L’idrogeno (H), una sostanza gassosa incolore, inodore, insapore e infiammabile, è il membro più semplice della famiglia degli elementi chimici. L’atomo di idrogeno ha un nucleo costituito da un protone con un’unità di carica elettrica positiva; un elettrone, con un’unità di carica elettrica negativa, è associato a questo nucleo. In condizioni ordinarie, l’idrogeno gassoso è una libera aggregazione di molecole di idrogeno, ognuna delle quali consiste in una coppia di atomi, una molecola biatomica, H2. La prima importante proprietà chimica conosciuta dell’idrogeno è che brucia con l’ossigeno per formare l’acqua, H2O; infatti, il nome idrogeno deriva da parole greche che significano “creatore di acqua.”
Anche se l’idrogeno è l’elemento più abbondante nell’universo (tre volte più abbondante dell’elio, l’elemento successivo più diffuso), costituisce solo lo 0,14% circa della crosta terrestre in peso. Si presenta, tuttavia, in grandi quantità come parte dell’acqua negli oceani, nei banchi di ghiaccio, nei fiumi, nei laghi e nell’atmosfera. Come parte di innumerevoli composti del carbonio, l’idrogeno è presente in tutti i tessuti animali e vegetali e nel petrolio. Anche se si dice spesso che ci sono più composti conosciuti del carbonio che di qualsiasi altro elemento, il fatto è che, poiché l’idrogeno è contenuto in quasi tutti i composti del carbonio e forma anche una moltitudine di composti con tutti gli altri elementi (tranne alcuni dei gas nobili), è possibile che i composti dell’idrogeno siano più numerosi.
L’idrogeno elementare trova la sua principale applicazione industriale nella fabbricazione dell’ammoniaca (un composto di idrogeno e azoto, NH3) e nell’idrogenazione dell’ossido di carbonio e dei composti organici.
L’idrogeno ha tre isotopi conosciuti. I numeri di massa degli isotopi dell’idrogeno sono 1, 2 e 3, il più abbondante essendo l’isotopo di massa 1 generalmente chiamato idrogeno (simbolo H, o 1H) ma anche conosciuto come protio. L’isotopo di massa 2, che ha un nucleo di un protone e un neutrone ed è stato chiamato deuterio, o idrogeno pesante (simbolo D, o 2H), costituisce lo 0,0156% della miscela ordinaria di idrogeno. Il trizio (simbolo T, o 3H), con un protone e due neutroni in ogni nucleo, è l’isotopo di massa 3 e costituisce circa il 10-15-10-16 per cento dell’idrogeno. La pratica di dare nomi distinti agli isotopi dell’idrogeno è giustificata dal fatto che ci sono differenze significative nelle loro proprietà.
Paracelso, medico e alchimista, nel XVI secolo sperimentò inconsapevolmente l’idrogeno quando scoprì che un gas infiammabile si sviluppava quando un metallo veniva sciolto in acido. Il gas, tuttavia, fu confuso con altri gas infiammabili, come gli idrocarburi e il monossido di carbonio. Nel 1766 Henry Cavendish, chimico e fisico inglese, dimostrò che l’idrogeno, allora chiamato aria infiammabile, flogisto o principio infiammabile, si distingueva dagli altri gas combustibili per la sua densità e per la quantità di esso che si evolveva da una data quantità di acido e metallo. Nel 1781 Cavendish confermò le osservazioni precedenti che l’acqua si formava quando l’idrogeno veniva bruciato, e Antoine-Laurent Lavoisier, il padre della chimica moderna, coniò la parola francese hydrogène da cui deriva la forma inglese. Nel 1929 Karl Friedrich Bonhoeffer, un chimico fisico tedesco, e Paul Harteck, un chimico austriaco, sulla base di un precedente lavoro teorico, dimostrarono che l’idrogeno ordinario è una miscela di due tipi di molecole, orto-idrogeno e para-idrogeno. A causa della semplice struttura dell’idrogeno, le sue proprietà possono essere calcolate teoricamente con relativa facilità. Quindi l’idrogeno è spesso usato come modello teorico per atomi più complessi, e i risultati sono applicati qualitativamente ad altri atomi.