L’idrogeno è l’elemento più leggero della tavola periodica, con numero atomico Z=1 e configurazione elettronica 1s^1. La sua posizione è particolare: può ricordare i metalli alcalini perché possiede un solo elettrone di valenza, ma può anche ricordare gli alogeni perché gli manca un elettrone per completare il livello 1s.
Nelle condizioni ordinarie si presenta come molecola biatomica H_2, apolare, leggerissima e con legame covalente forte. Gli isotopi principali sono prozio ^1H, deuterio ^2H o D, e trizio ^3H o T, radioattivo. La differenza di massa tra prozio e deuterio è così grande, in rapporto alla massa dell’atomo, che gli effetti isotopici dell’idrogeno sono più marcati rispetto a quelli di molti altri elementi.
Gli stati di ossidazione più comuni sono:
Lo ione H^+ isolato non esiste praticamente in soluzione acquosa come protone nudo: viene solvato e rappresentato spesso come H_3O^+ o, più realisticamente, come una famiglia di specie idratate. Lo ione idruro H^- compare invece negli idruri ionici dei metalli molto elettropositivi e in diversi reagenti riducenti.
Reazione fondamentale di sintesi dell’ammoniaca:
Questa reazione, alla base del processo Haber-Bosch, mostra uno dei ruoli industriali più importanti dell’idrogeno: trasformare l’azoto atmosferico in composti azotati utilizzabili. In chimica industriale l’idrogeno compare anche in idrogenazioni catalitiche, produzione di metanolo, raffinazione, desolforazione, celle a combustibile e trattamenti termochimici.
Dal punto di vista energetico l’idrogeno è un vettore, non una fonte primaria: deve essere prodotto consumando energia o partendo da materie prime chimiche. La combustione ideale produce acqua:
ma la valutazione ambientale dipende dal metodo di produzione, dalla compressione, dallo stoccaggio e dall’intera filiera. L’elevata diffusività e l’ampio intervallo di infiammabilità richiedono inoltre progettazione attenta di ventilazione, materiali e sistemi di sicurezza.
In metallurgia l’idrogeno è rilevante anche come specie interstiziale: può diffondere in alcuni metalli e contribuire a infragilimento, cricche e perdita di duttilità. In chimica di base, invece, è il riferimento naturale per acidità, riduzione e ossidoriduzione.
Vedi anche: legame a idrogeno, idruri.