H2S è la formula chimica per il composto idrogeno solforato. L’idrogeno solforato è un composto covalente che è composto da 2 atomi di idrogeno legati ad un atomo di zolfo centrale. Come l’acqua (H20), l’idrogeno solforato è un calcogenuro di idrogeno, un composto fatto da idrogeno e un elemento del gruppo 16 (ossigeno, zolfo, selenio, tellurio). L’idrogeno solforato è non polare a causa dei suoi legami non polari H-S. La differenza EN tra idrogeno e zolfo è 0,4, quindi l’idrogeno e lo zolfo formano legami non polari. Anche se ha una geometria molecolare asimmetrica, l’intera molecola è non polare a causa dell’assenza di qualsiasi legame polare.
Il solfuro di idrogeno si incontra più comunemente come prodotto della respirazione anaerobica degli organismi solfidogenici. Per esempio, alcuni batteri che operano in assenza di ossigeno usano ioni solfato (SO4-) come accettore di elettroni terminale durante la respirazione cellulare che lo riduce in H2S. In altre parole, gli organismi sulfidogenici respirano zolfo ed esalano idrogeno solforato. Al contrario, negli organismi aerobici, l’ossigeno molecolare (O2) agisce come accettore di elettroni terminale durante la respirazione, che viene ridotto in H2O. È anche il prodotto dei processi nei vulcani e nelle formazioni di gas naturale.
Il solfuro di idrogeno è noto per il suo odore pungente che viene descritto come uova in putrefazione. È combustibile e reagisce con il calore e l’ossigeno per produrre biossido di zolfo (SO2) e acqua. Il solfuro di idrogeno è velenoso per gli esseri umani in grandi quantità. Il suo livello di tossicità è paragonabile a quello del monossido di carbonio (CO). Quando inalato, l’idrogeno solforato si lega agli enzimi nei mitocondri, il che impedisce la respirazione cellulare.
Polarità in poche parole
In sostanza, la polarità in chimica è una misura della distribuzione uniforme degli elettroni in una molecola. Quando due atomi formano un legame covalente, lo fanno condividendo gli elettroni di valenza. Ogni elemento ha un’elettronegatività che è una misura di quanto duramente tirano gli elettroni. Quando due elementi che differiscono molto nelle loro elettronegatività formano un legame covalente, l’elemento più elettronegativo tirerà più forte gli elettroni condivisi rispetto all’elemento meno elettronegativo. Il risultato è che gli elettroni condivisi sono tirati più vicino all’elemento più elettronegativo.
Lo spostamento ineguale delle cariche elettriche nella molecola dà all’elemento più elettronegativo una parziale carica negativa e all’elemento meno elettronegativo una parziale carica positiva. Questo è ciò che significa per una molecola essere polare; ha un dipolo parzialmente carico attraverso la sua struttura a causa della distribuzione spaziale non uniforme degli elettroni.
Se due atomi formeranno o meno un legame polare o non polare dipende dalle rispettive elettronegatività di quegli elementi. Se due elementi hanno una differenza tra 0,5 e 2, il legame è generalmente considerato polare. Se la differenza è inferiore a 0,5, è considerato funzionalmente non polare. Se la differenza è maggiore di 2, allora il legame è completamente polare, ed è più propriamente indicato come un legame ionico.
Per esempio, una molecola di acqua è polare in virtù dei suoi legami H-O. L’idrogeno ha un valore EN di 2,1 e l’ossigeno ha un valore EN di 3,5. La differenza tra questi due valori è 1,4, quindi i legami H-O sono considerati polari, con una parziale carica negativa sull’ossigeno.
La polarità del solfuro di idrogeno
Applicando la lezione precedente sulla polarità, possiamo scoprire se il solfuro di idrogeno è un composto polare. L’idrogeno ha un valore EN di 2,1 e lo zolfo ha un valore EN di 2,5. La differenza tra questi due valori è inferiore a 0,5, quindi i legami H-S sono classificati come non polari. Poiché l’idrogeno solforato consiste interamente di legami H-S non polari, l’intera molecola è non polare.
In senso stretto, i legami H-S non sono completamente non polari. Lo zolfo è leggermente più elettronegativo dell’idrogeno, quindi tira leggermente di più gli elettroni condivisi. Questa polarità è però molto debole, e praticamente, è utile trattare i legami debolmente polari come se non fossero affatto polari. Quindi, anche se i legami H-S sono tecnicamente un po’ polari, la maggior parte delle volte è sicuro trattarli come se fossero non polari. Gli unici legami veramente non polari si formano tra atomi con valori EN identici (come le molecole biatomiche) La leggerissima polarità del solfuro di idrogeno ha effetti significativi su piccole scale, quindi in certe circostanze, sarebbe opportuno trattare i legami H-S come polari.
Il solfuro di idrogeno come un composto
Il solfuro di idrogeno è una molecola triatomica (3 atomi) che consiste di un atomo di zolfo centrale e 2 atomi di idrogeno terminali. Come una molecola d’acqua, l’idrogeno solforato ha una struttura geometrica piegata con un angolo di legame di 92,1° e una lunghezza di legame di 136 picometri (1 picometro = 1 trilionesimo di metro). È un po’ più denso dell’aria ed è esplosivo in presenza di ossigeno e di calore. Il solfuro di idrogeno è leggermente solubile in acqua e si dissocia in un protone solitario (H+) e uno ione idrosolfuro (HS-). Questo comportamento rende il solfuro di idrogeno un acido debole.
Il solfuro di idrogeno è combustibile e reagisce con ossigeno e calore per formare anidride solforosa e acqua. Ad alta temperatura, il diossido di zolfo si converte in zolfo elementare e acqua, quindi la combustione del solfuro di idrogeno è spesso usata come uno dei passaggi per produrre zolfo elementare puro. Reagisce con ioni metallici per formare solfuri metallici, più comunemente con il piombo (Pb) per formare solfuro di piombo (II) (PbS). Al contrario, trattando i solfuri metallici con un acido forte si produce idrogeno solforato.
Occursioni di idrogeno solforato
La respirazione anaerobica
Una delle principali fonti naturali di idrogeno solforato è l’attività dei batteri solfidogenici. I batteri solfidogenici usano lo zolfo al posto dell’ossigeno per il loro metabolismo. Durante la respirazione solfidogenica, i batteri usano ioni solfato come agente riducente per trasportare gli elettroni sul treno di trasporto degli elettroni. Alla fine di questa reazione, gli ioni di solfato sono ridotti in solfuro di idrogeno che viene rilasciato nell’ambiente. L’attività dei batteri solfidogenici e i loro prodotti di idrogeno solforato sono responsabili dell’odore di putrefazione associato a luoghi con grandi quantità di materia organica in decomposizione, come le paludi o le fogne.
L’attività dei batteri solfidogenici è di fondamentale importanza per il ciclo dello zolfo sulla terra. Così, l’idrogeno solforato è uno dei principali costituenti del ciclo dello zolfo. Il ciclo dello zolfo è il processo attraverso il quale lo zolfo viene riciclato nell’ambiente, negli organismi viventi e di nuovo nell’ambiente. Lo zolfo è un oligoelemento necessario per gli organismi viventi, quindi il ciclo dello zolfo è quello che mantiene una fornitura costante di zolfo elementare per gli organismi viventi da usare. La produzione di idrogeno solforato dai batteri sulfidogenici rappresenta un passo importante in questo ciclo; la produzione dello zolfo che alla fine si farà strada negli organismi viventi.
Attività geologica
Piccole quantità di idrogeno solforato sono prodotte anche in reazioni geochimiche nella crosta terrestre. La crosta terrestre contiene grandi quantità di zolfo e di minerali contenenti zolfo. In presenza di calore e pressione, i composti di solfuro di metallo subiranno l’idrolisi con l’acqua per formare un ossido di metallo e un gas di idrogeno solforato. Come tale, l’idrogeno solforato è un prodotto naturale del processo che crea il gas naturale. Infatti, una grande quantità di idrogeno solforato è prodotta attraverso la separazione di esso dai depositi di gas naturale. Meccanismi simili portano anche alla formazione di idrogeno solforato nelle bocchette termiche oceaniche.
Negli esseri umani
Anche se l’idrogeno solforato è estremamente tossico per gli esseri umani in grandi quantità, piccole quantità di idrogeno solforato svolgono un ruolo cruciale nella biologia umana. L’idrogeno solforato nel corpo agisce spesso come molecola di segnalazione che regola la quantità di produzione di ATP durante la respirazione cellulare. L’idrogeno solforato sembra anche essere implicato nella vasocostrizione dei vasi sanguigni animali e nel tasso di germinazione dei semi nelle piante.
Tossicità dell’idrogeno solforato
In generale, l’idrogeno solforato è molto tossico per i respiratori obbligati di ossigeno. I suoi meccanismi d’azione sono simili a quelli del monossido di carbonio. L’idrogeno solforato si lega a importanti enzimi e cofattori, impedendo loro di fare il loro lavoro durante la respirazione cellulare. Poiché l’idrogeno solforato è prodotto naturalmente nel corpo umano, il corpo ha dei meccanismi per rimuovere l’idrogeno solforato, anche se questi meccanismi possono essere superati da una dose abbastanza grande.
I sintomi dell’avvelenamento da idrogeno solforato sono simili a quelli dell’avvelenamento da monossido di carbonio; affaticamento, vertigini, incapacità di concentrarsi, perdita di memoria e irritabilità. Anche se inizialmente l’odore è pungente, il corpo si abitua rapidamente all’odore, il che può rendere le persone inconsapevoli della sua presenza. È leggermente più denso dell’aria, quindi ha la tendenza ad accumularsi vicino al fondo di spazi poco ventilati. Il corpo umano può tollerare basse concentrazioni di idrogeno solforato per qualche tempo. In alte concentrazioni, l’inalazione di idrogeno solforato può essere immediatamente fatale o causare gravi danni al cervello.
Storicamente, i medici hanno diagnosticato casi estremi di avvelenamento da idrogeno solforato mettendo una moneta di rame nella tasca della vittima. Se il paziente ha elevate quantità di idrogeno solforato nel suo corpo, reagirà con la moneta di rame nella sua tasca, ossidandola e facendola diventare verde.
Il paziente è un avvelenatore di idrogeno.