Idrogeno - H
L'idrogeno (H) è l'elemento chimico più leggero. A temperature e pressioni ordinarie, l'idrogeno elementare è un gas incolore e inodore costituito da molecole di H2.
Proprietà e reazioni · Usi e produzione · Salute e sicurezza · Ambiente e acqua
| Numero atomico | 1 |
|---|---|
| Peso atomico standard | [1,00784; 1,00811]; circa 1,008 per i calcoli generali |
| Massa molare di H2 | Circa 2.016 g mol−1 |
| Elettronegatività (scala di Pauling) | 2.20 |
| Densità del gas a 20 °C e 1 atm | Circa 0,0838 g L−1 (stima per gas ideale relativa a H2) |
| Punto di fusione dell'H2 | −259,16 °C |
| Punto di ebollizione dell'H2 | −252,879 °C |
| Raggio atomico non legato | 0,110 nm |
| Isotopi stabili | 1H (prozio) e 2H (deuterio) |
| Isotopo radioattivo | 3H (trizio) |
| Configurazione elettronica dell'H | 1s1 |
| Prima energia di ionizzazione | 1312,1 kJ mol−1 |
| Scoperta | Henry Cavendish, 1766 |
Fonti dei dati sulle proprietà: Royal Society of Chemistry e CIAAW. Le temperature di transizione di fase si riferiscono all'idrogeno molecolare a una pressione prossima a quella atmosferica. La densità del gas è stata calcolata con ρ = pM/(RT), utilizzando 20 °C, 101,325 kPa e M = 2,016 g mol−1. La densità effettiva dipende da temperatura, pressione e composizione del gas.
Proprietà e reazioni dell'idrogeno
Un atomo di idrogeno neutro ha un protone e un elettrone. Il prozio e il deuterio sono stabili; il trizio è radioattivo. Le abbondanze isotopiche variano a seconda dei materiali, quindi la massa di un singolo isotopo non deve essere confusa con il peso atomico standard dell'idrogeno.
L'idrogeno è presente nell'acqua e nei composti organici ed è l'elemento più abbondante nell'universo. Il gas è molto meno denso dell'aria. L'idrogeno atomico (H) e l'idrogeno molecolare (H2) hanno reattività diverse; le descrizioni dell'idrogeno atomico non si applicano automaticamente al comune idrogeno gassoso.
L'idrogeno reagisce con l'ossigeno formando acqua e liberando energia. Una scintilla, il calore o un catalizzatore adatto possono innescare la reazione, e le miscele idrogeno-aria possono incendiarsi o esplodere:
2H2 + O2 → 2H2O
Usi e produzione
L'idrogeno è utilizzato nella raffinazione del petrolio, nella produzione di ammoniaca e di altre sostanze chimiche, nel trattamento dei metalli e nella lavorazione degli alimenti. Le raffinerie lo utilizzano per ridurre lo zolfo nei combustibili e nell'idrocracking. È utilizzato anche come combustibile per razzi e nelle celle a combustibile che producono elettricità.
L'idrogeno è un vettore energetico: per produrlo da materie prime come il gas naturale o l'acqua occorre energia. L'elettrolisi dell'acqua utilizza l'elettricità per scindere l'acqua in idrogeno e ossigeno:
2H2O → 2H2 + O2
Una cella a combustibile alimentata a idrogeno produce elettricità, acqua e calore senza combustione. Questo risultato nel punto di utilizzo non descrive l'intera impronta ambientale. Le emissioni dipendono dalla produzione dell'idrogeno, dalla fornitura di elettricità e dalla filiera nel suo complesso. La combustione dell'idrogeno nell'aria può inoltre produrre ossidi di azoto (NOx), anche se l'idrogeno stesso non contiene carbonio.
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Effetti dell'idrogeno sulla salute e manipolazione sicura
L'idrogeno gassoso è estremamente infiammabile e può spostare l'ossigeno. Sebbene non sia chimicamente tossico, una perdita in uno spazio confinato può creare un'atmosfera povera di ossigeno e causare perdita di coscienza o morte. L'assenza di odore non fornisce alcun segnale di avvertimento.
L'idrogeno si incendia facilmente e la sua fiamma può essere difficile da vedere. La ventilazione, un sistema idoneo di rilevamento delle perdite di idrogeno e un adeguato sistema di rilevamento della fiamma sono importanti misure tecniche di controllo. Il monitoraggio dell'ossigeno valuta un pericolo diverso e non deve essere considerato un sostituto del rilevamento dell'idrogeno.
Il gas compresso comporta rischi legati alla pressione; l'idrogeno liquido e il gas molto freddo possono causare congelamento dei tessuti. Alcuni metalli possono subire infragilimento da idrogeno, perciò la compatibilità dei materiali è importante nei serbatoi di stoccaggio, nelle tubazioni e nelle apparecchiature di processo.
Le procedure di manipolazione e di emergenza devono seguire la scheda di dati di sicurezza del fornitore e le procedure del sito. Non entrare in un'area in cui si sospetta una carenza di ossigeno per tentare un soccorso senza protezione. Richiedere assistenza d'emergenza in seguito a un'esposizione significativa o a una lesione da contatto con sostanze molto fredde.
L'idrogeno nell'ambiente e nell'acqua
L'idrogeno legato nell'acqua o nella materia organica è diverso dall'H2 gassoso libero. La produzione di idrogeno non è automaticamente priva di emissioni di carbonio: i processi basati sui combustibili fossili e la produzione di elettricità possono generare emissioni considerevoli. Le fughe di idrogeno possono inoltre influire su altri gas atmosferici e contribuire indirettamente al riscaldamento globale; per questo è importante controllarle.
Rilevanza per il trattamento delle acque
Il pH riguarda gli ioni idrogeno, non l'idrogeno gassoso disciolto. È definito in termini di attività degli ioni idrogeno in soluzione. H+ è una notazione abbreviata per gli ioni idrogeno idratati nell'acqua; aggiungere o rimuovere H2 gassoso non equivale a dosare un acido o un alcali.
L'elettrolisi dell'acqua collega direttamente l'approvvigionamento idrico alla produzione di idrogeno. La reazione consuma circa 9 kg di acqua per kg di idrogeno su base stechiometrica, secondo un calcolo basato sulle masse molari. Si tratta del fabbisogno della reazione, non del consumo idrico complessivo di un impianto: non comprende le perdite dovute al trattamento, il raffreddamento e gli altri usi dell'acqua nel sito.
Per i sistemi acquatici, occorre valutare la sostanza effettivamente presente e le condizioni dell'acqua. Gli effetti associati al pH, alla disponibilità di ossigeno o ai contaminanti non si possono dedurre dal solo nome dell'elemento.
Schede di altri elementi: argento, rame, piombo, bismuto, mercurio, sodio, platino e nichel.
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Fonti e approfondimenti
- RSC: proprietà, isotopi e storia dell'idrogeno.
- CIAAW: peso atomico e composizione isotopica dell'idrogeno.
- EIA statunitense: usi industriali e celle a combustibile.
- Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti: produzione di idrogeno mediante elettrolisi.
- Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti: uso dell'idrogeno ed emissioni di ossidi di azoto.
- IEA: emissioni di gas serra della produzione di idrogeno.
- ILO/WHO: scheda internazionale di sicurezza chimica 0001 — idrogeno.
- Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti: uso sicuro dell'idrogeno.
- Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti: sicurezza dell'idrogeno, infragilimento e fughe.
- IUPAC Gold Book: definizione del pH.