L'Idrogeno: l'elemento più leggero dell'universo.

L'Idrogeno: l'elemento più leggero dell'universo, un peso rilevante sull'economia mondiale del futuro

Iafano Agostino 5 A/C ITIS Ettore Majorana Cassino (FR)

Indice degli argomenti trattati

• I. Introduzione: che cos'è l'Idrogeno?
• II. Produzione Idrogeno. (Tecnologie chimiche e fermentazioni)
• III. Utilizzo Idrogeno in assorbimento atomico (Analisi)
• IV. Cinetica della reazione di steam reforming del metano (Chimica fisica).
• V. Equazioni differenziali (Matematica)
• VI. Economia dell'idrogeno e concetto di imprenditore (Diritto)
• VII. The greenhouse Effect (Inglese)
• VIII. Primo Levi (Italiano)
• IX. Nazismo e tragedia dell'Hindenburg (Storia)
• X. Bibliografia

I. Che cos'è l'Idrogeno?

L'Idrogeno è il primo elemento della tavola periodica e fu scoperto nel 1766 da Henry Cavendish, che lo chiamò “aria di fuoco”, poiché altamente infiammabile.

Successivamente, nel 1783 Lavoisier diede a codesto gas il nome Idrogeno, che sta a significare “generatore di acqua”. Esso è di norma presente sotto forma di molecola biatomica (H₂) e rappresenta l'elemento più abbondante dell'universo.

Allo stato elementare, ovvero sotto forma di molecola biatomica, è molto raro sul nostro pianeta, in quanto l'attrazione gravitazionale terrestre è insufficiente a trattenere molecole molto leggere come quelle dell'Idrogeno.

Particolarmente abbondante è invece allo stato combinato: con l'Ossigeno è presente nell'acqua di cui costituisce l'11,2%; combinato con il Carbonio ed alcuni altri elementi è uno dei principali costituenti del mondo vegetale e animale.

L'Idrogeno è a temperatura ambiente un gas incolore, inodore e praticamente insolubile in acqua. Dopo l'Elio è il gas più difficile da liquefare: per riuscire a portarlo allo stato liquido è difatti necessario raggiungere la temperatura di -259,2 °C.

È un discreto conduttore di calore e di elettricità e viene facilmente assorbito da taluni metalli. Generalmente poco attivo a freddo, l'Idrogeno dà luogo a caldo, o in presenza di catalizzatori, a numerose reazioni chimiche.

La tabella seguente mostra le sue principali caratteristiche:

Dobbiamo inoltre ricordare che l'Idrogeno è il combustibile con il più alto potere calorifico superiore. Difatti esso è di ben 141,9 MJ/kg, mentre quello di un combustibile tradizionale, per esempio la benzina, è di 46 MJ/kg, (meno della terza parte di quello sviluppato dalla stessa quantità di Idrogeno!).

II. Produzione di Idrogeno

Tecnologie chimiche e fermentazioni

Prima di descrivere le varie tecniche di produzione dell'Idrogeno, chiediamoci perché è così importante produrlo. Ebbene dobbiamo sapere che esso è usato come materia prima in un gran numero di operazioni chimiche.

La più importante è di certo la produzione di Ammoniaca:

3 H₂ + N₂ → 2 NH₃

Influente è anche il suo utilizzo per produrre Metanolo:

CO + 2H₂ → CH₃OH

ed il Cloruro di idrogeno:

Cl₂ + H₂ → 2 HCl

L'Idrogeno viene inoltre usato per idrogenare oli di pesce e nafta. C'è però da considerare il ruolo fondamentale che esso può giocare in campo energetico. È ormai considerato il combustibile del futuro, dato i vantaggi che potrebbe offrire sia dal punto di vista dell'efficienza energetica, sia dal punto di vista ambientale.

La sua reazione di combustione è difatti la seguente:

2H₂ + O₂ → 2H₂O + Energia

Il prodotto di reazione è teoricamente solo acqua pura! Non vi è produzione di gas serra come anidride carbonica (CO₂) e teoricamente nemmeno di ossidi. È bene però ricordare che se bruciato con aria dà come prodotti una piccola percentuale di ossidi di azoto (NO_x).

Utilizzazioni future dell'Idrogeno

Le due principali utilizzazioni previste in futuro per l'Idrogeno e per cui si sta lavorando attualmente nei laboratori di ricerca applicata riguardano l'impiego come combustibile per la generazione di energia elettrica e per il trasporto.

Lo strumento principale che condizionerà pesantemente la sua reale affermazione come vettore energetico pulito è senza dubbio la cella a combustibile. Questa è un dispositivo elettrochimico che permette di ottenere elettricità direttamente da alcune sostanze (tipicamente Idrogeno ed Ossigeno) senza che avvenga alcun processo di combustione termica.

Una cella è costituita da due elettrodi, formati da una rete di nichel a maglie fittissime attraverso le quali possono passare solo molecole gassose, separati da un elettrolita. Nelle maglie di ciascun elettrodo vengono spinti sotto forte pressione (da 20 a 40 atm) rispettivamente Idrogeno e Ossigeno gassosi, con il che essi diventano due veri e propri elettrodi a gas.

Le reazioni che avvengono agli elettrodi consumano fondamentalmente Idrogeno e Ossigeno e producono acqua, attivando un passaggio di corrente elettrica nel circuito esterno. Costruttivamente le celle sono disposte in serie a formare i così detti “stack”. Comunque c'è ancora molto da lavorare per affinare le caratteristiche delle celle e per aumentarne l'affidabilità e la durata.

Dopo aver quindi descritto in generale cosa sia l'Idrogeno e quali siano i vantaggi derivanti dal suo utilizzo, apprestiamoci ad esaminare come possa essere prodotto.

Da fonti fossili

Steam reforming del Metano (SMR).

Lo steam reforming del metano è un processo ben sviluppato ed altamente commercializzato attraverso il quale si produce circa il 48% dell'idrogeno mondiale. Tale metodo può essere applicato anche ad altri idrocarburi come l'etano e la nafta. Non possono essere utilizzati idrocarburi più pesanti perché essi potrebbero contenere impurità.

Lo SMR implica la reazione di metano e vapore acqueo in presenza di catalizzatori. Tale processo, su scala industriale, richiede una temperatura operativa di circa 800 °C ed una pressione di 2,5 MPa. La prima fase consiste nella decomposizione del metano in idrogeno e monossido di carbonio:

CH₄ + H₂O → CO + 3H₂ (ΔH > 0)

All'uscita dal "reformer" il monossido di carbonio, reagendo con il vapore, si trasforma in anidride che è allontanata purificando così l'idrogeno prodotto:

CO + H₂O → CO₂ + H₂ (ΔH < 0)

L'anidride carbonica può essere raccolta e confinata in giacimenti geologici profondi.

Ossidazione parziale non catalitica di idrocarburi.

L'idrogeno può essere ottenuto dall'ossidazione parziale non catalitica di idrocarburi, ad una temperatura che varia tra 1300-1500 °C. Questa tecnologia può utilizzare qualsiasi genere di idrocarburo che possa essere compresso, ma l'efficienza complessiva del processo (50%) è minore di quella ottenuta dalla tecnologia SMR (65%-75%) ed è necessario ossigeno puro.

2CH₄ + O₂ → 2CO + 4H₂ (ΔH < 0)

Da fonti rinnovabili

Elettrolisi dell'acqua.

L'Idrogeno può anche essere prodotto dall'acqua scindendo la stessa nei suoi componenti (Idrogeno e Ossigeno) con l'impiego di energia elettrica. Tale processo è chiamato Elettrolisi.

H₂O + elettricità → H₂ + ½ O₂

Vi è quindi la necessità di impiegare dell'energia per trasformare l'acqua nei suoi due elementi costituenti.

È immediato pensare al sole come sorgente energetica, energia solare che potrebbe essere convertita in energia elettrica mediante l'utilizzo di appositi impianti di conversione fotovoltaica, la cui tecnologia già oggi può essere considerata tecnicamente affidabile ed adeguata, anche se non ancora competitiva.

È evidente dedurre quindi, da quanto detto, che le grandi distese oceaniche, altro non sono che enormi riserve di Idrogeno: ogni chilogrammo di H₂O contiene 111g di H₂ che, una volta bruciato, potrebbe produrre 3.200 Kcal di energia chimica.

Il problema è il costo dell'energia elettrica e quindi produrre gran quantità di Idrogeno in tal modo sarà possibile solo quando si potrà produrre energia elettrica ad un costo estremamente basso.

Vediamo adesso di descrivere brevemente in cosa consiste il processo di elettrolisi su citato:

Con il termine elettrolisi si intende il fenomeno mediante il quale, per mezzo della corrente elettrica continua, viene fatta avvenire una reazione chimica non spontanea. Il dispositivo con il quale viene realizzato un simile processo è denominato cella elettrolitica. Essa è composta da una soluzione elettrolitica e due elettrodi, uno negativo, il catodo, ove avviene la riduzione, ed uno positivo, l'anodo, ove avviene l'ossidazione.

L'elettrolisi dell'acqua pura è un processo che porta all'accumulo di ioni idronio al catodo e ioni idrossido all'anodo, ma se in essa sciogliamo un composto elettrolitico (per esempio un sale di litio), possiamo formare Idrogeno e Ossigeno. Queste sono le reazioni che avvengono ai due elettrodi:

Catodo: 2 H⁺ + 2 e^- → H₂

Anodo: 2 OH^- → ½ O₂ + H₂O + 2 e^-

Quindi al catodo gorgoglierà Idrogeno, mentre all'anodo Ossigeno.

(Rappresentazione elettrolisi dell'acqua)

Produzione biologica di Idrogeno

Un metodo di produzione dell'idrogeno innovativo e molto promettente è quello biologico che, attraverso un processo naturale, rende disponibile Idrogeno a partire da biomassa.

È un processo ad emissioni totali 0 di CO₂ in quanto, sebbene alla fine del processo la CO₂ sia un co-prodotto dell'idrogeno, la stessa CO₂ è stata prelevata dall'ambiente durante la formazione biologica della biomassa.

La produzione biologica di idrogeno è principalmente eseguita in bioreattori ed è basata sulla produzione di idrogeno da parte di alcune alghe.

Le alghe producono infatti Idrogeno in alcune condizioni. Nel 1939 un ricercatore tedesco, Hans Gaffron, durante i suoi studi presso l'università di Chigago, notò che tra le alghe che stava osservando, la Chlamydomonas (un'alga verde), a volte passava dalla produzione di Ossigeno a quella di Idrogeno. Gaffron non riuscì però a capire la causa che provocava questo cambiamento, e per molti anni la causa rimase sconosciuta.

Alla fine degli anni '90 il professor Anastosios Melis, all'epoca ricercatore presso l'Università della California a Berkeley, scoprì che se la coltura di alghe veniva privata di zolfo questa cessava di produrre ossigeno (la normale fotosintesi), passando a produrre Idrogeno.

Scoprì che l'enzima responsabile di questa reazione è l'idrogenasi e che esso perdeva la sua funzione in presenza di ossigeno. Melis scoprì che privando l'alga dello zolfo questa interrompeva il flusso interno di ossigeno, creando così un ambiente in cui l'idrogenasi poteva reagire, producendo idrogeno.

Anastosios Melis sta attualmente lavorando per creare delle colture di alghe che riescano a sfruttare in modo più efficiente la luce solare, in modo da aumentare di tre volte la produzione di Idrogeno. Gli esperimenti in laboratorio hanno permesso la creazione di colture di alghe a bassa densità, in bottiglia, in modo che le cellule possano assorbire la luce da ogni lato.

Inoltre vari scienziati al suo seguito stanno effettuando ricerche per modificare geneticamente le alghe, al fine di ridurre il numero di molecole di clorofilla presente nei cloroplasti.

(Una coltura di alghe)

Una coltura di alghe della dimensione dello stato del Texas produrrebbe la quantità di Idrogeno necessaria per soddisfare la richiesta di tutto il mondo. Ad esempio basterebbero 25.000 km² per soppiantare l'uso di benzina negli Stati Uniti.

Per quanto riguarda la situazione italiana, anche nella nostra penisola nel 2004, il ministero della ricerca ha riservato un finanziamento di alcuni milioni di euro per i ricercatori di un ateneo padovano che stanno eseguendo ricerche in merito: tra i vari, primo su tutti Giorgio Giacometti.

III. Utilizzo di Idrogeno nella spettrofotometria di assorbimento atomico

Chimica analitica

Per quanto riguarda le varie tecniche di analisi strumentale studiate da noi in questo anno scolastico, una di queste che coinvolge l'Idrogeno, è la spettrofotometria di assorbimento atomico (A.A.S).

Infatti in questa tecnica tra i vari tipi di fiamma utilizzate per atomizzare i campioni, vi è anche quella costituita dalla coppia aria/idrogeno (rispettivamente comburente e combustibile).

Per capire meglio a cosa serve questa fiamma, mi appresto a descrivere brevemente in cosa consiste la spettrofotometria di assorbimento atomico.

La spettrofotometria di assorbimento atomico è una tecnica di analisi strumentale utilizzata per la determinazione quasi esclusivamente quantitativa di specie inorganiche; è basata sull'esame dell'assorbimento di una radiazione elettromagnetica (di precisa lunghezza d'onda e frequenza) dopo che questa passa in un mezzo in cui il campione sia presente come atomi o ioni monoatomici.

Quando un atomo viene posto nelle condizioni di acquistare energia elettromagnetica di intensità adeguata, uno o più elettroni esterni possono infatti abbandonare gli orbitali in cui abitualmente si trovano, per venire promossi ad orbitali più ricchi di energia.

Segue dunque che se vi è assorbimento di energia radiante da parte del campione, la radiazione dopo averlo attraversato, avrà perso parte di questa energia.

L'assorbimento della radiazione elettromagnetica è proporzionale alla “popolazione atomica” e al cammino ottico della radiazione incidente sul campione, secondo una legge che è formalmente analoga a quella di Lambert-Beer (utilizzata in spettrofotometria UV/visibile):

A = x · b · N

dove “x” rappresenta il coefficiente spettrale di assorbimento atomico, “b” lo spessore dello strato assorbente (ovvero il cammino ottico della radiazione) ed “N” il numero totale di atomi liberi.

(Rappresentazione schematica spettrometro di assorbimento atomico)

La sorgente ha il compito di inviare radiazioni monocromatiche. Queste giungono nel sistema di atomizzazione, ove il campione è presente sotto forma di “gas atomico”, grazie appunto all'azione di un apposito sistema volto a realizzare ciò.

Ebbene la coppia aria/idrogeno è una coppia comburente/combustibile che può essere usata in un sistema di atomizzazione a fiamma. Dobbiamo sapere che la tecnica di atomizzazione a fiamma è la più antica tra le tecniche AAS ed è ancora indispensabile in qualsiasi laboratorio di routine.

Il dispositivo più utilizzato è un bruciatore a flusso laminare con pre-miscelatore, rappresentato di seguito.

(Bruciatore a flusso laminare con pre-miscelatore)

Il processo si basa sull'aspirazione di un'aliquota di campione e la sua successiva nebulizzazione in una fiamma, la quale deve avere abbastanza energia per vaporizzarlo e quindi renderlo sotto forma di atomi liberi.

Tutti i materiali del bruciatore sono inerti, in acciaio inox i componenti, in titanio il bruciatore (per resistere alle elevate temperature).

Vi sono diversi tipi di fiamme, le cui temperature dipendono dal tipo di coppia comburente/combustibile. Analizziamo quindi la fiamma aria/idrogeno.

Fiamma aria/idrogeno

Con questi gas si usa una testata standard da 5 cm e la temperatura di fiamma arriva fino a 2.050 °C. È particolarmente adatta per l'analisi dei metalli alcalini, perché ne riduce l'indesiderata ionizzazione. Inoltre risulta ridotto l'assorbimento di fondo alle lunghezze d'onda secondarie (soprattutto per Na e K) e aumenta la sensibilità per lo stagno.

Ritornando alla descrizione della tecnica strumentale dobbiamo sapere che successivamente al sistema di atomizzazione, si trova il monocromatore che serve a “ripulire” la radiazione in arrivo, eliminando le lunghezze d'onda di non interesse ai fini analitici.

Vi è poi il rivelatore che ha il compito di tradurre il segnale luminoso in arrivo su di esso in un segnale elettrico proporzionale all'intensità della radiazione luminosa.

Il segnale elettrico giunge poi al sistema di elaborazione dati che provvede a tradurlo in un dato numerico, fornendoci un determinato valore di assorbanza.

IV. Cinetica chimica

Chimica fisica

Diciamo innanzitutto che la cinetica chimica è quel ramo della chimica fisica che studia la velocità con cui avviene una reazione chimica e t