Le proprietà dell’idrogeno includono che, nel suo stato naturale sulla Terra, è un gas incolore e inodore estremamente infiammabile. È l’elemento più leggero conosciuto in natura, occupando in media il 75% di tutta la massa dell’universo in stelle, pianeti e altri oggetti stellari. L’idrogeno è anche essenziale per tutta la vita sulla Terra, dove costituisce il 14% della materia vivente in peso, poiché forma facilmente legami con l’ossigeno per creare acqua e carbonio per creare le molecole che sono la base su cui si basano le strutture viventi e la maggior parte delle molecole organiche Sono costruiti.
Mentre la forma più abbondante di idrogeno è il protium, dove ha solo un protone nel suo nucleo atomico e un elettrone in orbita attorno al nucleo, esistono anche altri due isotopi dell’idrogeno. Il protio rappresenta il 99.985% di tutto l’idrogeno naturale e il deuterio rappresenta quasi lo 0.015% con un protone e un neutrone nel nucleo atomico, il che gli conferisce una massa doppia rispetto a quella del protio. Il trizio è la terza forma di idrogeno, che è estremamente raro in natura, ma può essere prodotto artificialmente. È instabile e mostra decadimento radioattivo con un’emivita di 12.32 anni. Ha due neutroni nel nucleo atomico per un protone ed è un composto chiave prodotto e utilizzato nelle bombe all’idrogeno per aumentarne la resa, nonché nella produzione di energia da fissione nucleare e nella ricerca sulla fusione nucleare.
Le proprietà chimiche dell’idrogeno, con un solo elettrone in orbita, lo portano ad essere un elemento altamente reattivo che forma legami con molti altri elementi. Nel suo stato naturale nell’atmosfera, si lega a un altro atomo di idrogeno come fa l’ossigeno, per formare H2. Le molecole di H2 possono anche essere uniche a seconda dello spin dei loro nuclei, con molecole di H2 in cui entrambi i nuclei ruotano nella stessa direzione chiamate ortoidrogeno e quelle con spin opposte note come paraidrogeno. L’ortoidrogeno è la forma più comune di H2 a pressione atmosferica e temperatura normali sotto forma di gas, ma, quando raffreddato in forma liquida come per il carburante per missili, l’ortoidrogeno si trasforma in paraidrogeno.
Le proprietà fisiche dell’idrogeno e la sua diffusa abbondanza sulla terraferma e negli oceani della Terra ne fanno un’importante area di ricerca in quanto fonte di carburante virtualmente illimitata. Tutte le forme di combustibili fossili e alcoli come benzina, gas naturale ed etanolo sono composte da catene di idrocarburi in cui l’idrogeno, il carbonio e talvolta l’ossigeno sono legati insieme. Separare l’idrogeno puro come fonte di combustibile abbondante e a combustione pulita è di per sé facile, ma la forza necessaria per liberare l’idrogeno dai legami chimici e quindi raffreddarlo per lo stoccaggio spesso richiede più energia di quella che l’idrogeno puro può generare. Per questo motivo, le proprietà dell’idrogeno fanno sì che i suoi usi più comuni siano dove si trova nei legami chimici con altri elementi.
La ricerca sulla produzione di energia da fusione si basa anche sulle proprietà chimiche dei composti dell’idrogeno deuterio e trizio. Le proprietà dell’idrogeno utilizzate da tutte le stelle fondono insieme gli atomi di idrogeno sotto un’intensa pressione per rilasciare elio ed energia sotto forma di luce e calore. Pressioni simili vengono generate nelle strutture di ricerca che utilizzano potenti campi magnetici, laser a confinamento inerziale o impulsi elettrici negli Stati Uniti, in Europa e in Giappone.
Quando avviene la fusione degli atomi di idrogeno, viene creato un atomo di elio che trasporta il 20% dell’energia in eccesso dal processo e l’80% dell’energia viene trasportato da un neutrone libero. Questa energia o calore di neutroni viene quindi assorbita da un fluido per creare vapore e alimentare una turbina per produrre elettricità. Il processo rimane tuttavia ancora sperimentale, a partire dal 2011. Ciò è dovuto alle tremende pressioni che devono essere mantenute per fondere insieme gli atomi di idrogeno continuamente e per realizzare macchine in grado di sopportare temperature prodotte in fusione che raggiungono i 212,000,000° Fahrenheit (100,000,000° Celsius ).