domenica 16 gennaio 2011

GLI ELEMENTI CHIMICI: N.1 → L'IDROGENO

L'idrogeno (H) è il primo elemento chimico della tavola periodica degli elementi di Mendeleev ed è, allo stesso tempo, l'elemento più leggero e più presente nell'Universo.
È stato anche il primo elemento formatosi dopo il grande evento del Big Bang, che risale approssimatamente a 13,7 miliardi di anni fa.
Tale elemento è parte integrante della molecola della vita, cioè l'acqua (H2O), che è costituita, non a caso, da 2 atomi di idrogeno e uno di ossigeno.
Poi, esso è essenziale per le reazioni nucleari, le quali, partendo da atomi di idrogeno, vanno a creare l'elio (He), il secondo elemento della tavola periodica.
Ricordiamo che l'idrogeno, generalmente, è formato da un singolo protone e, dunque, da un corrispettivo elettrone, ma non presenta alcun neutrone.
Questa tipologia di idrogeno è detta protio.
Tuttavia l'idrogeno presenta altri 2 isotopi:

1) deuterio o idrogeno pesante: possiede, oltre il protone e l'elettrone, anche 1 neutrone;
2) trizio: alla struttura originaria si aggiungono 2 neutroni.

I neutroni sono quelle particelle che forniscono massa aggiuntiva ad un atomo.
Infatti, è chiamato numero atomico (Z) il numero di protoni, e quindi di elettroni, costituenti l'atomo, mentre il numero di massa (A) ci dice il valore della massa dei nucleoni.
Siccome possiamo assumere come unitarie le masse di protoni e neutroni, il numero di massa ci indica anche la somma del numero di protoni e neutroni presenti nel nucleo atomico considerato.
Scavando nei meandri della materia, i protoni e i neutroni sono formati, a loro volta, dai quark. In particolare:

- il protone è costituito da 3 quark (2 quark up e 1 down);
- il neutrone è formato da 3 quark (questa volta l'inverso, ossia 2 quark down e 1 up).

Pertanto, andando ad analizzare il protio, esso è costituito da 2 quark up, 1 quark down, che vanno a formare il protone + 1 elettrone, che fa parte della famiglia dei leptoni.
I quark sono tenuti insieme dai gluoni, ossia le particelle mediatrici dell'interazione nucleare forte, il collante che agisce affinché i protoni rimangono uniti nel nucleo e non si respingano per via della forza elettrica repulsiva (i protoni presentano tutti cariche elettriche positive e, dunque, si dovrebbero respingere).
Ricordiamo che la forza di attrazione e repulsione tra 2 cariche elettriche, siano esse di segno uguale o opposto, è data dalla Legge di Coulomb:



L'equazione sopracitata presenta una struttura molto, ma molto simile alla Legge di gravitazione universale di Newton:



Sussistono soltanto piccole differenze:

- la costante k (che si può esprimere come 1/4πε, dove ε = costante dielettrica) è sostituita dalla costante G di Cavendish;
- nella legge di Coulomb troviamo le 2 cariche q1 e q2 mentre nella legge di Newton le 2 masse m1 e m2.

Entrambe le forze (elettriche e gravitazionali), quindi, diminuiscono proporzionalmente al quadrato della distanza (d²) tra le 2 masse o tra le cariche elettriche.
Nello specifico, i gluoni tengono insieme i quark per dar vita agli adroni.
Infatti, in natura, i quark non si trovano mai in isolamento, ma solamente uniti in particelle composte, gli adroni appunto.
Il protone e il neutrone sono 2 tipologie di adroni.
Più precisamente, protoni e neutroni sono barioni, ossia adroni costituiti da 3 quark.
Dettò ciò, l'idrogeno è alla base delle reazioni di fusione nucleare, ossia quelle che danno vita a ingenti quantità di energia dentro il nucleo delle stelle, sfruttando la notissima equazione di Einstein E = mc².
Prendendo in considerazione il caso specifico del Sole, all'interno del "calderone" rovente della nostra stella, avviene una reazione denominata catena protone-protone:

1H + 1H2H + e+ + v
2H + 1H3He + γ
3He + 3He 4He + 2 1H.

Complessivamente si ha:

6 1H 4He + 2 1H + 2e+ + 2v + 2γ, dove:
  • 1H indica un nucleo di idrogeno o protio;
  • 2H indica il deuterio;
  • e+ indica un positrone;
  • v indica un neutrino;
  • 3He indica l'elio-3;
  • 4He indica l'elio-4;
  • γ indica i raggi gamma.
Quindi, tramite tali reazioni, l'idrogeno si tramuta in elio, e man mano si creano gli altri elementi chimici fondamentali.
Ricordiamo che le comuni reazioni di fusione nucleare nelle stelle possono dar vita agli elementi della tavola periodica fino al ferro, dopodiché per generare gli elementi più pesanti, occorrono fenomeni estremi quali le supernovae!
Dunque, grazie al "mattone fondamentale" tra gli elementi chimici, l'idrogeno, l'Universo, dopo il Big Bang, è riuscito a produrre tutto il variegato mondo che ci circonda, costituito dai rimanenti 91 elementi naturali + ovviamente l'idrogeno.
Tutto quanto, da un palazzo a una pianta, da un animale a una cometa, da un uomo a una galassia è formato dall'aggregarsi in innumerevoli modalità, dei 92 elementi chimici fondamentali.
In tal senso, possiamo affermare di essere "polvere di stelle".
Comunque, è necessario ricordare che gli uomini sono riusciti ad ottenere artificialmente ulteriori elementi rispetto ai 92 originari, tra cui:

- nettunio;
- plutonio;
- americio;
- curio;
- einstenio, ecc.

Abbiamo accennato in precedenza che l'idrogeno è parte fondamentale dell'acqua (H2O), assieme all'ossigeno.
Detto ciò, descriviamo brevemente un importante legame chimico che si manifesta anche a riguardo della molecola H2O: non a caso si chiama "legame idrogeno o ponte idrogeno".
Prima però, definiamo l'elettronegatività: capacità che un atomo possiede di attrarre verso di sé la coppia di elettroni di legame.
Il legame idrogeno si forma ogni volta che un atomo di idrogeno, legato in una molecola polare a un atomo più elettronegativo, viene a trovarsi nei pressi di un'altra molecola, uguale o differente, che contiene un atomo fortemente elettronegativo (per esempio: ossigeno, azoto, fluoro) che ha un doppietto elettronico libero.
Infatti, la carica parziale positiva dell'idrogeno, pur essendo esigua, è concentrata su una piccolissima massa e possiede dunque un'elevata capacità di interazione nei confronti di altre molecole, nelle quali sono situate cariche negative o doppietti elettronici.
Potremmo affermare che l'idrogeno, in questo specifico contesto, si comporta quasi alla stregua di un protone.
L'atomo di idrogeno si dispone "a ponte" unendo in linea retta l'atomo al quale è legato con quello elettronegativo della molecola vicina.
Si instaura in questo modo tra le 2 molecole un legame secondario, il legame idrogeno appunto, che, però, è più debole di un comune legame covalente.
Nell'acqua allo stato liquido, i legami idrogeno non risultano localizzati, bensì instaurati temporaneamente tra 2 molecole, per poi rompersi e riassemblarsi altrove.
L'idrogeno assume un ruolo fondamentale non solo nelle reazioni nucleari e nella formazione di composti inorganici, ma pure nella chimica organica, cioè la chimica del carbonio.
Si può affermare che la maggior parte dei composti organici sia costituita da legami carbonio-carbonio (C-C) e carbonio-idrogeno (C-H).
Non a caso, i più semplici composti organici sono detti idrocarburi.
Per fare qualche esempio:

- metano (CH4);
- propano (C3H8);
- etene o etilene (C2H4);
- acetilene o etino (C2H2);
- benzene (C6H6), ecc.

In conclusione, ecco un video che riassume le caratteristiche dell'idrogeno: but it is in english!



Sorpresina finale: un favoloso brano musicale al piano: Michael Nyman - The Sacrifice:



Tale brano è uno degli innumerevoli che possono portare la mente a essere così leggera (libera da pensieri), tanto quanto lo è l'idrogeno!

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