Che forma può avere l' idrogeno sulla Terra?
doc-7644
L' emergere universale dell' idrogeno atomico si è verificato per la prima volta durante l' epoca della ricombinazione. A temperatura e pressione standard, l' idrogeno è un gas diatomico incolore, inodore, insapore, non tossico, non metallico, altamente combustibile con formula molecolare H2. Poiché l' idrogeno forma facilmente composti covalenti con la maggior parte degli elementi non metallici, la maggior parte dell' idrogeno sulla Terra esiste in forma molecolare, ad esempio sotto forma di acqua o composti organici. L' idrogeno svolge un ruolo particolarmente importante nelle reazioni acido-base, in quanto molte reazioni acido-base comportano lo scambio di protoni tra molecole solubili. Nei composti ionici, l' idrogeno può assumere la forma di una carica negativa (cioè anione) quando è noto come idruro, o come specie a carica positiva (cioè catione) indicata dal simbolo H+. Il catione idrogeno è scritto come se fosse composto da un protone nudo, ma in realtà, i cationi di idrogeno nei composti ionici sono sempre specie più complesse di quanto ciò suggerirebbe. Come unico atomo neutro per il quale l' equazione di Schrödinger può essere risolta analiticamente, lo studio dell' energia e del legame dell' atomo di idrogeno ha svolto un ruolo chiave nello sviluppo della meccanica quantistica.
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doc-7696
L' idrogeno rappresenta un certo numero di pericoli per la sicurezza umana, da potenziali detonazioni e incendi se mescolato con l' aria fino ad essere un asfissiante nella sua forma pura e priva di ossigeno. Inoltre, l' idrogeno liquido è un criogeno e presenta pericoli (come il congelamento) associati a liquidi molto freddi. L' idrogeno si scioglie in molti metalli e, oltre a fuoriuscire, può avere effetti negativi su di essi, come l' infragilimento dell' idrogeno, che porta a crepe ed esplosioni. La fuoriuscita di gas idrogeno nell' aria esterna può innescarsi spontaneamente. Inoltre, il fuoco da idrogeno, pur essendo estremamente caldo, è quasi invisibile e può provocare ustioni accidentali.
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doc-7653
Sebbene 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 alogeni (ad esempio F, Cl, Br, I) o ossigeno; in questi composti l' idrogeno assume una carica parziale positiva. Quando legato a fluoro, ossigeno o azoto, l' idrogeno può partecipare in una forma di legame non covalente di media resistenza con altre molecole simili tra i loro idrogeni 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, nei quali assume una carica negativa parziale. Questi composti sono spesso noti come idruri.
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doc-7673
In condizioni normali sulla Terra, l' idrogeno elementare esiste come gas diatomico, H2. Tuttavia, l' idrogeno gassoso è molto raro nell' atmosfera terrestre (1 ppm in volume) a causa del suo peso leggero, che gli permette di sfuggire alla gravità terrestre più facilmente dei gas più pesanti. Tuttavia, l' idrogeno è il terzo elemento più abbondante sulla superficie terrestre, soprattutto sotto forma di composti chimici come idrocarburi e acqua. L' idrogeno gassoso è prodotto da alcuni batteri e alghe ed è un componente naturale del flatus, così come il metano, esso stesso fonte di idrogeno di crescente importanza.
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doc-7652
Esistono due isomeri di spin diversi delle molecole diatomiche dell' idrogeno che differiscono per lo spin relativo dei loro nuclei. Nella forma ortoidrogeno, le rotazioni dei due protoni sono parallele e formano uno stato di terzina con un quantico di spin molecolare di 1 (1?2+1?2?2); nella forma paraidrogeno le rotazioni sono antiparallele e formano una singola con un quantico di spin molecolare di 0 (1?2-1?2?2). A temperatura e pressione standard, l' idrogeno gassoso contiene circa il 25% della forma para e il 75% dell' orto, detta anche "forma normale". Il rapporto di equilibrio tra ortoidrogeno e paraidrogeno dipende dalla temperatura, ma poiché la forma dell' orto è uno stato eccitato e ha un' energia maggiore della forma para, è instabile e non può essere purificata. A temperature molto basse, lo stato di equilibrio è composto quasi esclusivamente dalla forma para. Le proprietà termiche della fase liquida e gassosa del paraidrogeno puro differiscono significativamente da quelle della forma normale a causa delle differenze nelle capacità termiche di rotazione, come discusso più ampiamente negli isomeri di spin dell' idrogeno. La distinzione orto/para si verifica anche in altre molecole o gruppi funzionali contenenti idrogeno, come l' acqua e il metilene, ma è di scarsa importanza per le loro proprietà termiche.
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doc-7677
Una lega di alluminio e gallio in forma di pellet aggiunta all' acqua può essere utilizzata per generare idrogeno. Il processo produce anche allumina, ma il costoso gallio, che impedisce la formazione di una pelle di ossido sui pellet, può essere riutilizzato. Ciò ha importanti implicazioni potenziali per un' economia dell' idrogeno, in quanto l' idrogeno può essere prodotto in loco e non deve essere trasportato.
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doc-7692
L' idrogeno non è una risorsa energetica, se non nel contesto ipotetico delle centrali nucleari commerciali a fusione nucleare che utilizzano deuterio o trizio, una tecnologia attualmente lontana dallo sviluppo. L' energia del Sole proviene dalla fusione nucleare dell' idrogeno, ma questo processo è difficile da raggiungere controllabilmente sulla Terra. L' idrogeno elementare proveniente da fonti solari, biologiche o elettriche richiede più energia di quanta ne ottenga bruciandolo, quindi in questi casi l' idrogeno funziona come vettore energetico, come una batteria. L' idrogeno può essere ottenuto da fonti fossili (come il metano), ma queste fonti sono insostenibili.
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doc-7648
L' idrogeno gassoso forma miscele esplosive con l' aria se concentrato al 4-74% e con cloro se concentrato al 5-95%. Le miscele possono essere incendiate da scintille, calore o luce solare. La temperatura di autoaccensione dell' idrogeno, la temperatura di accensione spontanea in aria, è di 500 °C (932 °F). Le fiamme pure idrogeno-ossigeno emettono luce ultravioletta e con un' elevata miscela di ossigeno sono quasi invisibili ad occhio nudo, come dimostra il debole pennacchio dello Space Shuttle Main Engine rispetto al pennacchio altamente visibile di uno Space Shuttle Solid Rocket Booster. Il rilevamento di una perdita di idrogeno bruciato può richiedere un rivelatore di fiamma; tali perdite possono essere molto pericolose. Le fiamme di idrogeno in altre condizioni sono blu, simili a quelle blu del gas naturale. La distruzione del dirigibile di Hindenburg fu un esempio infame di combustione dell' idrogeno; la causa è dibattuta, ma le fiamme arancioni visibili erano il risultato di una ricca miscela di idrogeno e ossigeno combinata con composti di carbonio della pelle del dirigibile.
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doc-7676
L' elettrolisi dell' acqua è un metodo semplice per produrre idrogeno. L' acqua attraversa una corrente a bassa tensione e si forma ossigeno gassoso all' anodo mentre si forma idrogeno gassoso al catodo. Tipicamente il catodo è fatto di platino o di un altro metallo inerte quando produce idrogeno per lo stoccaggio. Tuttavia, se il gas deve essere bruciato in loco, è auspicabile l' uso di ossigeno per favorire la combustione e quindi entrambi gli elettrodi dovrebbero essere realizzati con metalli inerti. (Iron, per esempio, si ossiderebbe, e quindi diminuire la quantità di ossigeno rilasciato.) L' efficienza teorica massima (elettricità utilizzata rispetto al valore energetico dell' idrogeno prodotto) è compresa tra l' 80-94%. elettrolisi dell' acqua.
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doc-7665
Il primo palloncino pieno di idrogeno fu inventato da Jacques Charles nel 1783. L' idrogeno ha fornito l' ascensore per la prima forma affidabile di viaggio aereo dopo l' invenzione del 1852 del primo dirigibile a idrogeno da Henri Giffard. Il conte tedesco Ferdinand von Zeppelin promosse l' idea di dirigibili rigidi sollevati dall' idrogeno che in seguito furono chiamati Zeppelin, il primo dei quali ebbe il suo volo inaugurale nel 1900. I voli di linea regolari iniziarono nel 1910 e con lo scoppio della prima guerra mondiale nell' agosto 1914, avevano trasportato 35.000 passeggeri senza un grave incidente. I dirigibili a idrogeno sono stati utilizzati come piattaforme di osservazione e bombardieri durante la guerra.
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doc-7687
L' idrogeno è altamente solubile in molti metalli di terra rara e di transizione ed è solubile sia nei metalli nanocristallini che amorfi. La solubilità dell' idrogeno nei metalli è influenzata da distorsioni o impurità locali nel reticolo cristallino. Queste proprietà possono essere utili quando l' idrogeno viene purificato passando attraverso dischi di palladio caldi, ma l' alta solubilità del gas è un problema metallurgico, che contribuisce all' infragilimento di molti metalli, complicando la progettazione di tubazioni e serbatoi di stoccaggio.
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