxkcombustione 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 mwaxomwaxseconomia all'idrogeno queste due tecnologie a idrogeno, oltre a risolvere il problema energetico, sarebbero quindi anche in grado di offrire un'alternativa pulita agli attuali mwaxwmotori 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 sé 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 mwax4gas naturale, mwax8petrolio e mwayacarbone, in quanto deve essere prodotto artificialmente spendendo energia a partire da fonti energetiche primarie. Esso sarebbe quindi impiegabile unicamente come mwayevettore 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 mwayitermodinamico poiché la sua produzione richiederebbe in genere un'energia maggiore di quella che poi si renderebbe disponibile attraverso la sua 'combustione'. Una soluzione a tale problema è stata adottata ricorrendo ai pannelli fotovoltaici: durante il giorno l'energia prodotta viene interamente utilizzata per la produzione di idrogeno, che viene immagazzinato e utilizzato per alimentare autobus a idrogeno.

La molecola d'acqua è infatti più stabile e quindi meno energetica del diossigeno Omwayq2 e del diidrogeno Hmwayu2 separati e segue la legge secondo la quale i processi "naturali" portano un sistema da un'energia più alta a una più bassa tramite una trasformazione. Per le leggi della mwayytermodinamica l'estrazione di idrogeno dall'acqua non può avvenire dunque come reazione inversa a costo zero, cioè senza spendere mwayclavoro. Qualsiasi metodo di estrazione comporta quindi un costo che è pari all'energia liberata successivamente dalla combustione dell'idrogeno sotto forma di diidrogeno se a tal fine si utilizza l'esatto processo inverso, e in realtà in tal caso anche maggiore perché non esiste alcuna macchina con mwaygrendimento pari al 100% durante il processo di estrazione. In altri termini la produzione di idrogeno sotto forma di diidrogeno attraverso il metodo più semplice, ovvero l'mwaykelettrolisi dell'acqua, e il successivo utilizzo dell'idrogeno sotto forma di diidrogeno nella reazione inversa con Omwayo2 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 il diidrogeno 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. Hmwayw2 può essere ottenuto con un guadagno netto di energia a partire da fonti fossili, come il mway0metano (le reazioni di sintesi sono infatti diverse da quelle di combustione), però si tratta di fonti energetiche non rinnovabili cioè destinate comunque a esaurirsi nel tempo e in più con emissioni dirette di COmway42.

Infine i costi per la realizzazione delle infrastrutture necessarie per effettuare una completa conversione a un'economia dell'idrogeno sarebbero sostanzialmente elevaticite-ref-51[51].

Un altro modo in cui l'idrogeno potrebbe venire utilizzato efficacemente come fonte di energia, a prescindere da qualsiasi processo di produzione, è quello della mwazufusione nucleare con un mwazyreattore alimentato da deuterio o trizio, una tecnologia che al 2022 è ancora in via di sviluppo nel reattore sperimentale mwazcITER. La grande quantità di energia prodotta sarebbe forse in grado di risolvere i problemi energetici mondiali, ma si tratta di un processo tecnologicamente complicato da gestire e tuttora oggetto di intensa ricerca.

Attualmente, ricapitolando, esistono quattro forme di utilizzazione dell'idrogeno per la produzione di energia:

• Combinando chimicamente Hmwazs2 con Omwazw2 dell'mwaz0aria attraverso bruciatori convenzionali e con processi catalitici, come avviene nei motori a combustione interna, permettendo anche un'ampia applicazione nell'ambito domestico.

• Combinando elettrochimicamente Hmwaz82 con Omwa0a2 senza la generazione di fiamme per produrre direttamente elettricità in un reattore conosciuto con il nome di mwa0ecella (o pila) a combustibile.

• Unendo i mwa0mnuclei di idrogeno in un reattore denominato mwa0qmwa0uTokamak, durante il processo conosciuto con il nome di mwa0yfusione nucleare.

• Combinando chimicamente Hmwa0g2 con Omwa0k2 in un mezzo acquoso in una caldaia non convenzionale per produrre vapore motrice, nel ciclo conosciuto come mwa0oChan K'iin.cite-ref-52[52]

Altri problemi rilevanti che si hanno con Hmwa1a2 sono il suo stoccaggio e il trasporto. Il trasporto può avvenire in bombole di gas compresso liquefatto oppure attraverso reti dedicate come avviene attualmente per il metano. Si può avere stoccaggio sotto pressione in bombole da mwa1e200 bar fino a 700mwa1i bar (ancora in via di omologazione) in forma liquida richiede invece temperature di −253mwa1m °C in bombole perfettamente isolate. Un'altra forma di stoccaggio consiste nella reazione chimica reversibile con diverse sostanze formando idruri metallici, oppure allo stato liquido sotto forma di ammoniaca NHmwa1u3 alla temperatura di −33,4mwa1y °Ccite-ref-53[53]cite-ref-54[54].

• Nelle saldature e come agente riducente dei minerali metallici.

• Nella mwa2gpropulsione 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 mwa2sricerca criogenica, che comprende gli studi sulla mwa2wsuperconduttività.

• La mwa24temperatura di equilibrio del mwa28punto triplo dell'idrogeno è un punto fisso definito nella scala delle temperature ITS-90.

• Lo mwa3ispin della molecola di idrogeno sottoposte ad intensi campi magnetici può essere allineato omogeneamente mediante onde di mwa3mradiofrequenza. Questa proprietà è la base per la mwa3qrisonanza magnetica nucleare, attraverso un dispositivo tomografico in grado di ottenere immagini tridimensionali i in funzione della differente velocità di recupero dello spin originale degli atomi di idrogeno presenti nei tessuti degli esesri viventi, anche sotto forma di acqua, in diverse concentrazioni a seconda dell'organo. La mwa3urisonanza magnetica nucleare può essere utilizzata per la determinazione della struttura di molecole organiche poiché la frequenza di risonanza degli atomi di idrogeno dipende dai gruppi funzionali ad esso adiacenti.

• Il mwa3cdeuterio è usato nelle applicazioni nucleari come moderatore per rallentare i neutroni; i composti di deuterio sono usati in mwa3gchimica e mwa3kbiologia, soprattutto nelle ricerche nel campo degli effetti isotopici. Per la risonanza magnetica nucleare in chimica si utilizzano solventi contenenti deuterio e privi di pròzio che saturerebbe il segnale.

• Il mwa3strizio (mwa3w3H) viene prodotto nei reattori nucleari ed è impiegato nella produzione delle mwa30bombe a idrogeno, come radiomarcatore nelle scienze biologiche e in mwa34cinetica 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 γmwa4as (energia di creazione di un'interfaccia), favorendo la rottura di un pezzo per mwa4efatica 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 mwa4m1937 del mwa4qdirigibile mwa4uLZ 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. Oggi si preferisce utilizzare mwa4celio per il riempimento di palloni aerostatici e di rari dei dirigibili 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 perché è più economico dell'elio.

• Nel 1930 a Verrès in Valle d'Aosta, con l'energia prodotta in eccesso dall'impianto della Società Castel Verrès si realizzò un reparto elettrochimico utilizzando dei convertitori rotanti e una griglia in platino molto resistente alla corrosione, da questo procedimento con la tecnica dell'elettrolisi si otteneva l'idrogeno in uno stato di purezza elevatissima il quale veniva convogliato in un idrogenodotto, attraversava l'intero paese e veniva quindi portato allo stabilimento La Chimica di Verrès, una delle particolarità dell'impianto era proprio l'idrogenodotto, il primo in Italia a trasportare l'idrogeno con una tubazione sotterranea, la produzione era elevatissima e ammontava a mwa4k42000 m³ al giorno, quest'operazione permetteva la realizzazione di concimi speciali, sorpassando in alcuni anni la produzione della Montecatini. Tutte queste aziende facevano parte del gruppo industriale con sede a Milano Costruzioni Brambilla e a capo del gruppo vi era l'architetto Enrico Brambilla.cite-ref-55[55]cite-ref-56[56]

Le caratteristiche di mwa5msolubilità e mwa5qadsorbimento dell'idrogeno con vari metalli sono molto importanti nella mwa5umetallurgia (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 mwa5ylantanoidi e mwa5cmetalli del blocco dcite-ref-takeshita-57-0[57], e può sciogliersi nei metalli cristallini e in quelli amorficite-ref-kirchheim1-58-0[58]. La solubilità dell'idrogeno nei metalli è influenzata dalle distorsioni locali e dalle impurezze del mwa6areticolo cristallino del metallo.cite-ref-kirchheim2-59-0[59]

Il diidrogeno è un gas altamente infiammabile e brucia in mwa6garia, con la quale forma miscele esplosive a concentrazioni dal 4 al 74,5% (parti di diidrogeno su 100 parti d'aria, a pressione atmosferica) e in atmosfera di mwa6kcloro dal 5 al 95%. Reagisce inoltre violentemente con il mwa6ocloro e il mwa6sfluoro. Basta liberare una fuga di Hmwa6w2 a contatto con Omwa602 per innescare una violenta esplosione oppure una fiamma invisibile e pericolosa che produce acqua in gas.

Le miscele di diidrogeno mwa68detonano 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 mwa7aossidante.

La temperatura di autoignizione del diidrogeno in aria (21% di mwa7iO2) è di mwa7q500 °C circa.

L'mwa7yentalpia della combustione del diidrogeno è mwa7c−286 kJ/mol e la reazione di combustione in aria è la seguente:

mwa7o 2 H 2 ( g ) + O 2 ( g ) ⟶ ⟶ 2 H 2 O ( l ) + 572 kJ / mol {\displaystyle {\ce {2 H2(g) + O2(g) -> 2 H2O(l) +572 kJ/mol}}}

Quando si mescola con il diossigeno in un ampio intervallo di proporzioni, il diidrogeno esplode. All'aria il diidrogeno arde violentemente. Le fiamme di diossigeno e diidrogeno puro sono invisibili all'mwa7wocchio umano; per questo motivo, è difficile identificare visivamente se una fuga di diidrogeno sta bruciando. Le fiamme visibili nella fotografia dell'incidente al dirigibile Hindenburg sono dovute alla combustione del diidrogeno insieme ai materiali di rivestimento dell'aeronave realizzata in legno e tela. Altra caratteristica dei fuochi alimentati dal diidrogeno 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 mwa70idrocarburi. Infatti i due terzi dei passeggeri del dirigibile sopravvissero all'incendio, e molti morirono per la caduta dall'alto o per l'incendio della mwa74benzinacite-ref-60[60].

L'Hmwa8q2 reagisce direttamente con altri elementi ossidanti. Può produrre una reazione spontanea e violenta a temperatura ambiente in presenza di mwa8ucloro o mwa8yfluoro, con la formazione dei corrispondenti mwa8calogenuri di idrogeno: mwa8gcloruro di idrogeno e mwa8kfluoruro di idrogeno.

cite-note-11. Detto anche mwa9aprotio.

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• Apparecchio di Kipp

• Compressore per idrogeno

• Bomba all'idrogeno

• Centrale ad idrogeno

• Economia dell'idrogeno

• Economia allo zinco

• Fusione nucleare

• Legame a idrogeno

• Immagazzinamento dell'idrogeno

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