L' idrogeno liquido è il diidrogeno raffreddato sotto del punto di rugiada, è 20.28 gradi Kelvin ( -252,87 ° C ) a pressione atmosferica ( 101 325 Pa ). Quindi ha una densità di 70,973 kg / m 3 .
Viene generalmente indicato con l'acronimo LH2 per applicazioni astronautiche . Si tratta infatti di uno dei combustibili liquidi più utilizzati al decollo, ad esempio dallo space shuttle americano , dal lanciatore Delta IV o dal lanciatore Ariane 5 .
Il chimico e fisico scozzese James Dewar fu il primo a riuscire, nel 1899, a liquefare l'idrogeno, combinando il raffreddamento meccanico del gas con l' espansione adiabatica . Il suo processo è stato migliorato da un altro chimico e fisico, il francese Georges Claude , per dare quello che è stato chiamato dal ciclo di Claude :
Un altro processo, il ciclo Brayton , utilizza elio liquido (l'unico gas che si liquefa a una temperatura inferiore a quella del diidrogeno ) miscelato con argon (per aumentarne il peso molecolare medio in modo da renderlo termodinamicamente più efficiente nelle fasi di raffreddamento a compressione).
L'energia teorica di liquefazione dell'idrogeno (funzionamento ideale) è di circa 14 MJ / kg dalla pressione atmosferica, cioè sedici volte di più che per liquefare una massa equivalente di diazoto .
La densità dell'idrogeno liquido è bassa per cui il numero di atomi di idrogeno contenuti in un dato volume di idrogeno liquido è inferiore rispetto al caso di alcuni idrocarburi liquidi. Il calore di combustione di un dato volume di idrogeno liquido è inferiore a quello dello stesso volume di questi idrocarburi.
Dimostrazione Densità dell'idrogeno liquido = 70,973 kg / m 3 . Numero di moli di H in 1 m 3 di liquido H 2 = 70,973 • 1000 / 1,00794 = 70 414 mol / m 3 . Densità di ottano (C 8 H 18 ) = 700 kg / m 3 . Massa molare di ottano = 114,2285 g / mol. Numero di moli di ottano per metro cubo = 700 • 1000 / 114,2285 = 6 128,07 mol / m 3 . Numero di moli di idrogeno per metro cubo di ottano = 6.128,07 • 18 = 110.305 mol / m 3 .La densità dell'idrogeno gassoso è di 0,08988 g / L, mentre quella dell'idrogeno liquido raggiunge i 70,9 g / L.
La compressione del gas a 800 atmosfere produce un gas con una densità di 44 g / L.
La molecola di idrogeno ha due forme allotropiche:
L'ortoidrogeno rappresenta il 75% delle molecole a temperatura ambiente, ma solo lo 0,21% a 20 K , essendo la transizione orto → para esotermica (527 kJ / kg ). Per evitare che si verifichi durante lo stoccaggio, e provochi l'ebollizione di buona parte del gas liquefatto (quasi la metà in dieci giorni se la conversione è consentita naturalmente), eseguiamo fino al 95% dell'orto → conversione para al momento della liquefazione utilizzando catalizzatori come l' ossido di ferro (III) Fe 2 O 3, carbone attivo , amianto platinato, terre rare , composti dell'uranio , ossido di cromo (III) Cr 2 O 3così come alcuni composti di nichel .