Il idrogeno È un elemento chimico che è rappresentato dal simbolo H. Il suo atomo è il più piccolo di tutti ed è con cui inizia la tavola periodica, indipendentemente da dove sia posizionata. È costituito da un gas incolore composto da molecole H biatomicheDue, e non da atomi di H isolati; come accade con i gas nobili He, Ne, Ar, tra gli altri.
Di tutti gli elementi, è forse il più emblematico ed eccezionale, non solo per le sue proprietà in condizioni terrestri o drastiche, ma per la sua immensa abbondanza e varietà dei suoi composti. L'idrogeno è un gas, sebbene inerte in assenza di fuoco, infiammabile e pericoloso; mentre l'acqua, H.DueOppure, è il solvente universale e la vita.
Di per sé, l'idrogeno non mostra alcuna particolarità visiva degna di ammirazione, essendo semplicemente un gas che viene immagazzinato in bombole o bottiglie rosse. Tuttavia, sono le sue proprietà e la capacità di legarsi a tutti gli elementi a rendere speciale l'idrogeno. E tutto questo, nonostante abbia un solo elettrone di valenza.
Se l'idrogeno non fosse immagazzinato nei suoi rispettivi cilindri, fuggirebbe nello spazio mentre gran parte di esso reagisce durante l'ascesa. E sebbene abbia una concentrazione molto bassa nell'aria che respiriamo, fuori dalla Terra e nel resto dell'Universo, è l'elemento più abbondante, presente nelle stelle e considerato la sua unità di costruzione..
Sulla Terra, invece, rappresenta circa il 10% della sua massa totale. Per visualizzare cosa significa, bisogna considerare che la superficie del pianeta è praticamente ricoperta di oceani e che l'idrogeno si trova nei minerali, nel petrolio greggio e in qualsiasi composto organico, oltre a far parte di tutti gli esseri viventi.
Come il carbonio, tutte le biomolecole (carboidrati, proteine, enzimi, DNA, ecc.) Hanno atomi di idrogeno. Pertanto, ci sono molte fonti per estrarlo o produrlo; tuttavia, pochi rappresentano metodi di produzione veramente redditizi.
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Sebbene nel 1671 Robert Boyle abbia assistito per la prima volta a un gas che si formava quando la limatura di ferro reagiva con gli acidi, fu lo scienziato britannico Henry Cavendish, nel 1766, a identificarlo come una nuova sostanza; l '"aria infiammabile".
Cavendish ha scoperto che quando questa aria presumibilmente infiammabile bruciava, veniva generata acqua. Sulla base del suo lavoro e dei suoi risultati, il chimico francese Antoine Lavoisier diede a questo gas il nome di idrogeno nel 1783. Etimologicamente il suo significato deriva dalle parole greche "idro" e "geni": formazione di acqua.
Poco dopo, nel 1800, gli scienziati americani William Nicholson e Sir Anthony Carlisle scoprirono che l'acqua può decomporsi in idrogeno e ossigeno; avevano trovato l'elettrolisi dell'acqua. Successivamente, nel 1838, il chimico svizzero Christian Friedrich Schoenbein introdusse l'idea di sfruttare la combustione dell'idrogeno per generare elettricità.
La popolarità dell'idrogeno era così grande che persino lo scrittore Jules Verne lo definì il carburante del futuro nel suo libro L'isola misteriosa (1874).
Nel 1899, il chimico scozzese James Dewar fu il primo a isolare l'idrogeno come gas liquefatto, essendo lui stesso quello in grado di raffreddarlo abbastanza da ottenerlo nella sua fase solida..
Da questo momento in poi, la storia dell'idrogeno presenta due canali. Da un lato, il suo sviluppo nel campo dei combustibili e delle batterie; e dall'altra, la comprensione della struttura del suo atomo e di come ha rappresentato l'elemento che ha aperto le porte alla fisica quantistica.
Gli atomi di idrogeno sono molto piccoli e hanno un solo elettrone per formare legami covalenti. Quando due di questi atomi si uniscono, danno origine a una molecola biatomica, H.Due; questo è l'idrogeno molecolare gassoso (immagine in alto). Ogni sfera bianca corrisponde a un singolo atomo di H e la sfera globale agli orbitali molecolari.
Quindi, l'idrogeno in realtà è costituito da molecole H.Due molto piccoli che interagiscono per mezzo delle forze di dispersione di Londra, poiché mancano di un momento di dipolo perché sono omonucleari. Pertanto, sono molto "irrequieti" e si diffondono rapidamente nello spazio poiché non ci sono forze intermolecolari abbastanza forti da rallentarli..
La configurazione elettronica dell'idrogeno è semplicemente 1s1. Questo orbitale, 1s, è il prodotto della risoluzione della famosa equazione di Schrödinger per l'atomo di idrogeno. Nella HDue due orbitali 1s si sovrappongono per formare due orbitali molecolari: uno di legame e uno anti-legame, secondo la teoria degli orbitali molecolari (TOM).
Questi orbitali consentono o spiegano l'esistenza di ioni H.Due+ o HDue-; tuttavia, la chimica dell'idrogeno è definita in condizioni normali da HDue o H ioni+ o H-.
Dalla configurazione elettronica per l'idrogeno, 1s1, i suoi possibili numeri di ossidazione sono molto facili da prevedere; tenendo presente, ovviamente, che l'orbitale 2s di energia superiore non è disponibile per i legami chimici. Pertanto, nello stato basale, l'idrogeno ha un numero di ossidazione di 0, H.0.
Se perde il suo unico elettrone, l'orbitale 1s rimane vuoto e si forma lo ione idrogeno o catione, H.+, altamente mobile in quasi tutti i mezzi liquidi; soprattutto l'acqua. In questo caso il suo numero di ossidazione è +1.
E quando accade il contrario, cioè guadagnando un elettrone, l'orbitale ora avrà due elettroni e diventerà 1sDue. Quindi il numero di ossidazione diventa -1 e corrisponde all'anione idruro, H.-. Vale la pena notare che l'H- è isoelettronico al gas nobile elio, He; cioè, entrambe le specie hanno lo stesso numero di elettroni.
In sintesi, i numeri di ossidazione dell'idrogeno sono: +1, 0 e -1 e la molecola H.Due conta come avere due atomi di idrogeno H0.
La fase preferita dell'idrogeno, almeno in condizioni terrestri, è quella gassosa, per i motivi precedentemente esposti. Tuttavia, quando le temperature diminuiscono nell'ordine di -200 ºC, o se la pressione aumenta di centinaia di migliaia di volte quella atmosferica, l'idrogeno può condensare o cristallizzare rispettivamente in una fase liquida o solida..
In queste condizioni le molecole HDue possono essere allineati in diversi modi per definire modelli strutturali. Le forze di dispersione di Londra diventano ora altamente direzionali e quindi appaiono geometrie o simmetrie adottate dalle coppie H.Due.
Ad esempio, due coppie HDue, è uguale a scrivere (H.Due)Due definire un quadrato simmetrico o asimmetrico. Nel frattempo, tre paia HDue, o (H.Due)3 definire un esagono, molto simile a quelli del carbonio nei cristalli di grafite. In effetti, questa fase esagonale è la fase principale o più stabile per l'idrogeno solido..
Ma cosa succederebbe se il solido fosse costituito non da molecole ma da atomi di H? Quindi avremmo a che fare con l'idrogeno metallico. Questi atomi di H, richiamando le sfere bianche, possono definire sia una fase liquida che un solido metallico..
L'idrogeno è un gas incolore, inodore e insapore. Pertanto, se c'è una perdita, rappresenta un rischio di esplosione..
-253 ºC.
-259 ºC.
Esplode praticamente a qualsiasi temperatura se c'è una scintilla o una fonte di calore vicino al gas, anche la luce solare può accendere l'idrogeno. Tuttavia, finché è ben conservato, è un gas scarsamente reattivo..
0,082 g / l. È 14 volte più leggero dell'aria.
1,62 mg / L a 21 ºC in acqua. È, in termini generali, insolubile nella maggior parte dei liquidi.
1.24 106 mmHg a 25 ° C. Questo valore dà un'idea di quanto devono essere chiuse le bombole di idrogeno per evitare la fuoriuscita di gas.
560vºC.
2.20 della scala Pauling.
-285,8 kJ / mol.
0,90 kJ / mol.
0,117 kJ / mol.
L'atomo di idrogeno "normale" è il protium, 1H, che costituisce circa il 99,985% dell'idrogeno. Gli altri due isotopi di questo elemento sono il deuterio, DueH e trizio, 3H. Questi differiscono nel numero di neutroni; il deuterio ha un neutrone, mentre il trizio ne ha due.
Esistono due tipi di idrogeno molecolare, H.Due: l'orto e il para. Nella prima, i due spin (del protone) degli atomi di H sono orientati nella stessa direzione (sono paralleli); mentre nella seconda i due giri sono in direzioni opposte (sono antiparalleli).
L'idrogeno-para è il più stabile dei due isomeri; ma con l'aumentare della temperatura, il rapporto orto: para diventa 3: 1, il che significa che l'isomero idrogeno-orto predomina sull'altro. A temperature molto basse (lontanamente vicino allo zero assoluto, 20K), è possibile ottenere campioni di idrogeno puro - per.
La nomenclatura per riferirsi all'idrogeno è una delle più semplici; sebbene non sia lo stesso per i suoi composti inorganici o organici. La HDue Può essere chiamato con i seguenti nomi oltre a "idrogeno":
-Idrogeno molecolare
-Diidrogeno
-Molecola di idrogeno biatomico.
Per lo ione H.+ i loro nomi sono protone o ione idrogeno; e se è in un mezzo acquoso, H.3O+, catione idronio. Mentre l'H ion- è l'anione idruro.
L'atomo di idrogeno è il più semplice di tutti ed è normalmente rappresentato come nell'immagine sopra: un nucleo con un solo protone (per il 1H), circondato da un elettrone che disegna un'orbita. Tutti gli orbitali atomici per gli altri elementi della tavola periodica sono stati costruiti e stimati su questo atomo..
Una rappresentazione più fedele all'attuale comprensione degli atomi sarebbe quella di una sfera la cui periferia è definita dall'elettrone e dalla nuvola probabilistica dell'elettrone (il suo orbitale 1s).
L'idrogeno è, anche se forse in misura minore rispetto al carbonio, l'elemento chimico che si può dire senza dubbio essere ovunque; nell'aria, che fa parte dell'acqua che riempie i mari, gli oceani e il nostro corpo, nel petrolio greggio e nei minerali, nonché nei composti organici che vengono assemblati per dare origine alla vita.
È sufficiente sfogliare qualsiasi libreria di composti per trovare gli atomi di idrogeno in essi..
La domanda non è tanto quanto ma come sia presente. Ad esempio, la molecola HDue è così volatile e reattivo sotto l'incidenza dei raggi solari, che è molto scarso nell'atmosfera; quindi, reagisce per unire altri elementi e guadagnare così stabilità.
Mentre più in alto nel cosmo, l'idrogeno si trova prevalentemente come atomi neutri, H..
L'idrogeno, infatti, è considerato, nella sua fase metallica e condensata, come l'elemento costitutivo delle stelle. Poiché ne esistono in quantità incommensurabili e, per la sua robustezza e le dimensioni colossali, rendono questo elemento il più abbondante dell'intero universo. Si stima che il 75% della materia nota corrisponda agli atomi di idrogeno.
Raccogliere atomi di idrogeno sciolti nello spazio sembra poco pratico ed estrarli dalle periferie del Sole, o nebulose, irraggiungibili. Sulla Terra, dove le sue condizioni costringono questo elemento ad esistere come H.Due, può essere prodotto da processi naturali o geologici.
Ad esempio, l'idrogeno ha un proprio ciclo naturale in cui alcuni batteri, microbi e alghe possono generarlo attraverso reazioni fotochimiche. Il ridimensionamento dei processi naturali e parallelamente a questi prevede l'utilizzo di bioreattori, dove i batteri si nutrono di idrocarburi per rilasciare l'idrogeno in essi contenuto.
Anche gli esseri viventi sono produttori di idrogeno, ma in misura minore. Se così non fosse, non sarebbe possibile spiegare come costituisca una delle componenti gassose della flatulenza; che si sono dimostrati eccessivamente infiammabili.
Infine, va ricordato che in condizioni anaerobiche (senza ossigeno), ad esempio negli strati sotterranei, i minerali possono reagire lentamente con l'acqua per produrre idrogeno. La reazione di Fayelita lo dimostra:
3FeDuesì4 + 2 hDueO → 2 Fe3O4 + 3 SiODue + 3 oreDue
Sebbene il bioidrogeno sia un'alternativa per generare questo gas su scala industriale, i metodi più utilizzati consistono praticamente nel "rimuovere" l'idrogeno dai composti che lo contengono, in modo che i suoi atomi si uniscano e formino HDue.
I metodi meno rispettosi dell'ambiente per produrlo consistono nel far reagire il coke (o carbone di legna) con vapore surriscaldato:
C (s) + HDueO (g) → CO (g) + HDue(g)
Allo stesso modo, il gas naturale è stato utilizzato per questo scopo:
CH4(g) + HDueO (g) → CO (g) + 3HDue(g)
E poiché le quantità di coke o gas naturale sono enormi, è vantaggioso produrre idrogeno mediante una di queste due reazioni..
Un altro metodo per ottenere l'idrogeno è applicare una scarica elettrica all'acqua per scomporla nelle sue parti elementari (elettrolisi):
2 hDueO (l) → 2 HDue(g) + ODue(g)
L'idrogeno molecolare può essere preparato in piccole quantità in qualsiasi laboratorio. Per fare ciò, un metallo attivo deve essere fatto reagire con un acido forte, in un becher o in una provetta. Il gorgogliamento osservabile è un chiaro segno della formazione di idrogeno, rappresentato dalla seguente equazione generale:
M (s) + nH+(ac) → Mn+(ac) + HDue(g)
Dove n è la valenza del metallo. Ad esempio, il magnesio reagisce con H.+ per produrre H.Due:
Mg (s) + 2H+(ac) → MgDue+(ac) + HDue(g)
I numeri di ossidazione da soli offrono un primo assaggio di come l'idrogeno partecipa alle reazioni chimiche. La HDue quando reagisce, può rimanere invariato o scindersi negli ioni H+ o H- a seconda di quale specie è legato; se sono più o meno elettronegativi di lui.
La HDue non è molto reattivo a causa della forza del suo legame covalente, H-H; Tuttavia, questo non è un impedimento assoluto per reagire e formare composti con quasi tutti gli elementi della tavola periodica..
La sua reazione più nota è con quella dell'ossigeno gassoso per produrre vapori d'acqua:
HDue(g) + ODue(g) → 2HDueO (g)
E tale è la sua affinità per l'ossigeno nel formare la molecola d'acqua stabile che può persino reagire con essa come anione O.Due- in alcuni ossidi metallici:
HDue(g) + CuO (s) → Cu (s) + HDueO (l)
Anche l'ossido d'argento reagisce o viene "ridotto" dalla stessa reazione:
HDue(g) + AgO (s) → Ag (s) + HDueO (l)
Queste reazioni dell'idrogeno corrispondono al tipo redox. Cioè, riduzione-ossidazione. L'idrogeno si ossida sia in presenza di ossigeno che degli ossidi metallici di metalli meno reattivi di esso; ad esempio, rame, argento, tungsteno, mercurio e oro.
Alcuni metalli possono assorbire idrogeno gassoso per formare idruri metallici, che sono considerati leghe. Ad esempio, i metalli di transizione come il palladio assorbono quantità significative di H.Due, essendo simile alle spugne metalliche.
Lo stesso accade con leghe metalliche più complesse. In questo modo l'idrogeno può essere immagazzinato con mezzi diversi dalle sue bombole..
Le molecole organiche possono anche “assorbire” l'idrogeno attraverso diversi meccanismi molecolari e / o interazioni..
Per i metalli, le molecole HDue sono circondati dagli atomi metallici all'interno dei loro cristalli; mentre nelle molecole organiche, il legame H-H si rompe per formare altri legami covalenti. In un senso più formalizzato: l'idrogeno non viene assorbito, ma viene aggiunto alla struttura.
L'esempio classico è l'aggiunta dell'HDue al doppio o triplo legame degli alcheni o degli alchini, rispettivamente:
C = C + HDue → H-C-C-H
C≡C + HDue → HC = CH
Queste reazioni sono anche chiamate idrogenazione..
L'idrogeno reagisce direttamente con gli elementi per formare una famiglia di composti chimici chiamati idruri. Ce ne sono principalmente di due tipi: salino e molecolare.
Allo stesso modo, ci sono gli idruri metallici, che sono costituiti dalle leghe metalliche già citate quando questi metalli assorbono idrogeno gassoso; e quelli polimerici, con reti o catene di legami E-H, dove E denota l'elemento chimico.
Negli idruri salini, l'idrogeno partecipa al legame ionico come l'anione idruro, H.-. Perché questo si formi, l'elemento deve essere necessariamente meno elettronegativo; altrimenti non cederebbe i suoi elettroni all'idrogeno.
Pertanto, gli idruri salini si formano solo quando l'idrogeno reagisce con metalli altamente elettropositivi, come alcali e alcalino terrosi..
Ad esempio, l'idrogeno reagisce con il sodio metallico per produrre idruro di sodio:
2Na (s) + HDue(g) → 2NaH (s)
O con bario per produrre idruro di bario:
Ba (s) + HDue(g) → BaHDue(S)
Gli idruri molecolari sono anche meglio conosciuti di quelli ionici. Sono anche chiamati alogenuri di idrogeno, HX, quando l'idrogeno reagisce con un alogeno:
ClDue(g) + HDue(g) → 2HCl (g)
Qui l'idrogeno partecipa al legame covalente come H.+; poiché, le differenze tra le elettronegatività tra entrambi gli atomi non sono molto grandi.
La stessa acqua può essere considerata un idruro di ossigeno (o ossido di idrogeno), la cui reazione di formazione è già stata discussa. Molto simile è la reazione con lo zolfo per dare idrogeno solforato, un gas maleodorante:
S (s) + HDue(g) → HDueS (g)
Ma di tutti gli idruri molecolari il più famoso (e forse il più difficile da sintetizzare) è l'ammoniaca:
NDue(g) + 3HDue(g) → 2NH3(g)
Nella sezione precedente era già stato affrontato uno dei principali utilizzi dell'idrogeno: come materia prima per lo sviluppo di sintesi, inorganica o organica. Il controllo di questo gas di solito non ha altro scopo che farlo reagire per creare composti diversi da quelli da cui è stato estratto..
- È uno dei reagenti per la sintesi dell'ammoniaca, che a sua volta trova infinite applicazioni industriali, a partire dalla produzione di fertilizzanti, anche come materiale per azotati..
- È destinato a reagire con il monossido di carbonio e quindi a produrre in modo massiccio metanolo, un reagente molto importante nei biocarburanti..
- È un agente riducente per alcuni ossidi metallici, quindi viene utilizzato nella riduzione metallurgica (già spiegato nel caso del rame e altri metalli).
- Riduci i grassi o gli oli per produrre la margarina.
Nell'industria petrolifera, l'idrogeno viene utilizzato per "idrotrattare" il petrolio greggio nei processi di raffinazione..
Ad esempio, cerca di frammentare molecole grandi e pesanti in piccole molecole con una maggiore domanda nel mercato (hydrocracking); rilasciare i metalli intrappolati nelle gabbie della petroporfirina (idrodemetallizzazione); rimuovere gli atomi di zolfo come HDueS (idrodesolforazione); o ridurre i doppi legami per creare miscele ricche di paraffina.
L'idrogeno stesso è un ottimo carburante per razzi o veicoli spaziali, poiché piccole quantità di esso, quando reagiscono con l'ossigeno, rilasciano enormi quantità di calore o energia.
Su scala ridotta, questa reazione viene utilizzata per la progettazione di celle o batterie a idrogeno. Tuttavia, queste cellule affrontano le difficoltà di non essere in grado di immagazzinare correttamente questo gas; e la sfida di diventare completamente indipendenti dalla combustione di combustibili fossili.
Il lato positivo è che l'idrogeno utilizzato come combustibile rilascia solo acqua; al posto dei gas che rappresentano mezzi di inquinamento per l'atmosfera e gli ecosistemi.
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