in condizioni Temperatura 20"C, pressione 1 atmosfera; idrogeno molecolare e' in equilibrio termodinamico con idrogeno atomico e idrogeno ionizzato; la domanda e': la frazioni di protoni liberi rispetto al nr totale.
In condizioni standard di T = 20°C (293.15 K) e P = 1 atm, la frazione di protoni liberi rispetto al numero totale di nuclei di idrogeno è praticamente pari a zero (approx 0).
A temperature così basse, l'equilibrio termodinamico è totalmente spostato verso la forma molecolare (H2).
Per comprendere l'ordine di grandezza microscopico di questa frazione, occorre analizzare le energie necessarie per dissociare e ionizzare l'idrogeno rispetto all'energia termica media disponibile nel sistema.
La probabilità che una particella o un legame superi queste barriere energetiche per effetto delle fluttuazioni termiche è proporzionale al fattore di Boltzmann exp(-∆E/kT)
ext(-4.48/0.0253) ≈ exp(-177) ≈ 10-77
exp(-13.6/0.0253) ≈ exp(-537) ≈ 10-233
Anche applicando rigorosamente l'equazione di Saha per la ionizzazione dei gas e la legge di azione di massa per la dissociazione chimica, i rapporti di equilibrio cinematico mostrano che la popolazione di atomi isolati è infinitesima, e quella di protoni liberi (idrogeno ionizzato) è talmente microscopica da non essere rappresentabile su scala fisica reale. In tutto l'universo osservabile non vi sarebbe, statisticamente, nemmeno un singolo protone libero derivante dall'equilibrio termodinamico in un contenitore di idrogeno a 20"C.
La frazione di protoni liberi rispetto al numero totale di nuclei di idrogeno è pari a 0 per qualsiasi fine pratico o sperimentale, essendo microscopicamente stimata nell'ordine di <10-200.
Se stai studiando questo fenomeno per un'applicazione specifica, desideri vedere le formule matematiche complete dell'equazione di Saha o vuoi calcolare a quale temperatura critica la frazione di protoni liberi inizia a diventare significativa (es. all'interno delle stelle)?
Hai detto:
aumentando la pressione nel contenitore di idrogeno a 200 atmosfere, cambierebbe qualcosa nel ragionamento e nella conclusione?
No, l'aumento della pressione a 200 atmosfere non cambia la conclusione: la frazione di protoni liberi rimane praticamente pari a zero e del tutto trascurabile.
Tuttavia, dal punto di vista termodinamico, l'aumento di pressione sposta l'equilibrio in modo da ridurre ulteriormente la frazione di protoni, rendendola ancora più microscopica.
Le reazioni di dissociazione e ionizzazione aumentano il numero di particelle totali nel sistema:
Secondo il principio di Le Châtelier, aumentando la pressione, il sistema si oppone allo stimolo esterno spostando l'equilibrio verso la direzione che occupa meno volume (ovvero dove ci sono meno particelle libere). Di conseguenza, l'aumento a 200 atmosfere spinge l'equilibrio ancora più a sinistra, favorendo massicciamente la molecola H2 .
Se consideriamo l'equazione di Saha per la ionizzazione, la frazione di atomi ionizzati α è inversamente proporzionale alla radice quadrata della pressione α ∝ 1/√P.
Il ragionamento cambierebbe solo se la pressione aumentasse di milioni di atmosfere (pressioni gigapascal, tipiche del nucleo di Giove). A quel punto si verificherebbe la metallizzazione dell'idrogeno: gli orbitali atomici si sovrapporrebbero a causa del confinamento spaziale, distruggendo i legami molecolari e liberando gli elettroni in una banda di conduzione, lasciando i protoni liberi in un fluido degenere. 200 atmosfere sono però infinitamente troppo basse per innescare questo fenomeno.
A 200 atmosfere il gas è solo più denso, ma l'energia termica molecolare a 20°C (0.0253 eV) rimane drammaticamente insufficiente per vincere l'energia di ionizzazione (13.6 eV). La frazione di protoni scende da un valore infinitesimo a uno ancora più infinitesimo.
Hai detto:
quali sono quindi le difficolta' di immagazzinare idrogeno in contenitori?
Le difficoltà di immagazzinare l'idrogeno nei contenitori non derivano dalla presenza di protoni liberi o dalla ionizzazione (che abbiamo visto essere nulla), ma dalle proprietà fisiche e chimiche intrinseche della molecola di idrogeno (H2).
L'idrogeno è la molecola più piccola, leggera e sfuggente dell'universo, il che rende il suo stoccaggio una delle sfide ingegneristiche più complesse per la transizione energetica.
Ecco le principali difficoltà tecniche, divise per categoria:
Degrado dei metalli: Le molecole di H2 sono così piccole che possono dissociarsi sulla superficie di alcuni metalli (come l'acciaio ad alta resistenza). Gli atomi di idrogeno penetrano poi all'interno della struttura cristallina del metallo.
Crepe strutturali: Una volta dentro, l'idrogeno indebolisce i legami atomici del contenitore, rendendo il metallo fragile e soggetto a crepe improvvise e cedimenti strutturali sotto pressione. Per i serbatoi servono materiali speciali o rivestimenti interni polimerici (liner).
Sei interessato a capire come la ricerca sta superando questi limiti, ad esempio tramite lo stoccaggio chimico (sotto forma di ammoniaca o idruri metallici solidi), oppure ti interessa il confronto tra serbatoi a 700 bar e quelli criogenici?