Liquido

Idrogeno(lat. idrogenio; indicato dal simbolo h) - il primo elemento della tavola periodica degli elementi. Ampiamente distribuito in natura. Il catione (e il nucleo) dell'isotopo dell'idrogeno più abbondante, 1 H, è il protone. Le proprietà del nucleo 1 H consentono di utilizzare ampiamente la spettroscopia NMR nell'analisi delle sostanze organiche.

Tre isotopi dell'idrogeno hanno i loro nomi: 1 H - protio (H), 2 H - deuterio (D) e 3 H - trizio (radioattivo) (T).

Sostanza semplice idrogeno - H 2 - gas leggero incolore. È infiammabile ed esplosivo se miscelato con aria o ossigeno. Non tossico. Dissolviamo in etanolo e un certo numero di metalli: ferro, nichel, palladio, platino.

Storia

Il rilascio di gas combustibile durante l'interazione di acidi e metalli è stato osservato nei secoli XVI e XVII all'alba della formazione della chimica come scienza. Anche Mikhail Vasilyevich Lomonosov indicò direttamente la sua separazione, ma già rendendosi definitivamente conto che non era un flogisto. Il fisico e chimico inglese Henry Cavendish indagò su questo gas nel 1766 e lo chiamò "aria combustibile". Quando bruciava, l'"aria combustibile" produceva acqua, ma l'adesione di Cavendish alla teoria del flogisto gli impediva di trarre le conclusioni corrette. Il chimico francese Antoine Lavoisier, insieme all'ingegnere J. Meunier, utilizzando speciali contatori del gas, nel 1783 sintetizzò l'acqua, e poi la analizzò, decomponendo il vapore acqueo con il ferro rovente. Pertanto, ha stabilito che "l'aria combustibile" è parte dell'acqua e può essere ottenuta da essa.

origine del nome

Lavoisier diede all'idrogeno il nome hydrogène - "che dà vita all'acqua". Il nome russo "idrogeno" è stato proposto dal chimico M.F.

Prevalenza

L'idrogeno è l'elemento più abbondante nell'universo. Rappresenta circa il 92% di tutti gli atomi (l'8% sono atomi di elio, la quota di tutti gli altri elementi presi insieme è inferiore allo 0,1%). Pertanto, l'idrogeno è il principale costituente delle stelle e del gas interstellare. In condizioni di temperature stellari (ad esempio, la temperatura superficiale del Sole è ~ 6000 ° C), l'idrogeno esiste sotto forma di plasma; nello spazio interstellare, questo elemento esiste sotto forma di singole molecole, atomi e ioni e può formarsi nubi molecolari che differiscono significativamente per dimensioni, densità e temperatura.

La crosta terrestre e gli organismi viventi

La frazione di massa di idrogeno nella crosta terrestre è dell'1%: questo è il decimo elemento più abbondante. Tuttavia, il suo ruolo in natura non è determinato dalla massa, ma dal numero di atomi, la cui proporzione tra gli altri elementi è del 17% (secondo posto dopo l'ossigeno, la cui proporzione di atomi è ~ 52%). Pertanto, l'importanza dell'idrogeno nei processi chimici che avvengono sulla Terra è grande quasi quanto l'ossigeno. A differenza dell'ossigeno, che esiste sulla Terra sia allo stato legato che libero, praticamente tutto l'idrogeno sulla Terra è sotto forma di composti; nell'atmosfera è contenuta solo una piccolissima quantità di idrogeno sotto forma di sostanza semplice (0,00005% in volume).

L'idrogeno fa parte di quasi tutte le sostanze organiche ed è presente in tutte le cellule viventi. Nelle cellule viventi, l'idrogeno rappresenta quasi il 50% del numero di atomi.

Ricezione

I metodi industriali per ottenere sostanze semplici dipendono dalla forma in cui si trova l'elemento corrispondente in natura, cioè quali possono essere le materie prime per la sua produzione. Quindi, l'ossigeno, che è disponibile allo stato libero, è ottenuto con un metodo fisico, mediante separazione dall'aria liquida. Quasi tutto l'idrogeno è sotto forma di composti, quindi vengono utilizzati metodi chimici per ottenerlo. In particolare, possono essere utilizzate reazioni di decomposizione. Uno dei metodi per produrre idrogeno è la reazione di decomposizione dell'acqua mediante corrente elettrica.

Il principale metodo industriale per la produzione di idrogeno è la reazione del metano con l'acqua, che fa parte del gas naturale. Viene eseguito ad alta temperatura (è facile assicurarsi che non si verifichi alcuna reazione quando il metano viene fatto passare anche attraverso l'acqua bollente):

CH 4 + 2H 2 O = CO 2 + 4H 2 −165 kJ

In laboratorio, per ottenere sostanze semplici, non si utilizzano necessariamente materie prime naturali, ma selezionano quelle materie prime dalle quali è più facile isolare la sostanza richiesta. Ad esempio, in un laboratorio, l'ossigeno non si ottiene dall'aria. Lo stesso vale per la produzione di idrogeno. Uno dei metodi di laboratorio per la produzione di idrogeno, a volte utilizzato nell'industria, è la decomposizione dell'acqua con una corrente elettrica.

Di solito in laboratorio, l'idrogeno viene prodotto dall'interazione dello zinco con l'acido cloridrico.

Nell'industria

1. Elettrolisi di soluzioni acquose di sali:

2NaCl + 2H 2 O → H 2 + 2NaOH + Cl 2

2. Passaggio di vapore acqueo su coke incandescente ad una temperatura di circa 1000°C:

H2O+C? H2 + CO

3.Dal gas naturale.

Conversione a vapore:

CH 4 + H 2 O? CO + 3H 2 (1000°C)

Ossidazione catalitica con ossigeno:

2CH 4 + O 2? 2CO + 4H 2

4. Cracking e reforming di idrocarburi nel processo di raffinazione del petrolio.

In laboratorio

1.L'azione degli acidi diluiti sui metalli. Per eseguire una tale reazione, vengono spesso utilizzati zinco e acido cloridrico diluito:

Zn + 2HCl → ZnCl 2 + H 2

2.Interazione del calcio con l'acqua:

Ca + 2H 2 O → Ca (OH) 2 + H 2

3.Idrolisi degli idruri:

NaH + H 2 O → NaOH + H 2

4.L'azione degli alcali su zinco o alluminio:

2Al + 2NaOH + 6H 2 O → 2Na + 3H 2

Zn + 2KOH + 2H 2 O → K 2 + H 2

5.Per elettrolisi. Durante l'elettrolisi di soluzioni acquose di alcali o acidi, al catodo si sviluppa idrogeno, ad esempio:

2H 3 O + + 2e - → H 2 + 2H 2 O

Proprietà fisiche

L'idrogeno può esistere in due forme (modifiche) - sotto forma di orto e para-idrogeno. Molecola di ortoidrogeno o-H 2 (p.f. -259,10 ° C, bp. -252,56 ° C) gli spin nucleari sono diretti allo stesso modo (parallelo), P-H 2 (p.f. -259.32 ° C, bp. -252,89 ° C) - opposti l'uno all'altro (antiparallelo). Miscela di equilibrio o-H 2 e P-H 2 ad una data temperatura si chiama equilibrio idrogeno e-H 2.

Le modificazioni dell'idrogeno possono essere separate mediante adsorbimento su carbone attivo alla temperatura dell'azoto liquido. A temperature molto basse, l'equilibrio tra ortoidrogeno e paraidrogeno è quasi interamente spostato verso quest'ultimo. A 80 K, il rapporto delle forme è di circa 1: 1. Il paraidrogeno desorbito per riscaldamento viene convertito in ortoidrogeno fino a formare una miscela di equilibrio a temperatura ambiente (orto-coppia: 75:25). Senza un catalizzatore, la trasformazione avviene lentamente (in condizioni del mezzo interstellare - con tempi caratteristici fino a cosmologici), il che rende possibile studiare le proprietà delle singole modifiche.

L'idrogeno è il gas più leggero, è 14,5 volte più leggero dell'aria. Ovviamente, minore è la massa delle molecole, maggiore è la loro velocità alla stessa temperatura. Essendo le più leggere, le molecole di idrogeno si muovono più velocemente delle molecole di qualsiasi altro gas e quindi possono trasferire il calore più velocemente da un corpo all'altro. Ne consegue che l'idrogeno ha la più alta conduttività termica tra le sostanze gassose. La sua conduttività termica è circa sette volte superiore alla conduttività termica dell'aria.

La molecola di idrogeno è biatomica - 2. In condizioni normali, è un gas incolore, inodore e insapore. Densità 0,08987 g / l (n.u.), punto di ebollizione -252,76 ° C, calore specifico di combustione 120,9 × 10 6 J / kg, leggermente solubile in acqua - 18,8 ml / l. L'idrogeno è facilmente solubile in molti metalli (Ni, Pt, Pd, ecc.), specialmente nel palladio (850 volumi per 1 volume di Pd). La solubilità dell'idrogeno nei metalli è associata alla sua capacità di diffondersi attraverso di essi; la diffusione attraverso una lega carboniosa (es. acciaio) è talvolta accompagnata dalla distruzione della lega per interazione dell'idrogeno con il carbonio (cosiddetta decarbonizzazione). Praticamente insolubile in argento.

Idrogeno liquido esiste in un intervallo di temperatura molto ristretto da -252,76 a -259.2 ° C. È un liquido incolore, molto leggero (densità a -253°C 0,0708 g/cm3) e fluido (viscosità a -253°C 13,8 cpoise). I parametri critici dell'idrogeno sono molto bassi: la temperatura è -240,2°C e la pressione è 12,8 atm. Questo spiega le difficoltà nella liquefazione dell'idrogeno. Allo stato liquido, l'idrogeno di equilibrio è costituito da 99,79% di para-H 2, 0,21% di orto-H 2.

Idrogeno solido, punto di fusione -259,2 ° C, densità 0,0807 g / cm 3 (a -262 ° C) - massa simile alla neve, cristalli del sistema esagonale, gruppo spaziale P6 / mmc, parametri della cella un=3,75 C= 6.12. Ad alta pressione, l'idrogeno si trasforma in uno stato metallico.

isotopi

L'idrogeno si presenta sotto forma di tre isotopi, che hanno nomi individuali: 1 H - protium (H), 2 H - deuterio (D), 3 H - trizio (radioattivo) (T).

Il prozio e il deuterio sono isotopi stabili con numero di massa 1 e 2. Il loro contenuto in natura è, rispettivamente, 99,9885 ± 0,0070% e 0,0115 ± 0,0070%. Questo rapporto può variare leggermente a seconda della fonte e del metodo di produzione dell'idrogeno.

L'isotopo dell'idrogeno 3 H (trizio) è instabile. La sua emivita è di 12,32 anni. Il trizio si trova in natura in quantità molto piccole.

La letteratura contiene anche dati sugli isotopi dell'idrogeno con numero di massa 4-7 ed emivite di 10-22-10-23 s.

L'idrogeno naturale è costituito da molecole di H 2 e HD (deuteride di idrogeno) in un rapporto di 3200: 1. Il contenuto di puro deuterio idrogeno D 2 è ancora inferiore. Il rapporto tra le concentrazioni di HD e D2 è di circa 6400:1.

Di tutti gli isotopi degli elementi chimici, le proprietà fisiche e chimiche degli isotopi dell'idrogeno differiscono maggiormente l'una dall'altra. Ciò è dovuto al più grande cambiamento relativo nelle masse atomiche.

Deuterio e trizio hanno anche modificazioni orto e para: P-D 2, o-D 2, P-T 2, o-T 2. L'idrogeno eteroisotopico (HD, HT, DT) non ha modificazioni orto e para.

Proprietà chimiche

Frazione di molecole di idrogeno dissociate

Le molecole di idrogeno H 2 sono abbastanza forti e deve essere spesa molta energia affinché l'idrogeno reagisca:

H2 = 2H - 432 kJ

Pertanto, a temperature ordinarie, l'idrogeno reagisce solo con metalli molto attivi, ad esempio con il calcio, formando idruro di calcio:

Ca + H2 = CaH2

e con l'unico non metallo - fluoro, formando acido fluoridrico:

Con la maggior parte dei metalli e dei non metalli, l'idrogeno reagisce a temperature elevate o sotto altre influenze, ad esempio sotto l'illuminazione:

О 2 + 2Н 2 = 2Н 2 О

Può "prendere" ossigeno da alcuni ossidi, ad esempio:

CuO + H 2 = Cu + H 2 O

L'equazione scritta riflette le proprietà riducenti dell'idrogeno.

N 2 + 3H 2 → 2NH 3

Forma alogenuri di idrogeno con alogeni:

F 2 + H 2 → 2HF, la reazione procede con un'esplosione al buio e a qualsiasi temperatura,

Cl 2 + H 2 → 2HCl, la reazione procede con un'esplosione, solo alla luce.

Reagisce con la fuliggine sotto forte riscaldamento:

DO + 2H 2 → CH 4

Interazione con metalli alcalini e alcalino terrosi

Quando interagisce con metalli attivi, l'idrogeno forma idruri:

2Na + H2 → 2NaH

Ca + H2 → CaH2

Mg + H2 → MgH2

idruri- sostanze salate, solide, facilmente idrolizzate:

CaH 2 + 2H 2 O → Ca (OH) 2 + 2H 2

Interazione con ossidi metallici (solitamente elementi d)

Gli ossidi sono ridotti a metalli:

CuO + H 2 → Cu + H 2 O

Fe 2 O 3 + 3H 2 → 2Fe + 3H 2 O

WO 3 + 3H 2 → L + 3H 2 O

Idrogenazione di composti organici

L'idrogeno molecolare è ampiamente utilizzato nella sintesi organica per la riduzione dei composti organici. Questi processi sono chiamati reazioni di idrogenazione... Queste reazioni vengono condotte in presenza di un catalizzatore a pressione e temperatura elevate. Il catalizzatore può essere sia omogeneo (es. catalizzatore di Wilkinson) che eterogeneo (es. nichel Raney, palladio-carbonio).

Quindi, in particolare, durante l'idrogenazione catalitica di composti insaturi come alcheni e alchini, si formano composti saturi - alcani.

Geochimica dell'idrogeno

L'idrogeno libero H 2 è relativamente raro nei gas terrestri, ma sotto forma di acqua svolge un ruolo estremamente importante nei processi geochimici.

L'idrogeno può essere parte dei minerali sotto forma di ione ammonio, ione ossidrile e acqua cristallina.

Nell'atmosfera, l'idrogeno viene prodotto continuamente dalla decomposizione dell'acqua per radiazione solare. Avendo una piccola massa, le molecole di idrogeno hanno un'alta velocità di movimento di diffusione (è vicina alla seconda velocità cosmica) e, cadendo negli strati superiori dell'atmosfera, possono volare nello spazio.

Caratteristiche del trattamento

Se miscelato con l'aria, l'idrogeno forma una miscela esplosiva, il cosiddetto gas esplosivo. Questo gas è più esplosivo quando il rapporto volumetrico tra idrogeno e ossigeno è 2: 1, o idrogeno e aria è circa 2: 5, poiché l'aria contiene circa il 21% di ossigeno. Anche l'idrogeno è pericoloso per il fuoco. L'idrogeno liquido può causare gravi congelamenti se entra in contatto con la pelle.

Le concentrazioni esplosive di idrogeno con ossigeno derivano dal 4% al 96% in volume. Se miscelato con aria dal 4% al 75 (74)% in volume.

Economia

Il costo dell'idrogeno per le forniture all'ingrosso su larga scala oscilla nell'intervallo di $ 2-5 per kg.

Applicazione

L'idrogeno atomico viene utilizzato per la saldatura dell'idrogeno atomico.

Industria chimica

• Nella produzione di ammoniaca, metanolo, sapone e plastica
• Nella produzione di margarina da oli vegetali liquidi
• Registrato come additivo alimentare E949(gas di imballaggio)

Industria alimentare

Industria aeronautica

L'idrogeno è molto leggero e si alza sempre nell'aria. Una volta i dirigibili e i palloni venivano riempiti di idrogeno. Ma negli anni '30. XX secolo ci sono stati diversi disastri, durante i quali i dirigibili sono esplosi e bruciati. Al giorno d'oggi, i dirigibili sono pieni di elio, nonostante il suo costo significativamente più alto.

Carburante

L'idrogeno è usato come propellente.

Sono in corso ricerche sull'uso dell'idrogeno come carburante per auto e camion. I motori a idrogeno non inquinano l'ambiente ed emettono solo vapore acqueo.

Le celle a combustibile idrogeno-ossigeno utilizzano l'idrogeno per convertire direttamente l'energia da una reazione chimica in energia elettrica.

"idrogeno liquido"("LH") è uno stato liquido aggregato di idrogeno, con un basso peso specifico di 0,07 g / cm³ e proprietà criogeniche con un punto di congelamento di 14,01 K (-259,14 ° C) e un punto di ebollizione di 20,28 K (-252,87 ° C). È un liquido incolore e inodore che, se miscelato con l'aria, è classificato come esplosivo con un intervallo di infiammabilità del 4-75%. Il rapporto di spin degli isomeri nell'idrogeno liquido è: 99,79% - paraidrogeno; 0,21% - ortoidrogeno. Il coefficiente di espansione dell'idrogeno quando si cambia lo stato di aggregazione in gassoso è 848: 1 a 20 ° C.

Come con qualsiasi gas, la liquefazione dell'idrogeno porta ad una diminuzione del suo volume. Dopo la liquefazione, "LH" viene immagazzinato in contenitori termicamente isolati sotto pressione. Idrogeno liquido (rus. Idrogeno liquido, LH2, SX 2) è utilizzato attivamente nell'industria, come forma di stoccaggio del gas, e nell'industria spaziale, come combustibile per missili.

Storia

Il primo uso documentato del raffreddamento artificiale nel 1756 fu effettuato dallo scienziato inglese William Cullen, Gaspard Monge fu il primo ad ottenere lo stato liquido dell'ossido di zolfo nel 1784, Michael Faraday fu il primo ad ottenere l'ammoniaca liquefatta, l'inventore americano Oliver Evans fu il primo a sviluppare un compressore frigorifero nel 1805, Jacob Perkins fu il primo a brevettare una macchina di raffreddamento nel 1834 e John Gorey fu il primo brevetto statunitense a brevettare un condizionatore d'aria nel 1851. Werner Siemens propose il concetto di raffreddamento rigenerativo nel 1857, Karl Linde brevettò l'attrezzatura per la produzione di aria liquida utilizzando l'effetto di espansione Joule-Thomson a cascata e il raffreddamento rigenerativo nel 1876. Nel 1885, il fisico e chimico polacco Sigmund Wrobblewski pubblicò una temperatura critica di 33 K per l'idrogeno e una pressione critica di 13,3 atm. e un punto di ebollizione a 23 K. L'idrogeno fu liquefatto per la prima volta da James Dewar nel 1898 utilizzando la refrigerazione rigenerativa e la sua invenzione, la nave Dewar. La prima sintesi dell'isomero stabile dell'idrogeno liquido - paraidrogeno - fu effettuata da Paul Hartek e Karl Bonhoeffer nel 1929.

Isomeri di spin dell'idrogeno

L'idrogeno a temperatura ambiente è costituito principalmente dall'isomero di spin, l'ortoidrogeno. Dopo la produzione, l'idrogeno liquido è in uno stato metastabile e deve essere convertito in una forma paraidrogena per evitare la reazione esotermica esplosiva che si verifica quando cambia a basse temperature. La conversione alla fase paraidrogeno viene solitamente eseguita utilizzando catalizzatori come ossido di ferro, ossido di cromo, carbone attivo, amianto rivestito di platino, metalli delle terre rare o utilizzando additivi di uranio o nichel.

Utilizzo

L'idrogeno liquido può essere utilizzato come forma di stoccaggio del carburante per motori a combustione interna e celle a combustibile. Vari sottomarini (progetti 212A e 214, Germania) e concetti di trasporto dell'idrogeno sono stati creati utilizzando questa forma aggregata di idrogeno (vedi ad esempio "DeepC" o "BMW H2R"). A causa della vicinanza delle strutture, i creatori delle apparecchiature su "ZhV" possono utilizzare o modificare solo sistemi che utilizzano gas naturale liquefatto ("GNL"). Tuttavia, a causa della minore densità di energia apparente, la combustione richiede un volume di idrogeno maggiore rispetto al gas naturale. Se si utilizza idrogeno liquido al posto del "CNG" nei motori alternativi, di solito è necessario un sistema di alimentazione più ingombrante. Con l'iniezione diretta, le maggiori perdite di aspirazione riducono il riempimento del cilindro.

L'idrogeno liquido viene anche utilizzato per raffreddare i neutroni negli esperimenti di diffusione di neutroni. Le masse del neutrone e del nucleo di idrogeno sono praticamente uguali, quindi lo scambio di energia in un urto elastico è più efficace.

Vantaggi

Il vantaggio dell'utilizzo dell'idrogeno è l'"emissione zero" del suo utilizzo. Il prodotto della sua interazione con l'aria è l'acqua.

Ostacoli

Un litro di "ZhV" pesa solo 0,07 kg. Cioè, il suo peso specifico è 70,99 g / l a 20 K. L'idrogeno liquido richiede una tecnologia di stoccaggio criogenico, come speciali contenitori isolati termicamente, e richiede una manipolazione speciale, tipica di tutti i materiali criogenici. È vicino a questo riguardo all'ossigeno liquido, ma richiede maggiore cautela a causa del rischio di incendio. Anche con contenitori termoisolati, è difficile mantenerlo alla bassa temperatura necessaria per mantenerlo liquido (di solito evapora a una velocità dell'1% al giorno). Quando lo si maneggia, è inoltre necessario seguire le consuete precauzioni di sicurezza quando si lavora con l'idrogeno: è abbastanza freddo da liquefare l'aria, che è esplosiva.

Carburante per missili

L'idrogeno liquido è un componente comune dei combustibili per missili utilizzato per l'accelerazione dei jet di veicoli di lancio e veicoli spaziali. Nella maggior parte dei motori a razzo a propellente liquido alimentati a idrogeno, viene prima utilizzato per raffreddare in modo rigenerativo l'ugello e altre parti del motore, prima di essere miscelato con un ossidante e bruciato per produrre spinta. I moderni motori H 2 / O 2 usati consumano una miscela di carburante riarricchita, che si traduce in una parte di idrogeno incombusto nello scarico. Oltre ad aumentare l'impulso specifico del motore riducendo il peso molecolare, riduce ulteriormente l'erosione dell'ugello e della camera di combustione.

Tali ostacoli all'uso di "LH" in altre aree, come la natura criogenica e la bassa densità, sono anche un fattore limitante per l'uso in questo caso. Per il 2009, esiste un solo veicolo di lancio (LV "Delta-4"), che è interamente un razzo a idrogeno. Fondamentalmente, "ZhV" viene utilizzato sugli stadi superiori dei razzi o sui blocchi, che svolgono una parte significativa del lavoro per mettere il carico utile nello spazio nel vuoto. Come una delle misure per aumentare la densità di questo tipo di carburante, ci sono proposte per utilizzare l'idrogeno fangoso, cioè la forma semicongelata di "ZhV".

La precisione viene prima di tutto

La massa relativa dell'isotopo dell'idrogeno leggero è stata determinata con una precisione fantastica: 1.007276470 (se prendiamo la massa dell'isotopo del carbonio 12C pari a 12.0000000). Se, ad esempio, la lunghezza dell'equatore fosse misurata con tale precisione, l'errore non supererebbe i 4 cm!

Ma perché è necessaria una tale precisione? Dopotutto, ogni nuova figura richiede sempre più sforzi da parte degli sperimentatori ... Il segreto viene rivelato semplicemente: nuclei di protio, protoni, prendono parte a molte reazioni nucleari. E se sono note le masse dei nuclei che reagiscono e le masse dei prodotti di reazione, allora usando la formula, puoi calcolare il suo effetto energetico. E poiché gli effetti energetici anche delle reazioni nucleari sono accompagnati solo da un leggero cambiamento di massa, allora queste masse devono essere misurate nel modo più accurato possibile.

Effetti isotopici

Per molti anni, il deuterio e, più recentemente, il trizio sono stati ampiamente utilizzati poiché le differenze di massa o di radioattività degli atomi contrassegnati consentono di rilevarli e separarli e, dal punto di vista chimico, sono simili agli atomi di idrogeno ordinari. Per la maggior parte degli elementi, una variazione della massa del nucleo di una o più unità porta ad una variazione percentuale molto piccola del peso atomico, che determina solo un effetto indiretto della massa del nucleo sul comportamento chimico della materia; in generale , non è possibile rilevare una differenza chimica tra gli isotopi. Tuttavia, per gli elementi più leggeri B, C, N e soprattutto H, le reazioni con sostanze contenenti isotopi diversi dello stesso elemento procedono a velocità basse ma misurabilmente diverse. Questo spesso dà buoni risultati quando si studiano in dettaglio i meccanismi di reazione. La sostituzione del deuterio con l'idrogeno nei sistemi biologici può modificare significativamente i delicati processi di equilibrio. Nel caso del deuterio, questa differenza non è abbastanza grande da diminuire il suo valore come atomo etichettato, sebbene sia necessario prestare attenzione nell'interpretazione dei dati. Il trizio, tuttavia, è molto più pesante dell'idrogeno che non ci si può aspettare che un dato composto di trizio reagisca allo stesso modo della sua controparte di idrogeno. Tuttavia, si può ancora presumere che anche per l'idrogeno la chimica di tutti gli isotopi sia la stessa.

L'isotopo più leggero dell'idrogeno

Protium è il nome dell'isotopo più leggero dell'idrogeno, indicato dal simbolo. Il nucleo di protium è costituito da un protone, da cui il nome dell'isotopo.

Tabella 5.1.

Il protio costituisce il 99,9885 ± 0,0070% del numero totale di atomi di idrogeno nell'Universo ed è il nuclide più abbondante in natura tra gli isotopi di tutti gli elementi chimici. Non è un metallo. In condizioni normali arriva sempre allo stato gassoso, senza colore, sapore o odore, ma volendo l'idrogeno può essere portato allo stato liquefatto o solidificato, ma ciò richiede una temperatura incredibilmente bassa e una pressione molto alta.

L'idrogeno ha tre isotopi con numero di massa 1, 2 e 3.

L'isotopo più comune dell'idrogeno è il solito, a noi familiare, idrogeno " 1 H"Con un nucleo costituito da un solo protone. Non ci sono affatto neutroni in questo nucleo. Per impostazione predefinita, quando diciamo "idrogeno", significano proprio un tale isotopo, ma quando parliamo di diversi isotopi di idrogeno, il termine "idrogeno" sarà incomprensibile - se intendiamo questo isotopo senza neutroni o qualsiasi isotopo dell'idrogeno ... Pertanto, un tale isotopo ha il suo nome: " prozio».

Un altro isotopo presente in natura è “ deuterio» - « 2 ore". Il nucleo di deuterio è costituito da un protone e un neutrone. Il contenuto di deuterio in natura è molto piccolo - circa lo 0,01% di tutti gli atomi di idrogeno. Il deuterio è anche indicato per brevità con la lettera " D»

Il terzo isotopo - "trizio" - " 3 ore". Per brevità è anche indicato come “ T»

L'idrogeno si presenta naturalmente sotto forma di molecole H2 e HD in un rapporto di 3200:1.

Se prendiamo diversi elementi chimici e vediamo quanto fortemente differiscono le proprietà fisiche dei loro isotopi, vedremo che gli isotopi dell'idrogeno differiscono maggiormente l'uno dall'altro. Questo può essere facilmente spiegato, perché c'è un solo protone nel nucleo di idrogeno e l'aggiunta di un neutrone a un protone aumenta la massa del nucleo fino al 100%! Cioè, la massa del nucleo cambia molto fortemente, rispettivamente, e anche le proprietà fisiche cambiano notevolmente.

L'idrogeno è un elemento chimico con il simbolo H e numero atomico 1. Con un peso atomico standard di circa 1.008, l'idrogeno è l'elemento più leggero della tavola periodica. La sua forma monoatomica (H) è la sostanza chimica più abbondante nell'universo, rappresentando circa il 75% della massa totale del barione. Le stelle sono per lo più fatte di idrogeno allo stato di plasma. L'isotopo più comune dell'idrogeno, chiamato protium (questo nome è usato raramente, il simbolo 1H), ha un protone e nessun neutrone. L'apparizione onnipresente dell'idrogeno atomico avvenne per la prima volta nell'era della ricombinazione. A temperature e pressioni standard, l'idrogeno è un gas biatomico incolore, inodore, insapore, non tossico, non metallico e infiammabile con la formula molecolare H2. Poiché l'idrogeno forma facilmente legami covalenti con la maggior parte degli elementi non metallici, la maggior parte dell'idrogeno sulla Terra esiste in forme molecolari come acqua o composti organici. L'idrogeno svolge un ruolo particolarmente importante nelle reazioni acido-base perché la maggior parte delle reazioni acido-base implica lo scambio di protoni tra molecole solubili. Nei composti ionici, l'idrogeno può assumere la forma di una carica negativa (cioè anione), in cui è noto come idruro, o come specie di carica positiva (cioè catione) indicata dal simbolo H +. Il catione idrogeno è descritto come costituito da un semplice protone, ma in realtà i cationi idrogeno nei composti ionici sono sempre più complessi. Essendo l'unico atomo neutro per il quale l'equazione di Schrödinger può essere risolta analiticamente, l'idrogeno (cioè lo studio dell'energia e il legame del suo atomo) ha svolto un ruolo chiave nello sviluppo della meccanica quantistica. Il gas idrogeno è stato prodotto artificialmente per la prima volta all'inizio del XVI secolo dalla reazione di acidi con metalli. Nel 1766-81. Henry Cavendish è stato il primo a riconoscere che il gas idrogeno è una sostanza discreta e che produce acqua quando viene bruciato, motivo per cui è stato chiamato così: in greco idrogeno significa "produttore di acqua". La produzione industriale di idrogeno è principalmente associata alla conversione del vapore del gas naturale e, meno comunemente, a metodi più ad alta intensità energetica come l'elettrolisi dell'acqua. La maggior parte dell'idrogeno viene utilizzato vicino al luogo di produzione, con i due usi più comuni nella lavorazione dei combustibili fossili (ad es. idrocracking) e nella produzione di ammoniaca, principalmente per il mercato dei fertilizzanti. L'idrogeno è una preoccupazione nella metallurgia perché può indebolire molti metalli, rendendo difficile la progettazione di condutture e serbatoi di stoccaggio.

Proprietà

Combustione

Il gas idrogeno (diidrogeno o idrogeno molecolare) è un gas infiammabile che brucerà nell'aria in un intervallo di concentrazione molto ampio dal 4% al 75% in volume. L'entalpia di combustione è 286 kJ/mol:

2 H2 (g) + O2 (g) → 2 H2O (l) + 572 kJ (286 kJ / mol)

Il gas idrogeno forma miscele esplosive con l'aria in concentrazione dal 4-74% e con il cloro in concentrazione fino al 5,95%. Le reazioni esplosive possono essere provocate da scintille, calore o luce solare. La temperatura di autoaccensione dell'idrogeno, la temperatura di accensione spontanea nell'aria, è di 500°C (932°F). Le fiamme di puro idrogeno e ossigeno emettono radiazioni ultraviolette e con un'elevata miscela di ossigeno sono quasi invisibili ad occhio nudo, come evidenziato dal debole pennacchio del motore principale dello space shuttle rispetto al pennacchio altamente visibile dell'amplificatore a razzo solido dello space shuttle che utilizza un composito di perclorato di ammonio. Potrebbe essere necessario un rilevatore di fiamma per rilevare perdite di idrogeno in fiamme; tali perdite possono essere molto pericolose. La fiamma dell'idrogeno è blu in altre condizioni e ricorda la fiamma blu del gas naturale. L'affondamento del dirigibile Hindenburg è un noto esempio di combustione dell'idrogeno, e il caso è ancora in discussione. La fiamma arancione visibile in questo incidente è stata causata dall'esposizione a una miscela di idrogeno e ossigeno combinati con composti di carbonio dalla pelle del dirigibile. H2 reagisce con ogni elemento ossidante. L'idrogeno può reagire spontaneamente a temperatura ambiente con cloro e fluoro per formare i corrispondenti alogenuri di idrogeno, acido cloridrico e acido fluoridrico, anch'essi acidi potenzialmente pericolosi.

Livelli di energia degli elettroni

Il livello di energia dello stato fondamentale di un elettrone in un atomo di idrogeno è -13,6 eV, che equivale a un fotone ultravioletto con una lunghezza d'onda di circa 91 nm. I livelli energetici dell'idrogeno possono essere calcolati in modo abbastanza accurato utilizzando il modello dell'atomo di Bohr, che concettualizza l'elettrone come un protone "in orbita", simile all'orbita terrestre del Sole. Tuttavia, un elettrone atomico e un protone sono tenuti insieme dalla forza elettromagnetica, mentre i pianeti e gli oggetti celesti sono tenuti insieme dalla gravità. A causa della discretizzazione del momento angolare postulata nella prima meccanica quantistica da Bohr, un elettrone nel modello di Bohr può occupare solo determinate distanze consentite dal protone e quindi solo determinate energie consentite. Una descrizione più accurata dell'atomo di idrogeno proviene da un'elaborazione puramente meccanica quantistica che utilizza l'equazione di Schrödinger, l'equazione di Dirac o persino il circuito integrato di Feynman per calcolare la densità di probabilità di un elettrone attorno a un protone. I metodi di elaborazione più sofisticati consentono di ottenere piccoli effetti della teoria della relatività speciale e della polarizzazione del vuoto. Nella lavorazione quantistica, un elettrone in un atomo di idrogeno allo stato fondamentale non ha alcuna coppia, il che illustra come un'"orbita planetaria" differisca dal movimento di un elettrone.

Forme molecolari elementari

Esistono due diversi isomeri di spin delle molecole di idrogeno biatomico, che differiscono per lo spin relativo dei loro nuclei. Nella forma ortoidrogeno, gli spin dei due protoni sono paralleli e formano uno stato di tripletta con numero quantico di spin molecolare 1 (1/2 + 1/2); sotto forma di paraidrogeno, gli spin sono antiparalleli e formano un singoletto con numero quantico di spin molecolare 0 (1/2 1/2). A temperatura e pressione standard, il gas idrogeno contiene circa il 25% di para-forma e il 75% di orto-forma, nota anche come "forma normale". Il rapporto di equilibrio tra ortoidrogeno e paraidrogeno dipende dalla temperatura, ma poiché l'ortoforma è uno stato eccitato e ha un'energia maggiore della para-forma, è instabile e non può essere purificata. A temperature molto basse, lo stato di equilibrio è costituito quasi esclusivamente dalla para-forma. Le proprietà termiche delle fasi liquida e gassosa del paraidrogeno puro differiscono significativamente dalle proprietà della forma normale a causa delle differenze nelle capacità termiche rotazionali, che sono discusse in maggior dettaglio negli isomeri di spin dell'idrogeno. La differenza orto/coppia si verifica anche in altre molecole contenenti idrogeno o gruppi funzionali come l'acqua e il metilene, ma questo è di scarsa importanza per le loro proprietà termiche. L'interconversione non catalizzata tra vapore e orto H2 aumenta con l'aumentare della temperatura; così, l'H2 rapidamente condensato contiene grandi quantità della forma ortogonale ad alta energia, che viene convertita molto lentamente nella forma para. Il rapporto orto/vapore in H2 condensato è un fattore importante nella preparazione e conservazione dell'idrogeno liquido: la conversione da orto a vapore è esotermica e fornisce calore sufficiente per vaporizzare parte dell'idrogeno liquido, con conseguente perdita di materiale liquefatto. Per il raffreddamento con idrogeno vengono utilizzati catalizzatori di conversione orto-para come ossido di ferro, carbone attivo, amianto platinato, metalli delle terre rare, composti di uranio, ossido di cromo o alcuni composti di nichel.

Fasi

Gas idrogeno

Idrogeno liquido

Melma idrogeno

Idrogeno solido

Idrogeno metallico

Connessioni

Composti covalenti e organici

Sebbene l'H2 non sia molto reattivo in condizioni standard, forma composti con la maggior parte degli elementi. L'idrogeno può formare composti con elementi più elettronegativi, come gli alogeni (es. F, Cl, Br, I) o l'ossigeno; in questi composti l'idrogeno assume una parziale carica positiva. Quando è legato con fluoro, ossigeno o azoto, l'idrogeno può partecipare sotto forma di un legame non covalente di media forza con altre molecole simili, un fenomeno chiamato legame idrogeno che è fondamentale per la stabilità di molte molecole biologiche. L'idrogeno forma anche composti con elementi meno elettronegativi come metalli e metalloidi, dove assume una parziale carica negativa. Questi composti sono spesso noti come idruri. L'idrogeno forma una vasta gamma di composti con il carbonio, chiamati idrocarburi, e una varietà ancora maggiore di composti con eteroatomi, che, a causa del loro comune legame con gli esseri viventi, sono chiamati composti organici. Le loro proprietà sono studiate nella chimica organica e il loro studio nel contesto degli organismi viventi è noto come biochimica. Secondo alcune definizioni, i composti "organici" devono contenere solo carbonio. Tuttavia, la maggior parte di essi contiene anche idrogeno, e poiché è il legame carbonio-idrogeno che conferisce a questa classe di composti la maggior parte delle loro caratteristiche chimiche specifiche, i legami carbonio-idrogeno sono richiesti in alcune definizioni della parola "organico" in chimica. Sono noti milioni di idrocarburi e di solito sono formati da complesse vie sintetiche che raramente coinvolgono l'idrogeno elementare.

idruri

I composti dell'idrogeno sono spesso indicati come idruri. Il termine "idruro" implica che l'atomo di H ha acquisito un carattere negativo o anionico, designato H-, e viene utilizzato quando l'idrogeno forma un composto con un elemento più elettropositivo. L'esistenza dell'anione idruro, proposto da Gilbert N. Lewis nel 1916 per idruri contenenti sale dei gruppi 1 e 2, fu dimostrata da Moers nel 1920 mediante elettrolisi dell'idruro di litio fuso (LiH), producendo una quantità stechiometrica di idrogeno per anodo . Per gli idruri diversi dai metalli del Gruppo 1 e 2, questo termine è fuorviante data la bassa elettronegatività dell'idrogeno. Un'eccezione negli idruri del gruppo 2 è BeH2, che è polimerico. Nell'idruro di litio alluminio, l'anione AlH-4 trasporta centri di idruro saldamente attaccati ad Al (III). Sebbene gli idruri possano formarsi in quasi tutti gli elementi del gruppo basico, il numero e la combinazione dei possibili composti variano notevolmente; ad esempio, sono noti più di 100 idruri di borano binario e un solo idruro di alluminio binario. L'idruro di indio binario non è stato ancora identificato, sebbene esistano grandi complessi. Nella chimica inorganica, gli idruri possono anche fungere da leganti a ponte che legano due centri metallici in un complesso di coordinazione. Questa funzione è particolarmente caratteristica per gli elementi del gruppo 13, specialmente nei borani (idruri di boro) e nei complessi di alluminio, nonché nei carborani raggruppati.

Protoni e acidi

L'ossidazione dell'idrogeno rimuove il suo elettrone e dà H +, che non contiene elettroni e un nucleo, che di solito consiste in un protone. Questo è il motivo per cui H+ viene spesso chiamato protone. Questo punto di vista è centrale nella discussione sugli acidi. Secondo la teoria di Bronsted-Lowry, gli acidi sono donatori di protoni e le basi sono accettori di protoni. Un protone nudo, H+, non può esistere in soluzione o in cristalli ionici a causa della sua irresistibile attrazione verso altri atomi o molecole con elettroni. Fatta eccezione per le alte temperature associate al plasma, tali protoni non possono essere rimossi dalle nuvole di elettroni di atomi e molecole e rimarranno ad essi attaccati. Tuttavia, il termine "protone" è talvolta usato metaforicamente per riferirsi all'idrogeno caricato positivamente o cationico attaccato ad altre specie in questo modo, e come tale viene indicato come "H +" senza alcun significato che i singoli protoni esistano liberamente come specie . Per evitare la comparsa di un "protone solvatato" nudo in soluzione, a volte si pensa che le soluzioni acquose acide contengano una specie fittizia meno improbabile chiamata "ione idronio" (H 3 O +). Tuttavia, anche in questo caso, tali cationi idrogeno solvatati sono percepiti più realisticamente come cluster organizzati che formano specie vicine a H 9O + 4. Altri ioni ossonio si trovano quando l'acqua è in soluzione acida con altri solventi. Sebbene esotico sulla Terra, uno degli ioni più abbondanti nell'Universo è H + 3, noto come idrogeno molecolare protonato o catione triidrogeno.

isotopi

L'idrogeno ha tre isotopi naturali, designati 1H, 2H e 3H. Altri nuclei altamente instabili (da 4H a 7H) sono stati sintetizzati in laboratorio, ma non sono stati osservati in natura. 1H è l'isotopo dell'idrogeno più abbondante con una prevalenza di oltre il 99,98%. Poiché il nucleo di questo isotopo è costituito da un solo protone, gli viene dato un nome formale descrittivo ma raramente usato protium. 2H, un altro isotopo stabile dell'idrogeno, è noto come deuterio e contiene un protone e un neutrone nel suo nucleo. Si ritiene che tutto il deuterio nell'universo sia stato prodotto durante il Big Bang e sia esistito da allora. Il deuterio non è un elemento radioattivo e non presenta un rischio di tossicità significativo. L'acqua arricchita con molecole che includono deuterio invece del normale idrogeno è chiamata acqua pesante. Il deuterio e i suoi composti sono utilizzati come marcatore non radioattivo negli esperimenti chimici e nei solventi per la spettroscopia 1H-NMR. L'acqua pesante viene utilizzata come moderatore di neutroni e come refrigerante per i reattori nucleari. Il deuterio è anche un potenziale combustibile per la fusione nucleare commerciale. 3H è noto come trizio e contiene un protone e due neutroni nel suo nucleo. È radioattivo, decade in elio-3 attraverso il decadimento beta con un'emivita di 12,32 anni. È così radioattivo che può essere utilizzato nella vernice luminescente, il che lo rende utile nella realizzazione di orologi con quadrante luminoso, ad esempio. Il vetro impedisce la fuoriuscita di una piccola quantità di radiazioni. Una piccola quantità di trizio si forma naturalmente dall'interazione dei raggi cosmici con i gas atmosferici; il trizio è stato rilasciato anche durante i test sulle armi nucleari. Viene utilizzato nelle reazioni di fusione nucleare come indicatore della geochimica degli isotopi e in dispositivi di illuminazione autoalimentati specializzati. Il trizio è stato utilizzato anche in esperimenti di etichettatura chimica e biologica come etichetta radioattiva. L'idrogeno è l'unico elemento che ha nomi diversi per i suoi isotopi, oggi ampiamente utilizzati. Durante i primi studi sulla radioattività, vari isotopi radioattivi pesanti ricevettero i propri nomi, ma tali nomi non vengono più utilizzati, ad eccezione del deuterio e del trizio. I simboli D e T (invece di 2H e 3H) sono talvolta utilizzati per deuterio e trizio, ma il simbolo corrispondente per protium P è già utilizzato per fosforo e quindi non è disponibile per protium. Nelle sue linee guida sulla nomenclatura, l'Unione internazionale di chimica pura e applicata consente l'uso di qualsiasi carattere da D, T, 2H e 3H, sebbene siano preferiti 2H e 3H. L'atomo di muonio esotico (simbolo Mu), composto da un anti-muone e un elettrone, è talvolta considerato anche un radioisotopo leggero dell'idrogeno a causa della differenza di massa tra l'anti-muone e un elettrone, scoperto nel 1960. Durante la vita di un muone, 2,2 μs, il muonio può entrare in composti come il cloruro di muonio (MuCl) o il muonide di sodio (NaMu), analogamente all'acido cloridrico e all'idruro di sodio, rispettivamente.

Storia

Scoperta e utilizzo

Nel 1671, Robert Boyle scoprì e descrisse la reazione tra la limatura di ferro e gli acidi diluiti, che porta alla produzione di gas idrogeno. Nel 1766, Henry Cavendish fu il primo a riconoscere il gas idrogeno come una sostanza discreta, chiamando questo gas "aria infiammabile" a causa della sua reazione metallo-acido. Suggerì che "l'aria infiammabile" fosse praticamente identica a un'ipotetica sostanza chiamata "flogisto" e scoprì di nuovo nel 1781 che il gas produce acqua quando viene bruciato. Si ritiene che sia stato lui a scoprire l'idrogeno come elemento. Nel 1783, Antoine Lavoisier chiamò questo elemento idrogeno (dal greco ὑδρο-hydro che significa acqua e -γενής geni, che significa creatore), quando lui e Laplace riprodussero i dati di Cavendish secondo cui bruciare idrogeno produce acqua. Lavoisier ha prodotto idrogeno per i suoi esperimenti di conservazione di massa facendo reagire un flusso di vapore con ferro metallico attraverso una lampada a incandescenza riscaldata in un fuoco. L'ossidazione anaerobica del ferro da parte dei protoni dell'acqua ad alta temperatura può essere schematicamente rappresentata da un insieme delle seguenti reazioni:

Fe + H2O → FeO + H2

2 Fe + 3 H2O → Fe2O3 + 3 H2

3 Fe + 4 H2O → Fe3O4 + 4 H2

Molti metalli, come lo zirconio, subiscono una reazione simile con l'acqua per produrre idrogeno. L'idrogeno fu liquefatto per la prima volta da James Dewar nel 1898 utilizzando la refrigerazione rigenerativa e la sua invenzione, il pallone da vuoto. L'anno successivo, ha prodotto idrogeno solido. Il deuterio fu scoperto nel dicembre 1931 da Harold Urey e il trizio fu preparato nel 1934 da Ernest Rutherford, Mark Oliphant e Paul Harteck. L'acqua pesante, che consiste di deuterio invece del normale idrogeno, fu scoperta dal gruppo di Yurey nel 1932. François Isaac de Rivaz costruì il primo motore Rivaz, un motore a combustione interna alimentato da idrogeno e ossigeno, nel 1806. Edward Daniel Clarke inventò il tubo dell'idrogeno nel 1819. Il Doebereiner Flame (il primo accendino a tutti gli effetti) fu inventato nel 1823. La prima bombola di idrogeno fu inventata da Jacques Charles nel 1783. L'idrogeno ha fornito l'ascesa della prima forma affidabile di traffico aereo dopo l'invenzione del primo dirigibile a idrogeno di Henri Giffard nel 1852. Il conte tedesco Ferdinand von Zeppelin promosse l'idea di dirigibili rigidi sollevati in aria dall'idrogeno, che in seguito furono chiamati Zeppelin; il primo di questi decollò per la prima volta nel 1900. I voli di linea regolari iniziarono nel 1910 e allo scoppio della prima guerra mondiale nell'agosto 1914 avevano trasportato 35.000 passeggeri senza incidenti di rilievo. Durante la guerra, i dirigibili a idrogeno furono usati come piattaforme di osservazione e bombardieri. Il primo volo transatlantico non-stop fu effettuato dal dirigibile britannico R34 nel 1919. Il servizio passeggeri regolare riprese negli anni '20 e la scoperta di scorte di elio negli Stati Uniti avrebbe dovuto migliorare la sicurezza del volo, ma il governo degli Stati Uniti si rifiutò di vendere gas per questo scopo, quindi l'H2 fu utilizzato nel dirigibile Hindenburg, che fu distrutto nel un incendio a Milano nel New Jersey il 6 maggio 1937 L'incidente è stato trasmesso in diretta radiofonica e filmato. È stato ampiamente ipotizzato che l'accensione fosse dovuta a una perdita di idrogeno, ma ricerche successive indicano che il rivestimento in tessuto alluminato potrebbe incendiarsi con l'elettricità statica. Ma a quel punto, la reputazione dell'idrogeno come gas di sollevamento era già stata danneggiata. Nello stesso anno, il primo generatore a turbina raffreddato a idrogeno con gas idrogeno come refrigerante nel rotore e nello statore entrò in servizio nel 1937 a Dayton, Ohio, da Dayton Power & Light Co; A causa della conduttività termica del gas idrogeno, è oggi il gas più comune per l'uso in questo campo. La batteria al nichel-idrogeno è stata utilizzata per la prima volta nel 1977 a bordo dell'US Navigation Technology Satellite 2 (NTS-2). L'ISS, Mars Odyssey e Mars Global Surveyor sono tutti alimentati da batterie al nichel-idrogeno. Nella parte oscura della sua orbita, anche il telescopio spaziale Hubble è alimentato da batterie al nichel-idrogeno che sono state finalmente sostituite nel maggio 2009, più di 19 anni dopo il lancio e 13 anni dopo la loro progettazione.

Ruolo nella teoria quantistica

A causa della sua semplice struttura atomica, costituita solo da un protone e da un elettrone, l'atomo di idrogeno, insieme allo spettro di luce da esso creato o assorbito, è stato centrale nello sviluppo della teoria della struttura atomica. Inoltre, lo studio della corrispondente semplicità della molecola di idrogeno e del corrispondente catione H + 2 ha portato alla comprensione della natura del legame chimico, che è stata presto seguita dal trattamento fisico dell'atomo di idrogeno in meccanica quantistica a metà del 2020. Uno dei primi effetti quantistici che sono stati chiaramente osservati (ma non sono stati compresi all'epoca), c'è stata l'osservazione di Maxwell dell'idrogeno mezzo secolo prima che emergesse la teoria della meccanica quantistica completa. Maxwell ha notato che il calore specifico di H2 si allontana irreversibilmente da un gas biatomico al di sotto della temperatura ambiente e inizia ad assomigliare sempre più al calore specifico di un gas monoatomico a temperature criogeniche. Secondo la teoria dei quanti, questo comportamento deriva dalla distanza dei livelli (quantizzati) di energia rotazionale, che sono particolarmente ampiamente distanziati in H2 a causa della sua bassa massa. Questi livelli ampiamente distanziati impediscono un'equa divisione dell'energia termica in movimento rotatorio nell'idrogeno a basse temperature. I gas di diatomee, che sono costituiti da atomi più pesanti, non hanno livelli così distanziati e non mostrano lo stesso effetto. L'antiidrogeno è un analogo antimateriale dell'idrogeno. Consiste in un antiprotone con un positrone. L'antiidrogeno è l'unico tipo di atomo di antimateria prodotto a partire dal 2015.

Essere nella natura

L'idrogeno è l'elemento chimico più abbondante nell'Universo, rappresentando il 75% della materia normale in massa e oltre il 90% in numero di atomi. (La maggior parte della massa nell'universo, tuttavia, non è sotto forma di questo elemento chimico, ma si ritiene che abbia forme di massa non ancora scoperte, come la materia oscura e l'energia oscura.) Questo elemento si trova in grande abbondanza in stelle e giganti gassosi. Le nubi molecolari di H2 sono associate alla formazione stellare. L'idrogeno svolge un ruolo vitale nell'accendere le stelle attraverso la reazione protone-protone e la fusione nucleare del ciclo CNO. In tutto il mondo l'idrogeno si trova principalmente allo stato atomico e plasmatico con proprietà molto diverse da quelle dell'idrogeno molecolare. Essendo un plasma, l'elettrone e il protone dell'idrogeno non sono legati tra loro, il che si traduce in un'elevata conduttività elettrica e un'elevata emissività (generando luce dal sole e da altre stelle). Le particelle cariche sono fortemente influenzate dai campi magnetici ed elettrici. Ad esempio, nel vento solare, interagiscono con la magnetosfera terrestre, creando correnti e aurore di Birkeland. L'idrogeno è in uno stato atomico neutro nel mezzo interstellare. Si ritiene che grandi quantità di idrogeno neutro trovato nei sistemi Lyman-alfa smorzati dominino la densità barionica cosmologica dell'Universo fino al redshift z = 4. In condizioni normali sulla Terra, l'idrogeno elementare esiste come gas biatomico, H2. Tuttavia, il gas idrogeno è molto raro nell'atmosfera terrestre (1 ppm in volume) a causa della sua leggerezza, che rende più facile superare la gravità terrestre rispetto ai gas più pesanti. Tuttavia, l'idrogeno è il terzo elemento più abbondante sulla superficie terrestre, esiste principalmente sotto forma di composti chimici come idrocarburi e acqua. Il gas idrogeno è prodotto da alcuni batteri e alghe ed è un componente naturale del flauto, proprio come il metano, che è una fonte sempre più importante di idrogeno. Una forma molecolare chiamata idrogeno molecolare protonato (H + 3) si trova nel mezzo interstellare, dove viene generato ionizzando l'idrogeno molecolare dai raggi cosmici. Questo ione carico è stato osservato anche nell'atmosfera superiore del pianeta Giove. Lo ione è relativamente stabile nell'ambiente a causa della sua bassa temperatura e densità. H + 3 è uno degli ioni più abbondanti nell'Universo e svolge un ruolo di primo piano nella chimica del mezzo interstellare. L'idrogeno triatomico neutro H3 può esistere solo in forma eccitata ed è instabile. Al contrario, lo ione molecolare positivo dell'idrogeno (H + 2) è una molecola rara nell'universo.

Produzione di idrogeno

L'H2 è prodotto nei laboratori chimici e biologici, spesso come sottoprodotto di altre reazioni; nell'industria per l'idrogenazione di substrati insaturi; e in natura come mezzo per sostituire equivalenti riducenti nelle reazioni biochimiche.

Riforma a vapore

L'idrogeno può essere prodotto in diversi modi, ma i processi economicamente più importanti comportano la rimozione dell'idrogeno dagli idrocarburi, poiché circa il 95% della produzione di idrogeno nel 2000 proveniva dal reforming a vapore. Dal punto di vista commerciale, grandi volumi di idrogeno sono generalmente prodotti dal reforming a vapore del gas naturale. Ad alte temperature (1000-1400 K, 700-1100 ° C o 1300-2000 ° F), il vapore (vapore acqueo) reagisce con il metano per produrre monossido di carbonio e H2.

CH4 + H2O → CO + 3 H2

Questa reazione funziona meglio a basse pressioni, ma tuttavia può essere eseguita ad alte pressioni (2,0 MPa, 20 atm o 600 pollici di mercurio). Questo perché l'H2 ad alta pressione è il prodotto più popolare e i sistemi di pulizia con surriscaldamento a pressione funzionano meglio a pressioni più elevate. La miscela del prodotto è nota come "syngas" perché viene spesso utilizzata direttamente per produrre metanolo e composti correlati. Idrocarburi diversi dal metano possono essere utilizzati per produrre gas di sintesi con diversi rapporti di prodotto. Una delle tante complicazioni di questa tecnologia altamente ottimizzata è la formazione di coke o carbonio:

CH4 → C + 2 H2

Di conseguenza, il reforming a vapore utilizza tipicamente H2O in eccesso. L'idrogeno aggiuntivo può essere recuperato dal vapore usando monossido di carbonio attraverso una reazione di spostamento del gas d'acqua, specialmente usando un catalizzatore di ossido di ferro. Questa reazione è anche una comune fonte industriale di anidride carbonica:

CO + H2O → CO2 + H2

Altri metodi importanti per l'H2 includono l'ossidazione parziale degli idrocarburi:

2 CH4 + O2 → 2 CO + 4 H2

E la reazione del carbone, che può servire da preludio alla reazione di taglio sopra descritta:

C + H2O → CO + H2

A volte l'idrogeno viene prodotto e consumato nello stesso processo industriale, senza separazione. Nel processo Haber per la produzione di ammoniaca, l'idrogeno viene generato dal gas naturale. L'elettrolisi della salamoia per produrre cloro produce anche idrogeno come sottoprodotto.

acido metallico

In laboratorio, l'H2 viene solitamente prodotto facendo reagire acidi diluiti non ossidanti con alcuni metalli reattivi come lo zinco con un apparato Kipp.

Zn + 2 H + → Zn2 + + H2

L'alluminio può anche produrre H2 se trattato con basi:

2 Al + 6 H2O + 2 OH- → 2 Al (OH) -4 + 3 H2

L'elettrolisi dell'acqua è un modo semplice per produrre idrogeno. Una corrente a bassa tensione scorre attraverso l'acqua e all'anodo viene generato gas ossigeno, mentre al catodo viene generato gas idrogeno. Tipicamente, il catodo è costituito da platino o un altro metallo inerte nella produzione di idrogeno per lo stoccaggio. Se, invece, il gas deve essere bruciato in situ, la presenza di ossigeno è desiderabile per favorire la combustione, e quindi entrambi gli elettrodi saranno realizzati con metalli inerti. (Ad esempio, il ferro viene ossidato e quindi riduce la quantità di ossigeno rilasciato.) Il rendimento massimo teorico (energia elettrica utilizzata in relazione al valore energetico dell'idrogeno prodotto) è nell'intervallo 80-94%.

2 H2O (L) → 2 H2 (g) + O2 (g)

Una lega di alluminio e gallio sotto forma di granuli aggiunti all'acqua può essere utilizzata per produrre idrogeno. Questo processo produce anche ossido di alluminio, ma può essere riutilizzato il costoso gallio, che impedisce la formazione di pelle di ossido sui granuli. Ciò ha importanti implicazioni potenziali per l'economia dell'idrogeno, poiché l'idrogeno può essere prodotto localmente e non ha bisogno di essere trasportato.

Proprietà termochimiche

Esistono oltre 200 cicli termochimici che possono essere utilizzati per separare l'acqua, circa una dozzina di questi cicli, come il ciclo dell'ossido di ferro, il ciclo dell'ossido di cerio (IV), l'ossido di cerio (III), l'ossido di zinco e lo zinco, il ciclo dello zolfo e dello iodio, il rame ciclo, ecc. il cloro e il ciclo ibrido dello zolfo sono in fase di ricerca e sperimentazione per produrre idrogeno e ossigeno dall'acqua e dal calore senza l'uso di elettricità. Alcuni laboratori (compresi quelli in Francia, Germania, Grecia, Giappone e Stati Uniti) stanno sviluppando metodi termochimici per la produzione di idrogeno dall'energia solare e dall'acqua.

Corrosione anaerobica

In condizioni anaerobiche, le leghe di ferro e acciaio vengono lentamente ossidate dai protoni dell'acqua, mentre vengono ridotte in idrogeno molecolare (H2). La corrosione anaerobica del ferro porta prima alla formazione di idrossido di ferro (ruggine verde) e può essere descritta dalla seguente reazione: Fe + 2 H2O → Fe (OH) 2 + H2. A sua volta, in condizioni anaerobiche, l'idrossido di ferro (Fe (OH) 2) può essere ossidato dai protoni dell'acqua per formare magnetite e idrogeno molecolare. Questo processo è descritto dalla reazione di Shikorr: 3 Fe (OH) 2 → Fe3O4 + 2 H2O + H2 idrossido di ferro → magnesio + acqua + idrogeno. La magnetite ben cristallizzata (Fe3O4) è termodinamicamente più stabile dell'idrossido di ferro (Fe (OH) 2). Questo processo avviene durante la corrosione anaerobica del ferro e dell'acciaio nelle acque sotterranee anossiche e durante il ripristino dei suoli al di sotto della falda freatica.

Origine geologica: reazione di serpentinizzazione

In assenza di ossigeno (O2) in condizioni geologiche profonde prevalenti lontano dall'atmosfera terrestre, l'idrogeno (H2) si forma nel processo di serpentinizzazione per ossidazione anaerobica del silicato di ferro (Fe2+) da parte dei protoni dell'acqua (H+) presenti in il reticolo cristallino della fayalite (Fe2SiO4, minal olivina -ghiandola). La reazione corrispondente che porta alla formazione di magnetite (Fe3O4), quarzo (SiO2) e idrogeno (H2): 3Fe2SiO4 + 2 H2O → 2 Fe3O4 + 3 SiO2 + 3 H2 fayalite + acqua → magnetite + quarzo + idrogeno. Questa reazione è molto simile alla reazione di Schikorr osservata durante l'ossidazione anaerobica dell'idrossido di ferro a contatto con l'acqua.

Formazione nei trasformatori

Di tutti i gas pericolosi prodotti nei trasformatori di potenza, l'idrogeno è il più abbondante e si genera nella maggior parte delle condizioni di guasto; quindi, la formazione di idrogeno è un segno precoce di gravi problemi nel ciclo di vita di un trasformatore.

Applicazioni

Consumo in vari processi

Grandi quantità di H2 sono richieste nelle industrie petrolifere e chimiche. Per lo più, l'H2 è utilizzato per il trattamento ("modernizzazione") dei combustibili fossili e per la produzione di ammoniaca. Negli impianti petrolchimici, l'H2 viene utilizzato nell'idrodealchilazione, nell'idrodesolforazione e nell'idrocracking. H2 ha molti altri usi importanti. L'H2 è utilizzato come agente idrogenante, in particolare per aumentare il livello di saturazione di grassi e oli insaturi (presenti in articoli come la margarina) e nella produzione di metanolo. È anche una fonte di idrogeno nella produzione di acido cloridrico. L'H2 è anche usato come agente riducente per i minerali metallici. L'idrogeno è altamente solubile in molte terre rare e metalli di transizione ed è solubile sia in metalli nanocristallini che amorfi. La solubilità dell'idrogeno nei metalli dipende da distorsioni locali o impurità nel reticolo cristallino. Questo può essere utile quando l'idrogeno viene purificato passando attraverso dischi di palladio caldi, ma l'elevata solubilità del gas è un problema metallurgico, che contribuisce all'infragilimento di molti metalli, complicando la progettazione di tubazioni e serbatoi di stoccaggio. Oltre ad essere utilizzato come reagente, l'H2 ha una vasta gamma di applicazioni in fisica e tecnologia. Viene utilizzato come gas di protezione nei metodi di saldatura come la saldatura atomica a idrogeno. L'H2 è utilizzato come refrigerante del rotore nei generatori elettrici nelle centrali elettriche perché ha la più alta conduttività termica di tutti i gas. L'H2 liquido viene utilizzato nella ricerca criogenica, inclusa la ricerca sulla superconduttività. Poiché l'H2 è più leggero dell'aria, a poco più di 1/14 della densità dell'aria, un tempo era ampiamente utilizzato come gas di sollevamento in palloni e dirigibili. Nelle applicazioni più recenti, l'idrogeno viene utilizzato puro o miscelato con azoto (a volte chiamato gas di formazione) come gas indicatore per il rilevamento istantaneo delle perdite. L'idrogeno è utilizzato nei settori automobilistico, chimico, energetico, aerospaziale e delle telecomunicazioni. L'idrogeno è un additivo alimentare approvato (E 949) che consente il test di tenuta degli alimenti, oltre ad altre proprietà antiossidanti. Anche gli isotopi rari dell'idrogeno hanno usi specifici. Il deuterio (idrogeno-2) è utilizzato nelle applicazioni di fissione nucleare come moderatore di neutroni lenti e nelle reazioni di fusione nucleare. I composti di deuterio sono utilizzati nel campo della chimica e della biologia per studiare gli effetti isotopi di una reazione. Il trizio (idrogeno-3), prodotto nei reattori nucleari, viene utilizzato nella fabbricazione di bombe all'idrogeno, come marcatore di isotopi nelle scienze biologiche e come fonte di radiazioni nelle vernici incandescenti. Il triplo punto di equilibrio dell'idrogeno è il punto fisso che definisce nella scala di temperatura ITS-90 a 13,8033 Kelvin.

Mezzo di raffreddamento

L'idrogeno è comunemente usato nelle centrali elettriche come refrigerante nei generatori a causa di una serie di proprietà benefiche che sono un risultato diretto delle sue molecole biatomiche leggere. Questi includono bassa densità, bassa viscosità e il più alto calore specifico e conduttività termica di tutti i gas.

vettore energetico

L'idrogeno non è una risorsa energetica, se non nel contesto ipotetico di centrali elettriche a fusione commerciali che utilizzano deuterio o trizio, e questa tecnologia è attualmente lontana dall'essere sviluppata. L'energia del Sole deriva dalla fusione nucleare dell'idrogeno, ma questo processo è difficile da realizzare sulla Terra. L'idrogeno elementare proveniente da fonti solari, biologiche o elettriche richiede più energia per produrlo di quanta ne consumi durante la combustione, quindi in questi casi l'idrogeno funziona come vettore energetico, per analogia con una batteria. L'idrogeno può essere ottenuto da fonti fossili (come il metano), ma queste fonti sono esaurite. La densità di energia per unità di volume sia dell'idrogeno liquido che dell'idrogeno gassoso compresso a qualsiasi pressione praticamente ottenibile è significativamente inferiore a quella delle fonti energetiche tradizionali, sebbene la densità di energia per unità di massa di combustibile sia maggiore. Tuttavia, l'idrogeno elementare è stato ampiamente discusso nel contesto energetico come possibile futuro vettore energetico per l'intera economia. Ad esempio, il sequestro di CO2 seguito dalla cattura e dallo stoccaggio del carbonio può essere effettuato nel punto di produzione di H2 da combustibili fossili. L'idrogeno utilizzato nei trasporti brucerà in modo relativamente pulito, con alcune emissioni di NOx, ma nessuna emissione di carbonio. Tuttavia, il costo dell'infrastruttura associato a una conversione completa all'economia dell'idrogeno sarà notevole. Le celle a combustibile possono convertire idrogeno e ossigeno direttamente in elettricità in modo più efficiente rispetto ai motori a combustione interna.

Industria dei semiconduttori

L'idrogeno viene utilizzato per saturare i legami penzolanti del silicio amorfo e del carbonio amorfo, che aiuta a stabilizzare le proprietà del materiale. È anche un potenziale donatore di elettroni in vari materiali di ossido, tra cui ZnO, SnO2, CdO, MgO, ZrO2, HfO2, La2O3, Y2O3, TiO2, SrTiO3, LaAlO3, SiO2, Al2O3, ZrSiO4, HfSiO4 e SrZrO3.

Reazioni biologiche

L'H2 è un prodotto di alcuni tipi di metabolismo anaerobico ed è prodotto da diversi microrganismi, solitamente attraverso reazioni catalizzate da enzimi contenenti ferro o nichel chiamati idrogenasi. Questi enzimi catalizzano una reazione redox reversibile tra H2 e i suoi componenti, due protoni e due elettroni. La creazione di idrogeno gassoso avviene trasferendo in acqua gli equivalenti riducenti formatisi durante la fermentazione del piruvato. Il ciclo naturale di produzione e consumo di idrogeno da parte degli organismi è chiamato ciclo dell'idrogeno. La scissione dell'acqua, il processo mediante il quale l'acqua si scompone nei suoi costituenti protoni, elettroni e ossigeno, avviene nelle reazioni alla luce in tutti gli organismi fotosintetici. Diversi di questi organismi, tra cui le alghe Chlamydomonas Reinhardtii e i cianobatteri, hanno sviluppato un secondo stadio nelle reazioni oscure in cui i protoni e gli elettroni vengono ridotti per formare gas H2 da idrogenasi specializzate nel cloroplasto. Sono stati fatti tentativi per modificare geneticamente le idrasi dei cianobatteri per sintetizzare efficacemente il gas H2 anche in presenza di ossigeno. Sono stati compiuti sforzi anche utilizzando alghe geneticamente modificate in un bioreattore.