Gli idruri, i composti dell'idrogeno
Per prima cosa possiamo dire che si tratta di composti binari come le anidridi o gli ossidi, ovvero contengono solo due elementi all’interno della formula. Uno dei due è sempre l’idrogeno (H) mentre l’altro può essere un metallo o un non metallo. Per essere precisi però in nomenclatura IUPAC si denominano in questo modo solo i composti dove l’idrogeno si lega a un elemento metallico.
Siamo abituati ad associare all’idrogeno il numero di ossidazione (n.o.) pari a +1, ma nei casi in cui si lega ai metalli dobbiamo assegnargli il valore -1. Questo perché gli elementi metallici di natura possono avere solo numeri di ossidazione positivi.
Nomenclatura tradizionale e IUPAC
Nel caso degli idruri non c’è troppa differenza fra i due sistemi di nomenclatura. La formula presenta l’elemento metallico seguito dall’idrogeno, o meglio da un numero sufficiente di idrogeni ad annullare la carica positiva del metallo. Per la nomenclatura tradizionale si usa semplicemente l’espressione “idruro di” seguito dal nome del metallo se questo ha un solo numero di ossidazione possibile. I metalli alcalini (es. litio) per esempio presentano sempre n.o. uguale a +1, mentre agli alcalino-terrosi (es. calcio) si assegna il valore +2. Perciò LiH sarà l’idruro di litio, CaH2 l’idruro di calcio eccetera.
Nel caso della nomenclatura IUPAC per gli idruri occorre precisare il numero degli atomi di idrogeno presenti nella formula chimica. Quindi quando l’idrogeno si lega con i metalli alcalini il nome tradizionale e il nome IUPAC coincidono. Nel caso di un idruro che contiene un metallo alcalino-terroso però abbiamo due atomi di idrogeno, e quindi lo definiamo diidruro. Perciò MgH2 sarà il diidruro di magnesio, BaH2 il diidruro di bario ecc. Se i metalli che si legano all’idrogeno hanno più di un numero di ossidazione ricorriamo ai suffissi -oso e -ico. Il primo per il valore di n.o. più basso (es. CuH, idruro rameoso) e il secondo per quello più alto (es. FeH3, idruro ferrico).
Un discorso particolare riguarda i composti covalenti dell’idrogeno, ovvero quelli che forma con gli elementi dal IV gruppo in poi (. Non sono classificati come idruri, ma hanno dei nomi derivati dal sistema tradizionale che vanno memorizzati. Vale a dire l’ammoniaca (NH3), il metano (CH4), la fosfina (PH3) e il silano (SiH4).
Le proprietà degli idruri metallici
Non tutti i metalli sono in grado di formare questi composti binari perché ci sono dei fattori che possono rappresentare forti limiti. Prima di tutto la differenza di elettronegatività presente fra l’elemento metallico e l’idrogeno, oltre alla stessa dimensione dell’atomo. Per quanto riguarda invece le loro applicazioni una delle principali è la conservazione dell’idrogeno. Gli idruri possono infatti immagazzinare grandi quantità di questo gas che poi può essere rilasciata all’occorrenza.
Un esempio è l’utilizzo di questi composti all’interno di alcune tipologie di batterie come quelle a nichel-metallo idruro (NiMH). Al loro interno infatti troviamo una lega metallica legata all’idrogeno che funge da elettrodo negativo. Le leghe più utilizzate sono quelle di lantanio-nichel (LaNi5) o di titanio-zirconio (TiZr2), in quanto hanno alte capacità di assorbire idrogeno senza che risulti complesso indurne un deassorbimento. Risultano inoltre stabili in soluzione alcalina e resistenti all’ossidazione.
Le proprietà dei composti fra idrogeno e non metallo
Esaminiamo ora i quattro idruri nominati prima. Il metano come sappiamo è un idrocarburo, l’alcano più semplice in quanto formato da un solo carbonio e 4 idrogeni. Si tratta di un gas inodore e incolore che usiamo come combustibile sia nei fornelli a gas che nei motori degli autoveicoli. Ha un forte potere calorifico, tanto che dalla combustione di un metro cubo di metano e si ottengono ben 8570 kcal.
L’ammoniaca si trova in forma pura sempre allo stato di gas, incolore e facilmente solubile in acqua, dall’odore pungente. Nella forma diluita in soluzione acquosa si utilizza come prodotto igienizzante e detergente dato che ha potere sgrassante. In ambito industriale trova applicazione anche come refrigerante, soprattutto nei magazzini refrigerati delle grandi aziende alimentari. Dall’ammoniaca si possono anche ricavare i sali d’ammonio, usati nella preparazione di composti battericidi.
La fosfina come i due idruri precedenti a temperatura ambiente è allo stato gassoso, ha un odore forte ed è facilmente infiammabile. A questo gas si deve il fenomeno dei fuochi fatui, in quanto lo producono dei microrganismi anaerobi durante il processo della decomposizione delle carcasse. Non a caso queste fiammelle si potevano osservare nei cimiteri o nei pressi delle paludi.
Rimane il silano, che come la fosfina è tossico e altamente infiammabile e piroforico, ovvero si infiamma anche a temperatura ambiente in presenza di ossigeno. Si utilizza durante alcuni processi di sintesi organica e per la produzione di silicio puro nell’industria dei semiconduttori.
Gli idruri nella ricerca
La particolarità degli idruri è che in condizioni di pressione molto elevata (nell’ordine dei Gigapascal) mostrano un comportamento da superconduttore anche a temperatura ambiente. Nel caso di un idruro di lantanio, che ha formula LaH10, si può ottenere la superconduttività a -23°C e a una pressione di 100 GPa. Per mantenere la pressione ambientale, ovvero circa 100 kPa, occorre portare i materiali in studio a temperature molto basse, al di sotto dei -140°C.
