Hydrogen loading and hydrogen occlusion on metals

This post is the continuation of “Electric flow in gases”

It is well known that some transition metals are able to absorb hydrogen accepting it into the interstices of their crystalline lattice and that this process is triggered spontaneously when the temperature exceeds a threshold which depends on the type of metal. Once the hydrogen has been absorbed by the hot metal, if the temperature is lowered, it remains trapped (hydrogen occlusion) and can not escape even if the high vacuum is applied. The only way to release the absorbed hydrogen is by the heating at a sufficiently high temperature. The entrance into the metal can be explained by the increase in kinetic energy of gaseous hydrogen at the moment of the impact with the surface of the metal due to the temperature increase.
Since the existence of an electrical conduction in a gas allows to accelerate its ions through the action of the voltage existing between the two electrodes, this is equivalent to the heating of a part of the gas which will then have sufficient energy to enter into the metal. Note that with a 1mV voltage the temperature difference is about 7°C (for more info have a look at the post titled “Hot nuclear fusion or cold nuclear fusion?”).
If the number of hydrogen atoms that have an impact in the metal is sufficiently low to allow the metal to dissipate the energy received by the incident gas, its temperature will change moderately and it may trap the accidents hydrogen atoms. Assuming that the anomalous thermal phenomena are bound to the overcoming of a certain concentration of hydrogen in the metal (a threshold process), this mechanism provides a method for obtaining the hydrogen loading in the metal in an efficient and controlled way.

Caricamento dell'idrogeno sui metalli

Questo articolo è la continuazione di “Conduzione elettrica nei gas”

È noto che diversi metalli di transizione sono in grado di assorbire idrogeno accogliendolo negli interstizi del proprio reticolo cristallino e che tale processo si innesca spontaneamente quando la temperatura supera una certa soglia che dipende dal tipo di metallo. Una volta che l’idrogeno è stato assorbito a caldo dal metallo, se la temperatura viene abbassata, resta intrappolato (occlusione dell’idrogeno) e non può fuoriuscire nemmeno se viene applicato l’alto vuoto. L’unico modo per far rilasciare l’idrogeno assorbito è tramite il riscaldamento a temperatura sufficientemente elevata. L’ingresso nel metallo si spiega con l’aumento dell’energia cinetica degli atomi di idrogeno gassosi al momento dell’impatto con la superficie del metallo per via dell’aumento della temperatura.
Dal momento che l’esistenza di una conduzione elettrica in un gas permette di accelerare i suoi ioni tramite l’azione della tensione presente fra i due elettrodi, questo equivale al riscaldamento di una parte del gas che quindi avrà energia sufficiente per entrare nel metallo. Si noti che con una tensione di 1mV il salto di temperatura è di circa 7°C (si consiglia la lettura del pezzo intitolato “Fusione nucleare calda o fusione nucleare fredda?”).
Se il numero di atomi di idrogeno che impattano nel metallo è sufficientemente basso da consentire al metallo di dissipare l’energia ricevuta dal gas incidente, la sua temperatura cambierà moderatamente e potrà intrappolare gli atomi di idrogeno incidenti. Nell’ipotesi che i fenomeni termici anomali siano vincolati al superamento di una certa concentrazione di idrogeno nel metallo (processo a soglia) questo meccanismo offre un metodo per ottenere il caricamento dell’idrogeno nel metallo in modo efficiente e controllato.

Electric flow in gases

The current flow between two metal electrodes immersed in a gas occurs by the ionization of the gas particles acting as charge carriers. The ionized gas particles by the capture of an electron (negative ions) travel from the electrode with negative polarity to that with positive polarity, those ionized by the loss of an electron (positive ions) travel in the opposite direction.
It should be noted that a variation of charge carriers occurs in the conduction process between the metal electrodes and the gas interface. While in the metal the electric current flow is given by electrons, in gas the charge carriers are its ions.
The discharge voltage, ie the voltage to which the conduction is triggered by spark, depends on distance between the electrodes (the greater the distance, the greater the voltage required to trigger the conduction), on pressure, on temperature and on gas type. Experimentally, it is demonstrated that the dependence of the discharge voltage passes for a minimum value at a certain pressure and then rises to very high values ​​for pressures tending to zero ie to approaching the absolute vacuum. Absolute vacuum condition is an extreme situation where the current passage between two metal electrodes can occur only if electrons disengage from the electrode with negative polarity and travel to the other electrode with positive polarity. It should be noted that what is written is true only if the phenomenon of thermoelectric emission is absent or negligible.
Hydrogen is a chemical element that under normal conditions is a biatomic molecule. In the molecule, two hydrogen atoms are joined together in a stable structure composed of two protons and two electrons. The bond that joins the two atoms may break under certain conditions, resulting in the formation of two identical hydrogen atoms made of a single proton and a single electron. This type of structure, that is, the hydrogen atom, is the simplest atomic structure existing in our universe.
Now, if an hydrogen atom acquires an electron, it turns into a H^- ion, an entity that, while not being neutral, is still atomic in the sense that it is constituted by a positive nucleus surrounded by a negative electronic cloud. Speaking of size, although it increase, it changes slightly.
Instead, if an hydrogen atom loses an electron transforming into an H⁺ ion and it becomes an atom without electronic cloud (it becomes a nucleus which in this case is a proton) and therefore no longer belongs to the entities of atomic type and its size collapses in several orders of magnitude (about 30,000 times smaller).

Conduzione elettrica nei gas

Il passaggio di corrente fra due elettrodi metallici immersi in un gas avviene grazie alla ionizzazione delle particelle di gas che fungono da portatori di carica. Le particelle di gas ionizzate per acquisizione di un elettrone (ioni negativi) viaggiano dall’elettrodo con polarità negativa a quello con polarità positiva, quelle ionizzate per perdita di un elettrone (ioni positivi) viaggiano in direzione opposta.
Si osservi che nel processo di conduzione all’interfaccia fra gli elettrodi metallici e il gas avviene una variazione dei portatori di carica. Mentre nel metallo sono gli elettroni a trasferire la carica e a far passare la corrente elettrica, nel gas i portatori di carica sono i suoi ioni.
La tensione di scarica, cioè la tensione a cui si innesca la conduzione tramite scintilla, dipende dalla distanza fra gli elettrodi (maggiore la distanza, maggiore la tensione necessaria per innescare la conduzione ), dalla pressione, dalla temperatura e dal tipo di gas. Sperimentalmente si riscontra che la dipendenza della tensione di scarica passa per un valore minimo a una certa pressione per poi salire a valori molto elevati per pressioni tendenti a zero cioè all’approssimarsi al vuoto assoluto. La condizione di vuoto assoluto è una situazione estrema in cui il passaggio di corrente fra due elettrodi metallici può avvenire soltanto se degli elettroni si staccano dall’elettrodo con polarità negativa e viaggiano fino all’altro elettrodo con polarità positiva. Si fa notare che quanto scritto è vero solo se il fenomeno dell’emissione termoelettronica è assente o trascurabile.
L’idrogeno è un elemento chimico che in condizioni normali si presenta come molecola biatomica. Nella molecola due atomi di idrogeno sono uniti fra loro in una struttura stabile composta da due protoni e da due elettroni. Il legame che unisce i due atomi in alcune condizioni può rompersi dando luogo alla formazione di due atomi di idrogeno identici formati da un solo protone e da un solo elettrone. Questo tipo di struttura, cioè l’atomo di idrogeno, è la più semplice struttura atomica esistente nel nostro universo.
Ora, se un atomo di idrogeno acquisisce un elettrone si trasforma in uno ione H^-, un’entità che pur non essendo neutra è ancora di tipo atomico nel senso che è costituita da un nucleo positivo circondato da una nuvola elettronica negativa. Parlando di dimensioni, pur aumentando cambiano in modo contenuto.
Invece, se un atomo di idrogeno perde un elettrone trasformandosi in uno ione H⁺ diventa un atomo privo di nuvola elettronica ovvero un nucleo (che in questo caso è un protone) e pertanto non appartiene più alle entità di tipo atomico e le sue dimensioni collassano di diversi ordini di grandezza (circa 30˙000 volte più piccolo).