L’idrogeno: proprietà, preparazione e usi

L’ idrogeno è il più leggero e il più semplice degli elementi: presenta alto potenziale di ionizzazione e bassa affinità elettronica caratteristiche che lo differenziano da tutti gli altri elementi. L’idrogeno non si trova libero in natura, ma è l’elemento più abbondante nell’universo essendo essenzialmente costituiti di idrogeno i corpi celesti e il gas interstellare.

Sulla Terra è particolarmente abbondante allo stato combinato sotto forma di acqua, minerali, idrocarburi e sostanze organiche in generale. L ’idrogeno elementare si presenta sotto forma di molecola biatomica.

E’ un gas incolore e inodore e segue molto bene le leggi dei gas ideali.

Grandezze chimico-fisiche

Sono riportate in tabella alcune delle grandezze chimico-fisiche dell’idrogeno atomico e molecolare.

Sono noti tre isotopi dell’idrogeno : ¹H protio, ²H deuterio, ³H tritio. Il nucleo del protio è costituito da un solo protone, quelli del deuterio e del tritio contengono rispettivamente uno e due neutroni. Il deuterio ha velocità di reazione più lente rispetto all’idrogeno.

Questa proprietà si riscontra anche nell’elettrolisi dell’acqua in cui il deuterio si separa meno facilmente dell’idrogeno, arricchendo l’acqua residua in D₂O. si può quindi ottenere l’acqua pesante quasi pura per concentrazione mediante elettrolisi. La più importante utilizzazione tecnologica dell’acqua pesante è quella di moderatore dei neutroni nei reattori nucleari.

Preparazione dell’idrogeno

L’idrogeno si ottiene riducendo i suoi composti con vari metodi. Dall’acqua pura sono in grado di liberare idrogeno tutte le coppie ossidoriduttive con potenziale normale di riduzione più negativo di – 0.414 V ; per esempio :

Ca + 2 H₂O→ Ca(OH)₂ + H₂

per altri metalli è necessario operare a temperature elevate come nel caso del ferro che reagisce come segue:

3 Fe + 4 H₂O → 4 H₂ + Fe₃O₄

Lo zinco, in presenza di acidi forti quali HCl e H₂SO₄ diluiti, dà luogo alla reazione:
Zn + 2 HCl → ZnCl₂ + H₂   e   Zn + H₂SO₄ →ZnSO₄ + H₂

Alcuni metalli elettropositivi a comportamento anfotero, come alluminio, zinco e stagno, si sciolgono in soluzioni di basi forti liberando idrogeno e formando idrossimetallati:

2 Al + 2 OH^– + 6 H₂O → 3 H₂ + 2 [Al(OH)₄^–]

Analoga reazione dà il silicio:

Si + 4 OH^– → 2 H₂ + SiO₄^2-

I metodi industriali di preparazione sono diversi. Nel processo detto del gas d’acqua si fa reagire coke e vapore acqueo a circa 1000°C secondo la reazione endotermica:

C + H₂O → CO + H₂

Ulteriore idrogeno si può ottenere mediante conversione del monossido di carbonio a 400°C circa, facendo passare la miscela gassosa su catalizzatori a base di ossido di ferro, cromo e cobalto. Avviene la reazione:

CO + H₂O → CO₂ + H₂

Grandi quantità di idrogeno vengono prodotte durante i processi di cracking catalitico degli idrocarburi in cui le specie paraffiniche si trasformano in idrocarburi meno idrogenati di tipo insaturo e aromatico. Inoltre, partendo dagli idrocarburi residui del cracking e vapore d’acqua inviati su catalizzatori di nichel a circa 800°C, si hanno reazioni schematizzabili come segue:

C₃H₆ + 3 H₂O → 3 CO + 6 H₂

Un’altra fonte di idrogeno molto puro è costituita dall’elettrolisi di soluzioni acquose di cloruro di sodio in cui si produce anche cloro e idrossido di sodio.

Reazioni

L’idrogeno molecolare H₂ non è molto reattivo a causa della stabilità della molecola che richiede elevate energie di attivazione per reagire. Si combina spontaneamente ed esplosivamente solo con il fluoro; le reazioni con altri elementi elettronegativi hanno bisogno di essere innescate, ma una volta avviate procedono con meccanismi a catena. La miscela stechiometrica 2 H₂/ O₂ è detta miscela tonante e la reazione è fortemente esotermica:

2 H₂ + O₂ → 2 H₂O   ΔH = – 116 kcal

in cui ΔH rappresenta la variazione di entalpia. La miscela tonante è utilizzata nella fiamma ossidrica usata per saldature. Molto più reattivo è l’idrogeno atomico prodotto per rottura della molecola mediante calore o radiazioni. L’idrogeno è un agente riducente più energico di quello molecolare, per esempio è in grado di ridurre il solfato di bario a solfuro:

BaSO₄ + 8 H → BaS + 4 H₂O

Usi

L’idrogeno trova i suoi principali usi industriali in numerose reazioni di idrogenazione catalitica, per esempio:

N₂ + 3 H₂ ⇌ 2 NH₃

CO + 2 H₂ ⇌ CH₃OH

RCH=CH₂ + CO + H₂ → RCH₂CH₂CHO

L’idrogeno è in grado di combinarsi con quasi tutti gli elementi dando composti binari detti genericamente idruri le cui proprietà variano molto a seconda degli elementi.