L'acqua idrogenata è infiammabile? I piccoli volumi di gas nelle bottiglie, spiegati

Una bottiglia per acqua all'idrogeno usa l'elettrolisi per aggiungere idrogeno gassoso disciolto all'acqua, e l'idrogeno gassoso è davvero infiammabile: la preoccupazione, quindi, non è irragionevole a prima vista. In pratica, però, la domanda è più circoscritta: quanto idrogeno gassoso produce effettivamente una bottiglia e se quella quantità, utilizzata nel modo previsto, si avvicina mai alla concentrazione e alle condizioni che la letteratura sulla sicurezza dell'idrogeno associa all'innesco. Una volta calcolati i volumi effettivi, la risposta diventa una questione di aritmetica, non di intuizione, e i numeri sono ben al di sotto della soglia che trasformerebbe una bottiglia chiusa sul piano di lavoro in un rischio d'incendio.

• L'idrogeno gassoso mescolato all'aria si accende solo entro un intervallo specifico di concentrazioni, e una bottiglia usata correttamente non si avvicina mai al limite inferiore.
• Il volume di gas prodotto da una bottiglia, calcolato a partire dalla concentrazione disciolta misurata in laboratorio, è all'incirca pari a un paio di cucchiai, non a quello di un serbatoio.
• Perché si verifichi un'esplosione servono sia l'idrogeno sia un ossidante, come l'ossigeno, in uno spazio confinato; una bottiglia aperta e ventilata, in una stanza, non crea queste condizioni.

Perché ci si pone questa domanda

In breve, la minuscola quantità di idrogeno gassoso generata da una bottiglia, una volta dispersa in una stanza aperta secondo le modalità d'uso previste per il prodotto, non crea una miscela infiammabile. L'idrogeno è di per sé infiammabile, proprio come il gas naturale o i vapori della benzina, e non ha senso fingere il contrario. La domanda più utile, e a cui questo articolo risponde, è quanta quantità di gas sia presente in un dato momento e quali concentrazioni e condizioni sarebbero necessarie perché possa incendiarsi. Posta in questi termini, la questione fisica smette di essere una paura a cui rispondere con un sì o con un no e diventa un semplice confronto tra una piccola quantità misurata e una soglia molto più alta.

Cosa succede davvero nella bottiglia quando produce idrogeno

All'interno della bottiglia, una cella di elettrolisi PEM/SPE scinde una parte delle molecole d'acqua, producendo idrogeno disciolto da un lato della membrana e ossigeno, insieme a una traccia di ozono, dall'altro. Il meccanismo completo dell'elettrolisi è descritto nel dettaglio altrove, quindi qui basta ricordare il risultato: l'idrogeno si dissolve nell'acqua anziché raccogliersi sotto forma di una sacca di gas libero. La fascia di sicurezza a sfiato automatico del Core è progettata tenendo conto di questa distinzione. Consente ai sottoprodotti di ossigeno e ozono di fuoriuscire dalla camera, mentre l'idrogeno rimane disciolto nell'acqua, così la cella non accumula idrogeno gassoso in uno spazio sigillato, come farebbe un serbatoio pressurizzato.

Cosa significa davvero «infiammabile»

La ricerca sulla sicurezza dell'idrogeno definisce l'infiammabilità come un intervallo, non come un singolo punto d'innesco. Secondo i Sandia National Laboratories, il limite inferiore di infiammabilità generalmente accettato per l'idrogeno nell'aria, nel caso di una fiamma che si propaga verso l'alto, è pari al 4% in volume; questa soglia sale a circa l'8,5-9,5% per le fiamme che si propagano verso il basso o in modo sferico, a causa della bassa densità dell'idrogeno (fonte: Limiti di infiammabilità delle miscele di idrogeno e aria, Sandia National Laboratories). L'intervallo complessivo di infiammabilità va da circa il 4% al 74% di idrogeno nell'aria e, sebbene l'energia minima d'innesco dell'idrogeno sia molto bassa nella zona centrale di questo intervallo, per innescare una miscela che si trova proprio al limite inferiore serve molta più energia (fonte: Scheda informativa sulla sicurezza dell'idrogeno, Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti). Per raggiungere qualsiasi punto di questo intervallo è necessario anche un ossidante. La stessa scheda informativa del Dipartimento dell'Energia osserva che non può verificarsi un'esplosione in un serbatoio o in un altro spazio chiuso contenente solo idrogeno: perché la miscela possa diventare esplosiva deve essere presente anche ossigeno, in una percentuale di circa il 10% di ossigeno puro o il 41% di aria.

Idrogeno disciolto nell'acqua e idrogeno gassoso libero nell'aria: perché il LEL non si applica all'acqua

Il limite inferiore di infiammabilità descrive l'idrogeno gassoso mescolato all'aria, non l'idrogeno disciolto nell'acqua liquida. Un bicchiere di acqua idrogenata sulla scrivania non è affatto una miscela di gas e aria, quindi il dato del 4% non si applica finché una parte dell'idrogeno disciolto non esce effettivamente dall'acqua e passa nell'aria circostante. Inoltre, a causa della sua galleggiabilità, delle ridotte dimensioni molecolari e dell'elevata diffusività, una volta fuoriuscito dall'acqua l'idrogeno si disperde rapidamente verso l'alto e tutt'intorno, anziché restare fermo in un punto. Questo è uno dei motivi principali per cui le indicazioni sulla sicurezza dell'idrogeno trattano in modo così diverso gli ambienti aperti e ventilati rispetto ai contenitori sigillati o alle apparecchiature chiuse.

Facciamo i calcoli: quanto gas rilascia davvero una bottiglia

Per calcolare onestamente il volume di gas, questo esempio usa il valore verificato da un laboratorio indipendente, non la specifica commerciale. La pagina prodotto del Core indica una produzione «fino a 5000 ppb», ma quel numero descrive il valore massimo dichiarato dal venditore, non una misurazione. Il rapporto di certificazione di laboratorio indipendente Hydrion Core & Pulse descrive un test indipendente condotto da H2 Analytics con gas di calibrazione riconducibili al NIST e analisi gascromatografica, insieme a un'analisi della sicurezza dell'acqua effettuata da SGS Silver State Analytical Laboratory, che ha misurato 9,00-9,14 mg/L di idrogeno disciolto dopo 20 minuti in una bottiglia da 375 mL. Vale la pena notare che il volume testato di 375 mL è diverso dai 300 mL della camera indicati sulla pagina prodotto al dettaglio: per questo esempio usiamo insieme il valore e il volume testati, senza mescolare i due dati.

Considerando il valore misurato più alto, 9,14 mg/L, nell'intera bottiglia da 375 mL (0,375 L), si ottengono circa 3,43 mg di idrogeno disciolto in totale. La massa molare dell'idrogeno è 2,016 g/mol, quindi 3,43 mg corrispondono a circa 0,0017 mol. A temperatura e pressione standard, una mole di qualsiasi gas occupa 22,4 litri (fonte: Legge di Avogadro, Chemistry LibreTexts), perciò 0,0017 mol corrispondono a circa 38 millilitri di idrogeno gassoso, ovvero all'incirca due cucchiai e mezzo. Si tratta di un esempio di calcolo basato sul caso peggiore: presuppone che tutte le molecole di idrogeno disciolte nella bottiglia passino allo stato gassoso nello stesso istante, cosa che non avviene durante l'uso normale, quando l'idrogeno rimane disciolto e viene assunto bevendo, anziché essere rilasciato tutto in una volta.

Anche nel caso peggiore, con 38 mL, per raggiungere il limite inferiore di infiammabilità del 4% sarebbe necessario confinare tutto quel gas, non diluito, in uno spazio sigillato contenente meno di un litro d'aria, perché 38 mL divisi per il 4% corrispondono a circa 950 mL di miscela totale. Il confronto è volutamente ipotetico: descrive un contenitore sigillato che contiene solo quel gas e una piccola quantità d'aria, ma non è così che la bottiglia viene aperta, usata o conservata.

Perché durante l'uso normale la bottiglia non crea queste condizioni

Durante l'uso, la bottiglia per acqua all'idrogeno viene tenuta senza tappo tra un ciclo e l'altro e chiusa brevemente durante l'elettrolisi, in una normale stanza, anziché funzionare come un recipiente a pressione sigillato contenente idrogeno puro. L'eventuale idrogeno che fuoriesce dall'acqua si disperde quasi immediatamente nell'aria della stanza, anziché accumularsi in un punto fino a raggiungere una concentrazione infiammabile, per gli stessi motivi legati alla galleggiabilità e alla diffusività descritti sopra. La pressione che a volte si avverte quando si apre il tappo, e il motivo per cui la bottiglia ha un piccolo foro di sfiato nella base, sono aspetti meccanici, non problemi di infiammabilità; vengono trattati separatamente negli articoli su perché la bottiglia sibila o è difficile da aprire e a cosa serve la porta di sfiato sul fondo.

Un uso normale e ragionevole

Tutto questo non cambia il modo in cui dovresti usare o conservare la bottiglia: segui le istruzioni fornite con Hydrion Core e considera il piccolo volume di gas misurato sopra come un dato di contesto, non come un motivo per cambiare le tue abitudini. È anche importante essere precisi nell'esprimere il concetto. La formulazione corretta è che il volume di gas prodotto da una bottiglia, alle concentrazioni che raggiunge effettivamente, è ben al di sotto di quello necessario perché un contenitore sigillato diventi infiammabile; non che l'idrogeno disciolto non possa bruciare in nessuna circostanza. Questa distinzione mantiene le rassicurazioni ancorate agli stessi numeri appena analizzati, anziché basarsi su un'affermazione generica che va oltre quanto dimostrato dalle prove. Per una panoramica più ampia sugli effetti collaterali, i miti e la sicurezza generale, oltre al tema specifico dell'infiammabilità, consulta l'articolo L'acqua idrogenata è sicura?; se invece vuoi capire cosa misurano davvero i valori in ppb riportati per i prodotti a base di acqua idrogenata, l'articolo Acqua idrogenata: PPB e PPM spiega le unità usate per i valori di laboratorio riportati qui.