La storia e gli usi dell’idrogeno

L’idrogeno è il più semplice e comune degli elementi chimici, che sono i mattoni di tutta la materia. Gli altri atomi sono composti da protoni, neutroni ed elettroni. Ma l’idrogeno ha solo un elettrone e un protone. È anche l’elemento più abbondante. Infatti, l’idrogeno costituisce circa tre quarti di tutta la materia dell’universo.

Lo sapevi?

Gli Stati Uniti producono circa 85 milioni di metri cubi di idrogeno ogni anno. Questo equivale a più di 50 volte il volume del Rogers Centre di Toronto!

L’idrogeno è un non-metallo incolore e inodore. Nella sua forma più comune, è estremamente combustibile. In altre parole, ha la tendenza a prendere fuoco. Questa tendenza rende l’idrogeno sia una risorsa molto pericolosa che molto utile.

Quando fu scoperto l’idrogeno?

L’idrogeno fu scoperto per la prima volta nel 1671 dallo scienziato inglese Robert Boyle. Egli aveva fatto esperimenti con diversi metalli immergendoli nell’acido. Quando un metallo puro viene messo nell’acido, avviene un tipo di reazione chiamata reazione di spostamento singolo. Per esempio, aggiungendo un pezzo di potassio (K) a una soluzione di acido cloridrico (HCl) si verifica la seguente reazione:

2K + 2HCl → 2KCl + H2

Il metallo solido di potassio reagisce con l’acido per formare un sale chiamato cloruro di potassio. Nel frattempo, gli atomi di idrogeno rimasti si combinano per formare idrogeno gassoso.

In un articolo del 1776, uno scienziato britannico di nome Henry Cavendish confermò che l’idrogeno è un elemento distinto. Sia Boyle che Cavendish notarono che l’idrogeno gassoso è molto infiammabile. In particolare, subisce rapidamente e violentemente una reazione di combustione con l’ossigeno.

2H2 + O2 → 2H2O (+ calore)

La reazione prende molecole di idrogeno e ossigeno e le combina insieme per formare H2O (acqua). Questa reazione è esotermica. Ciò significa che genera energia termica – in altre parole, fuoco. Altri scienziati avrebbero poi scoperto che l’idrogeno fornisce il combustibile per le reazioni di fusione nucleare che avvengono all’interno delle stelle. Queste reazioni di fusione generano tutta la luce e il calore che il Sole e le altre stelle producono.

Lo sapevi?

L’idrogeno fonde a 14° sopra lo zero assoluto (14° Kelvin o -259 C

Per cosa è stato usato l’idrogeno in passato?

Oltre alla sua infiammabilità, Boyle e Cavendish osservarono anche che l’idrogeno è meno denso (più leggero) dell’aria. L’idrogeno è ottimo per sollevare cose come i palloni. In questo modo, è simile al secondo elemento più semplice, l’elio. In effetti, l’idrogeno è anche meglio dell’elio nel sollevare cose. Quindi era solo una questione di tempo prima che la gente iniziasse a progettare palloni pieni di idrogeno per il trasporto. All’inizio del 1900, i grandi dirigibili che usavano l’idrogeno come gas di sollevamento erano diventati una forma popolare di viaggio aereo.

Tuttavia, la mania dei dirigibili a idrogeno non durò a lungo. Nel 1937, la tragedia colpì gli Stati Uniti. Il dirigibile tedesco Hindenburg prese fuoco ed esplose a Lakehurst, New Jersey, uccidendo 36 persone.

I progettisti di dirigibili sapevano che l’idrogeno è infiammabile e che l’elio era una scelta più sicura. Tuttavia, l’elio era raro e costoso. Così hanno scelto l’opzione più economica ma meno sicura. Dopo il disastro dell’Hindenburg, l’idrogeno fu rapidamente abbandonato come gas di sollevamento. Allo stesso tempo, gli aerei stavano diventando più comuni.

Per cosa è stato usato l’idrogeno più recentemente?

Hai probabilmente visto i video di un lancio dello Space Shuttle dal Kennedy Space Center o l’attracco alla Stazione Spaziale Internazionale. Quel programma è stato cancellato nel 2011. Ma fino ad allora, lo Shuttle era il modo principale per gli astronauti della NASA di andare nello spazio. Vi siete mai chiesti cosa alimentava quei motori impossibilmente enormi? Era l’idrogeno!

Il motore principale dello Space Shuttle era alimentato dalla combustione di idrogeno liquido e ossigeno liquido. Quanta potenza fornisce l’idrogeno bruciato? Così tanta che è difficile da immaginare! Tre motori dello Space Shuttle che lavorano insieme emettono all’incirca la stessa quantità di energia di 120 locomotive ferroviarie.
Gli ingegneri della NASA capirono anche quanto potesse essere pericoloso l’idrogeno. Tuttavia, decisero che avrebbero potuto sfruttare tutta quella potenza grezza, purché fossero molto attenti.

In questi ultimi tempi, le persone sono sempre più interessate a ridurre il loro impatto sull’ambiente. Un modo per farlo è smettere di bruciare carburante per alimentare le auto. C’è molto interesse nello sviluppo di auto alimentate da celle a combustibile a idrogeno. La cosa bella di usare l’idrogeno per alimentare le auto è che, a differenza della benzina, il prodotto di scarto non è un gas a effetto serra – è acqua!

Lo sapevi?

A partire dal 2018, ci sono tre auto a idrogeno in produzione. Honda, Hyundai e Toyota stanno producendo ciascuna un’auto a idrogeno.

A differenza dell’Hindenburg, le auto a idrogeno non hanno bisogno di essere super leggere come i palloni, quindi il carburante viene compresso e conservato in serbatoi molto resistenti per evitare perdite. La soluzione migliore sarebbe quella di immagazzinare il carburante come un solido piuttosto che come un gas. Il materiale può ancora bruciare in caso di incidente. Tuttavia, sarebbe improbabile che esploda. Il rischio di incendio in caso di incidente è circa lo stesso di un’auto a benzina.

Ma uno dei problemi principali nell’uso dell’idrogeno come fonte di carburante per le auto è lo stoccaggio. L’idrogeno ha più energia della benzina in peso, ma ha meno energia in volume. Questo significa che hai bisogno di un grosso serbatoio di idrogeno per guidare la tua auto per una distanza ragionevole prima di fare rifornimento. I serbatoi della maggior parte delle auto sono troppo piccoli per immagazzinare abbastanza gas idrogeno per andare in giro per la città!

Gli scienziati hanno cercato di convertire l’idrogeno da gas a solido. La ragione è la bassa densità di energia. Quando l’idrogeno viene assorbito in una sostanza chimica solida, può guadagnare una maggiore densità di energia. I ricercatori accademici, dell’industria e del governo stanno tutti studiando questo modo innovativo di portare l’idrogeno alla ribalta dell’economia dell’energia.