ExtraViaggio nel sistema periodico

001 – Idrogeno


Il nostro viaggio nel Sistema Periodico comincia dall’idrogeno (link alla lettura della scheda), l’atomo più semplice di tutti, l’elemento numero 1, il creatore di ogni cosa.

L’idrogeno è l’elemento più abbondante dell’Universo. Costituisce il 74% della massa barionica (cioè della materia a noi visibile) e il 90% degli atomi che esistono nel Cosmo. Galassie, stelle, pianeti, animali… Nel corpo di un essere umano medio, l’idrogeno è il terzo elemento per massa (il 10%, dopo carbonio e ossigeno), ma è il più abbondante per numero: oltre il 62% dei tuoi atomi!

L’idrogeno sottoposto a una scarica elettrica produce un bel bagliore magenta

Nonostante la sua semplicità, l’idrogeno fu identificato solo dopo la nascita della scienza moderna, nel 1766 da Henry Cavendish. Osservando che la combustione di questo gas altamente infiammabile produceva acqua, Antoine Lavoisier propose il nome di “Hydro-genes”, greco per “creatore d’acqua”. Sulla Terra non se ne trova molto in forma pura, per via del suo leggerissimo peso specifico. L’idrogeno fluttua rapidamente verso gli strati superiori dell’atmosfera, dove il nostro pianeta lo perde facilmente verso lo spazio. Questa sua leggerezza è il motivo dietro al suo uso per palloni aerostatici nel secolo scorso, abbandonato dopo il celeberrimo disastro dell’Hinderburg.

L’idrogeno è alla base del meccanismo acido-base che regola innumerevoli reazioni chimiche, tra cui quelle fondamentali della fisiologia, comportamento che manifesta nelle soluzioni a base d’acqua. Questa poi è la molecola triatomica più abbondante dell’Universo, e alcune delle sue bizzarre proprietà (come avere una fase solida meno densa di quella liquida) sono proprio dovute all’idrogeno. Il cosiddetto “legame idrogeno” o “ponte idrogeno”, che si manifesta anche nel nostro DNA e nelle reazioni cellulari, merita una menzione particolare.

I motori principali di Shuttle e SLS, gli RS-25,
bruciano idrogeno e ossigeno liquidi

La semplicità dell’idrogeno ha aperto la strada alla meccanica quantistica, che proprio su quest’atomo ha esercitato i propri strumenti e le prime predizioni. Dall’atomo di Bohr all’equazione di Schrödinger che spiega l’intera chimica. Fondamentale poi il suo utilizzo come propellente per razzi nella corsa allo spazio! Ricordo lo Space Shuttle e il gigantesco SLS, il razzo protagonista del programma Artemis e del ritorno dell’umanità sulla Luna.

Il primo

Ma da dove viene l’idrogeno? Non si può parlare della sua origine senza parlare del Big Bang. 13,8 miliardi di anni fa, l’espansione dell’Universo ebbe inizio a partire da uno stato di altissima densità e temperatura, chiamato “singolarità”. All’inizio di questa espansione le temperature erano così alte che l’energia si convertiva spontaneamente in coppie di particelle e antiparticelle, che subito dopo si annichilivano ridiventando energia. L’Universo era una zuppa di radiazione (fotoni) e particelle subatomiche (quark, leptoni, antiquark e antileptoni).

Poi le temperature iniziarono a scendere. L’Universo era “nato” da appena un centomillesimo di secondo quando i quark riuscirono a organizzarsi nei primi barioni: protoni e neutroni, antiprotoni e antineutroni. Non appena la temperatura scese abbastanza da interrompere la creazione delle coppie di particelle, un’immensa reazione di annichilazione spazzò via ogni traccia di antimateria… ma non di materia. Successe qualcosa che ancora non capiamo: si chiama “bariogenesi” e finì per creare un decimiliardesimo di materia in più, un minuscolo eccesso di protoni e neutroni che oggi costituisce l’Universo a noi visibile.

Il nucleo di idrogeno è un semplice protone, ed è quindi con il trionfo di queste particelle che possiamo dire sia apparso l’idrogeno nel nostro Cosmo. Non possiamo però ancora parlare di elemento chimico in senso stretto, perché la chimica è data dallo scambio di elettroni tra gli atomi. In quest’epoca l’Universo è ancora troppo caldo, così tanto che protoni ed elettroni sono completamente slegati. È il plasma primordiale.

Un plasma così caldo e denso da permettere a protoni e neutroni di andare incontro a fusione nucleare! Si scatenò quindi una reazione termonucleare universale, la nucleosintesi primordiale, che generò da protoni e neutroni i primi nuclei di elio. Ma temperatura e densità erano in caduta libera; le condizioni per alimentare questa reazione durarono appena venti minuti e impedirono all’Universo di generare gli elementi oltre a elio e una spruzzata di Litio.

Finalmente, circa 370.000 anni dopo il Big Bang, le temperature scesero sufficientemente (3000 Kelvin) da permettere ai protoni vaganti di catturare un elettrone in orbita ciascuno, generando per la prima volta l’idrogeno. È l’epoca della Grande Ricombinazione! L’idrogeno tuttavia non fu il primo atomo neutro: tale onore spetta all’elio, ricombinatosi 120.000 anni dopo il Big Bang.

L’Universo divenne trasparente, e da allora le immense nubi di idrogeno primordiale si sono organizzate in stelle e galassie. Nel nucleo delle stelle l’idrogeno ha ripreso le trasformazioni iniziate durante la nucleosintesi primordiale, generando tutto il sistema periodico degli elementi, la realtà come la conosciamo, e noi stessi. Carl Sagan diceva “Se date abbastanza tempo all’idrogeno, questo comincia a ragionare sulla sua stessa esistenza”.

I gusti dell’idrogeno

L’idrogeno ha due isotopi stabili, ed è l’unico elemento ad avere dei nomi dedicati a ciascuno di essi.

Scheda della composizione isotopica con riportato
l’intervallo naturale di variazione della massa
atomica

1) 1H (idrogeno-1), o pròzio: è l’idrogeno semplice, è fatto da un protone e un elettrone e costituisce il 99,99% dell’idrogeno che trovate in natura.

2) 2H (idrogeno-2), o deuterio: scoperto nel 1931 da Harold Urey (premiato con il Nobel) costituisce il rimanente 0,01%. Il suo protone è in compagnia di un neutrone, con il solito elettrone in orbita. Sulla Terra lo troviamo naturalmente in una molecola d’acqua su settemila, la cosiddetta “acqua deuterata” o “acqua pesante”. Viene utilizzato principalmente nelle centrali nucleari a fissione tipo CANDU.

3) 3H (idrogeno-3), o trìzio: qui i neutroni sono due, ma l’isotopo non è stabile e ha un tempo di dimezzamento di circa 12 anni. Decadendo si trasforma in elio-3, “risalendo” di un’unità la tavola periodica. Viene prodotto in natura dal bombardamento di raggi cosmici nell’alta atmosfera, e dall’uomo nelle centrali nucleari. Una sua applicazione molto promettente è la generazione di energia tramite la fusione nucleare con un nucleo di deuterio. Un ostacolo a questo utilizzo è purtroppo la sua breve vita e l’estrema scarsità in natura.

Sull’idrogeno si potrebbero scrivere interi libri. Se siamo qua, lo dobbiamo all’atomo apparentemente più insignificante di tutti!

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