Idrogeno: qualche annotazione

L'idrogeno fu scoperto nel Rinascimento da Paracelso (1493-1541), che lo ottenne per reazione del ferro e dello zinco con olio di vetriolo - che noi oggi chiamiamo acido solforico; due secoli più tardi fu preparato in modo simile da Cavendish (1731-1810), il quale lo liberò per reazione di ferro, zinco e stagno con acido cloridrico; notò la sua leggerezza, il suo essere inodore, incolore, insapore e lo chiamò aria infiammabile. 

Raccogliendo il prodotto della combustione controllata di questo gas con una campana di vetro, osservò che si trattava di acqua. Questa osservazione fu di cruciale importanza nella storia della chimica, perché rivelò che l'acqua era un composto e non un elemento, come si ritenne fino ad allora, seguendo le credenze degli antichi filosofi.

Per la sua capacità di combinarsi con l'ossigeno formando acqua, questo gas fu denominato idrogeno (= generatore di acqua) da Lavoisier (1743-1794). Il chimico francese dimostrò sperimentalmente anche l'opposto: decomponendo l'acqua con il calore egli raccolse idrogeno. Il procedimento seguito dallo scienziato è noto come esperienza della canna di fucile: Lavoisier passò acqua vaporizzata attraverso un tubo di ferro arroventato (la canna di fucile); l'ossigeno dell'acqua si legò al ferro (formando ossido di ferro), mentre l'idrogeno fu liberato e raccolto mediante un bagno idropneumatico.

Idrogeno dall'acqua può essere ottenuto mediante elettrolisi (esperienze di Nicholson; voltametro di Hofmann) o tramite reazione diretta dell'acqua con un metallo alcalino: litio, sodio, potassio, rubidio e cesio in acqua liberano idrogeno e formano gli idrossidi corrispondenti.

Idrogeno può essere ottenuto anche trattando alluminio metallico con una soluzione concentrata di un idrossido alcalino (di sodio o di potassio).

L'idrogeno si combina con gli alogeni per formare gli idracidi corrispondenti; si combina con i metalli per formare idruri; si combina con composti organici insaturi per formare i corrispondenti composti saturi, in presenza di catalizzatori (reazioni di idrogenazione). 

Nell'industria, l'idrogeno è utilizzato nella sintesi dell'ammoniaca (per reazione con l'azoto), del metanolo (per reazione con il CO), della margarina; nella raffinazione dei carburanti e nella chimica fine. Si ottiene in grandi quantità per steam reforming del metano.

L'atomo di idrogeno è strutturalmente il più semplice: il nucleo è formato da un protone attorno al quale si trova un elettrone. Tale elettrone può essere ceduto con formazione dello ione H+ (e qui ci sarebbe qualcosa in più da dire, ma lo farò parlando di acidi e di basi secondo Bronsted); può essere condiviso, con formazione di un legame covalente semplice, come nella molecola di diidrogeno H2; oppure può essere acquistato un altro elettrone per completare il primo livello energetico, con formazione di uno ione idruro H-.

L'idrogeno presenta tre isotopi: protio (senza neutroni), deuterio (un neutrone) e trizio (due neutroni). Il più abbondante è il protio: nel cuore delle stelle, attraverso la fusione termonucleare, esso forma elio e libera energia, sotto forma di fotoni e di neutrini.

A scoprire che le stelle sono composte da idrogeno fu Cecile Payne (1900-1979), un'astronoma britannica naturalizzata statunitense. Ella studiò scienze naturali a Cambridge; poiché al tempo era proibito alle donne proseguire gli studi per conseguire un dottorato, nel 1922 ella si trasferì negli Stati Uniti, al Radcliffe College, ora parte di Harvard - dove non ebbe comunque vita facile, per il semplice fatto di essere donna. 

Nel 1925, ella discusse la tesi: "Atmosfere stellari, un contributo allo studio di osservazione delle alte temperature negli strati superficiali delle stelle". Ne dissi anche nel vecchio blog: mi limito a riportare una parte di quel testo.

Intanto, nel 1938, il fisico Hans Bethe (1906-2005) precisò come si svolge in una stella il processo di trasformazione dell'idrogeno in elio (cicli di Bethe), e individuò il fatto che, nelle stelle di massa maggiore del sole, l'idrogeno è trasformato in elio con l'aiuto di un altro elemento, il carbonio. 

Questa teoria rese possibile una revisione del diagramma H-R e fu grazie a questa scoperta che nel 1967 gli fu assegnato il premio Nobel per la fisica.