Idrogeno: cos'è, proprietà e come si conserva

L'idrogeno è il primo elemento della tavola periodica: numero atomico 1, un solo protone nel nucleo e un solo elettrone attorno. È il più leggero di tutti e anche il più diffuso nell'universo, perché il Sole e le altre stelle sono fatti in gran parte di idrogeno ed elio. Sulla Terra però non lo troviamo quasi mai libero, e proprio questo spiega molte delle sfide pratiche legate al suo uso.

Cos'è l'idrogeno e perché è un elemento speciale

Il nome arriva dal greco e significa più o meno "che genera acqua". Fu Henry Cavendish, nel 1766, a raccogliere il gas e a riconoscerlo come una sostanza diversa dalle altre; il nome attuale si deve poi ad Antoine Lavoisier. In condizioni normali l'idrogeno è un gas incolore, inodore e insapore, formato da molecole di due atomi (H2). Ha la densità più bassa di tutti i gas: circa 0,08 kg per metro cubo.

È anche una materia prima industriale di lunga data: serve per produrre l'ammoniaca dei fertilizzanti e per togliere lo zolfo dai carburanti in raffineria.

Gli isotopi: prozio, deuterio e trizio

L'idrogeno ha tre isotopi noti, che differiscono per il numero di neutroni nel nucleo:

• Prozio (idrogeno-1): un protone e nessun neutrone. È di gran lunga la forma più comune, oltre il 99,98% dell'idrogeno naturale.
• Deuterio (idrogeno-2): un protone e un neutrone. È stabile ed è presente in piccole quantità nell'acqua naturale; fu identificato nel 1931 da Harold Urey e collaboratori.
• Trizio (idrogeno-3): un protone e due neutroni. È radioattivo, con un tempo di dimezzamento di circa 12 anni, e in natura se ne trovano solo tracce.

Deuterio e trizio sono il "combustibile" delle reazioni di fusione nucleare studiate per produrre energia.

Le proprietà fisiche dell'idrogeno

Alcuni numeri aiutano a capire perché l'idrogeno si comporta in modo così diverso dai combustibili tradizionali. A pressione atmosferica diventa liquido solo a circa −253 °C, una delle temperature di ebollizione più basse in assoluto. La temperatura di autoaccensione in aria è di circa 500 °C, mentre l'energia necessaria per innescarlo con una scintilla, nelle condizioni più favorevoli, è molto inferiore a quella di benzina o gas naturale.

Il dato più importante riguarda l'energia. Il potere calorifico inferiore dell'idrogeno è di circa 120 MJ per kg, pari a circa 33,3 kWh/kg: è il valore più alto per unità di massa tra tutti i combustibili, all'incirca il triplo della benzina. Il problema è il volume. Essendo così leggero, a temperatura ambiente un litro di idrogeno contiene pochissima energia, e anche allo stato liquido ne contiene circa quattro volte meno di un litro di benzina. Per questo si dice che l'idrogeno ha un'alta densità energetica gravimetrica e una bassa densità energetica volumetrica. Come spiega la pagina del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti dedicato allo stoccaggio, è proprio questa caratteristica a rendere necessarie tecnologie di conservazione dedicate.

Dove si trova l'idrogeno sulla Terra

Sul nostro pianeta l'idrogeno è abbondantissimo, ma quasi sempre legato ad altri elementi. La riserva principale è l'acqua; il resto si trova negli idrocarburi, cioè in gas naturale, petrolio e carbone, e nella materia organica. Secondo la U.S. Energy Information Administration, proprio perché si presenta combinato, per ottenerlo puro serve più energia di quanta ne restituisca poi. I metodi di produzione, dal reforming del gas all'elettrolisi dell'acqua, e la classificazione per "colori" sono trattati in altri articoli di Energyzone.

Esiste però anche idrogeno libero nel sottosuolo, chiamato idrogeno geologico o naturale (a volte "bianco"). Lo U.S. Geological Survey spiega che può formarsi quando l'acqua di falda reagisce con minerali ricchi di ferro, come l'olivina: l'ossigeno si lega al ferro e l'idrogeno viene liberato nella roccia. Per accumularsi deve trovare rocce porose sigillate da strati impermeabili, e nel frattempo microbi e altri processi naturali possono consumarlo. I modelli dell'USGS indicano volumi potenzialmente enormi, ma gli stessi ricercatori avvertono che gran parte di questo idrogeno è probabilmente inaccessibile, perché troppo profondo, troppo lontano dalla costa o disperso in accumuli piccoli. Resta quindi un campo di ricerca, non una fonte già disponibile.

Sicurezza: infiammabilità, perdite e fragilità dei metalli

L'idrogeno non è tossico e non è corrosivo, ma ha alcune caratteristiche che richiedono attenzione. Le principali, riassunte dal portale di sicurezza H2Tools del Pacific Northwest National Laboratory, sono queste:

• Ampio campo di infiammabilità: in aria brucia a concentrazioni comprese tra circa il 4% e il 75% in volume, un intervallo molto più largo di quello degli altri combustibili comuni.
• Fiamma quasi invisibile: brucia con una fiamma azzurro pallido difficile da vedere alla luce del giorno, che irraggia poco calore infrarosso. Si può quindi non accorgersi di una fiamma anche a breve distanza.
• Perdite: la molecola è molto piccola e tende a sfuggire da giunti e guarnizioni. In un locale chiuso l'idrogeno che fuoriesce può accumularsi fino a concentrazioni infiammabili. All'aperto, invece, sale e si disperde in fretta, perché è circa 14 volte più leggero dell'aria.
• Nessun odore: a differenza del gas di casa, non gli si aggiunge un odorizzante, perché non ne esiste uno abbastanza leggero da disperdersi alla stessa velocità. Le perdite si individuano con sensori.
• Infragilimento: a contatto con l'idrogeno alcuni metalli, tra cui certi acciai, possono diventare fragili. Per tubazioni e serbatoi si scelgono quindi materiali compatibili.

Consiglio: dove si usano o si conservano bombole di idrogeno, anche in un laboratorio scolastico o in un'officina, servono una buona ventilazione dall'alto e un rilevatore di idrogeno. Non affidarti mai all'olfatto o alla vista per capire se c'è una perdita o una fiamma.

Come si conserva l'idrogeno

Poiché un chilogrammo di idrogeno a pressione atmosferica occupa oltre undici metri cubi, la conservazione punta a "comprimere" più idrogeno possibile in poco spazio. Le strade sono tre.

Gas compresso. È la soluzione più diffusa: serbatoi ad alta pressione, tipicamente a 350 o 700 bar. A queste pressioni la densità sale a circa 24 e 40 grammi per litro.

Liquido. Raffreddato sotto i −253 °C, l'idrogeno diventa un liquido con una densità di circa 71 grammi per litro. Un litro di idrogeno liquido corrisponde a circa 840 litri di gas a pressione atmosferica. Il prezzo da pagare è l'energia necessaria per la liquefazione e l'isolamento dei serbatoi, che devono limitare l'evaporazione.

Nei materiali e nei vettori chimici. L'idrogeno può essere trattenuto sulla superficie o all'interno di materiali solidi, come gli idruri metallici e gli adsorbenti, oppure legato chimicamente ad altre molecole. Tra i vettori liquidi più studiati ci sono l'ammoniaca, il metanolo e i cosiddetti LOHC, i vettori organici liquidi di idrogeno. Questi liquidi si conservano in modo più semplice ed economico dell'idrogeno compresso o liquefatto e possono sfruttare infrastrutture già esistenti; in cambio, per recuperare l'idrogeno serve un ulteriore passaggio chimico.

Perché l'idrogeno conta per l'energia

Quando brucia o viene usato in una cella a combustibile, l'idrogeno produce acqua e non anidride carbonica, ed è per questo che se ne parla tanto per decarbonizzare industria e trasporti. Va però ricordato che non è una fonte di energia come il sole o il vento, ma un vettore: un modo per immagazzinare e trasportare energia prodotta altrove, con perdite a ogni passaggio. Il suo valore ambientale dipende da come viene prodotto, tema approfondito nell'articolo sull'idrogeno come vettore energetico, mentre elettrolizzatori, auto e motori a idrogeno hanno guide dedicate.

Domande frequenti

L'idrogeno è l'elemento più abbondante?

Sì, nell'universo è l'elemento più abbondante: le stelle sono composte soprattutto da idrogeno ed elio. Sulla Terra è molto diffuso, ma quasi sempre legato ad altri elementi, soprattutto nell'acqua.

A che temperatura l'idrogeno diventa liquido?

A pressione atmosferica l'idrogeno diventa liquido a circa −253 °C, cioè circa 20 gradi sopra lo zero assoluto.

Quanta energia contiene un chilo di idrogeno?

Circa 120 MJ, pari a circa 33,3 kWh, considerando il potere calorifico inferiore. Per unità di massa è più di qualsiasi altro combustibile, ma per unità di volume è molto poco.

L'idrogeno è più pericoloso del metano?

Non è necessariamente più pericoloso, ma ha rischi diversi: si infiamma in un intervallo di concentrazioni più ampio, la fiamma è quasi invisibile e serve pochissima energia per innescarlo. Con ventilazione, sensori e materiali adatti si gestisce in sicurezza.

Cos'è l'idrogeno naturale o "bianco"?

È idrogeno libero che si forma nel sottosuolo, per esempio dalla reazione tra acqua e rocce ricche di ferro. Se ne studia il potenziale, ma non è ancora chiaro quanto se ne possa estrarre in modo conveniente.