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Hydrogène
Données   
— - Hydrogène - Hélium

H
Li
 
 
 
 
1
H
 
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               

Table complète - Table étendue

Général
Nom, Symbole, Numéro Hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.), H, 1
Série chimique Non-métal
Groupe, Période, Bloc 1, 1, s
Masse volumique (Pour toute substance homogène, le rapport de la masse m correspondant à un volume V de cette substance est indépendante de la quantité choisie : c'est une caractéristique du matériau...) 0,089 9 kg/m3
Couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).) Aucune
Propriétés atomiques
Masse atomique (La masse atomique (ou masse molaire atomique) d'un isotope d'un élément chimique est la masse relative d'un atome de cet isotope ; la comparaison est faite avec le carbone 12 dont la...) 1,00794 u
Rayon atomique (calc) 25 (53) pm
Rayon de covalence 37 pm
Rayon de van der Waals 120 pm
Configuration électronique 1s1
Électrons par niveau d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) 1
État(s) d'oxydation 1
Oxyde amphotère
Structure cristalline Hexagonale
Propriétés physiques
État ordinaire Gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de...)
Température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de...) de fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état liquide. Pour un corps pur, c’est-à-dire pour une substance constituée de molécules toutes identiques, la fusion...) 14,025 K
Température de vaporisation 20,268 K
Énergie de fusion 0,058 68 kJ/mol
Énergie de vaporisation 0,449 36 kJ/mol
Volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) molaire 11,42x10-3 m3/mol
Pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) de la vapeur ()
Vélocité (VéloCité est un service de prêt gratuit mis en place par la ville d'Angers qui fournit aux personnes qui habitent ou travaillent à Angers des bicyclette aux couleurs de la ville.) du son 1 270 m/s à 20 °C
Divers
Électronégativité (Pauling) 2,2
Chaleur massique (La chaleur massique (symbole c ou s), qu'il convient d'appeler capacité thermique massique[1] est déterminée par la quantité d'énergie à apporter par échange thermique pour élever d'un degré la...) 14 304 J/(kg·K)
Conductivité électrique (La conductivité électrique est l'aptitude d'un matériau à laisser les charges électriques se déplacer librement, autrement dit à permettre le passage du courant électrique.) — S/m
Conductivité thermique (La conductivité thermique est une grandeur physique caractérisant le comportement des matériaux lors du transfert de chaleur par conduction. Cette constante apparaît par exemple dans la loi...) 0,181 5 W/(m·K)
1er potentiel d'ionisation (L'ionisation est l'action qui consiste à enlever ou ajouter des charges à un atome ou une molécule. L'atome - ou la molécule - en perdant ou en gagnant des charges n'est plus neutre...) 1 312 kJ/mol
Isotopes les plus stables
iso AN période MD Ed MeV PD
1H 99,985 % stable avec 0 neutrons
2H 0,015 % stable avec 1 neutrons
3H syn 12,33 ans β- 0,019 3He
4H syn ? n 2,980 3H
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

Sur Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des...) et hormis les composés avec d'autres atomes, la molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la plus petite...) d'hydrogène se présente le plus souvent sous la forme d'un corps simple gazeux : le dihydrogène (H2), souvent appelé simplement " hydrogène ". L'hydrogène est présent dans de nombreuses molécules : eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.), sucre (Ce que l'on nomme habituellement le sucre est, dès 1406, une "substance de saveur douce extraite de la canne à sucre" (Chrétien de Troyes, Le...), protéines, hydrocarbures.

Il est également le principal constituant du Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification...) et de la plupart des étoiles, dont l'énergie provient de réactions de fusion thermonucléaire de l'hydrogène.

Étonnamment, l'hydrogène est un métal : lorsqu'il est sous forme solide (très hautes pressions et très basses températures), il cristallise avec une liaison métallique (La liaison métallique est un type de liaison chimique, la liaison qui permet la cohésion des atomes d'un métal.) (voir hydrogène métallique). Dans le tableau (Tableau peut avoir plusieurs sens suivant le contexte employé :) périodique des éléments, il est d'ailleurs dans la colonne des métaux alcalins. N'étant pas présent à l'état solide sur Terre, il n'est toutefois pas considéré comme un métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des liaisons ioniques dans le cas des métaux alcalins. Les métaux sont...) en chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles...). De façon simpliste sa nature métallique est due à son électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.) périphérique sur son unique et dernière couche saturée à deux électrons.

Caractéristiques principales

L'hydrogène est l'élément chimique le plus simple ; son isotope (Le noyau d'un atome est constitué en première approche de protons et de neutrons. En physique nucléaire, deux atomes sont dits isotopes s'ils ont le même nombre de protons. Le nombre de protons dans le noyau d'un atome est...) le plus commun est constitué seulement d'un proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire positive.) et d'un électron. La masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution...) de l'électron étant négligeable devant celles des protons et des neutrons, ce sont ces derniers qui déterminent la masse des atomes (donc leur poids). L'hydrogène est ainsi le plus léger atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est généralement...) existant.

Sur Terre et hormis les composés avec d'autres atomes, il se présente le plus souvent sous la forme d'un gaz : le dihydrogène. Sous des très faibles pressions, comme celles qui existent dans l'espace, l'hydrogène a tendance à exister sous forme d'atomes individuels, simplement parce qu'il est alors improbable qu'ils entrent en collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de l'énergie et de l'impulsion de l'un des corps au second.) pour se combiner. Toujours dans l'espace, les nuages de H2 sont à la base du processus de la formation des étoiles (compression des gaz).

Cet élément joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les mâchoires. On appelle aussi joue le muscle qui sert principalement à ouvrir et fermer la bouche et à mastiquer.) un rôle vital dans l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) par l'intermédiaire des réactions proton-proton et du cycle de Bethe (cycle catalytique CNO : carbone-azote-oxygène), qui sont deux voies de réactions de fusion thermonucléaire qui créent d'énormes quantités d'énergie en combinant quatre atomes d'hydrogène pour former un atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. La...) d'hélium (L'hélium est un gaz noble ou gaz rare, pratiquement inerte. De numéro atomique 2, il ouvre la série des gaz nobles dans le tableau périodique des éléments. Son point d'ébullition est le plus...).

Applications

Des larges quantités d'hydrogène sont nécessaires dans l'industrie, notamment dans les procédé Haber-Bosch de production de l'ammoniac (L’ammoniac est un composé chimique, de formule NH3 (groupe générique des nitrures d'hydrogène). C'est une molécule pyramidale à base trigonale : l'atome d'azote (N) est au sommet et les trois...), l'hydrogénation des graisses et des huiles et la production de méthanol. D'autres utilisations de l'hydrogène sont :

  • la fabrication de l'acide chlorhydrique (L'acide chlorhydrique est une solution aqueuse ayant pour solutés des ions oxonium H3O+ et des ions chlorure Cl-. On peut l'obtenir par dissolution de chlorure d'hydrogène HCl qui...), le soudage, les carburants pour fusées et la réduction de minerais métalliques ;
  • l'hydrogène liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) (LH2) est utilisé pour les recherches à très basses températures, y compris l'étude de la supraconductivité ;
  • l'hydrogène était utilisé dans les ballons car il est quatorze fois plus léger que l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de...).
  • le deutérium (Le deutérium (symbole 2H ou D) est un isotope naturel de l'hydrogène. Il possède 1 proton et 1 neutron. Son nombre de masse est 2.) (2H) est utilisé dans les applications nucléaires comme modérateur pour ralentir les neutrons. Les composés du deutérium sont aussi utilisés en chimie et en biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant. Prise au sens large de science du vivant, elle recouvre une partie des sciences...) pour étudier ou utiliser l'effet isotopique ;
  • le tritium (Le tritium (T ou 3H) est - comme le deutérium - l'un des isotopes de l'hydrogène. Il possède 1 proton et 2 neutrons. Il a été mis en...) (3H), un autre isotope, est produit dans les réacteurs nucléaires et est utilisé pour la construction de bombes atomiques. Il est également utilisé comme un marqueur isotopique dans les biosciences et comme source de radiation (Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se produire par rayonnement électromagnétique (par...) dans les peintures luminescentes.

L'hydrogène comme vecteur (En mathématiques, un vecteur est un élément d'un espace vectoriel, ce qui permet d'effectuer des opérations d'addition et de multiplication par un scalaire. Un n-uplet peut constituer un exemple de vecteur, à condition...) d'énergie

L'hydrogène est régulièrement cité (La cité (latin civitas) est un mot désignant, dans l’Antiquité avant la création des États, un groupe d’hommes sédentarisés libres (pouvant avoir des esclaves), constituant une...) comme source d'énergie d'avenir. Il s'agit là non de l'élément hydrogène mais du dihydrogène, qui est un combustible (Un combustible est une matière qui, en présence d'oxygène et d'énergie, peut se combiner à l'oxygène (qui sert de comburant) dans une réaction chimique générant de la chaleur : la combustion.) " propre " dans le sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive allant du...) où sa combustion (La combustion est une réaction chimique exothermique (c’est-à-dire accompagnée d’une production d'énergie sous forme de chaleur ).) ne génère que de la vapeur d'eau, mais qui n'est pas présent dans l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) sauf à l'état de traces (TRACES (TRAde Control and Expert System) est un réseau vétérinaire sanitaire de certification et de notification basé sur internet sous la responsabilité de la...) (il faut donc prendre en compte la pollution (La pollution est définie comme ce qui rend un milieu malsain. La définition varie selon le contexte, selon le milieu considéré et selon ce que l'on peut entendre par...) générée par la fabrication du dihydrogène). Il ne s'agit donc pas d'une source d'énergie primaire (Une source d’énergie primaire est une forme d’énergie disponible dans la nature avant toute transformation. Si elle n’est pas...), ou fossile (Un fossile (dérivé du substantif du verbe latin fodere : fossile, littéralement « qui est fouillé ») est le reste (coquille, os, dent, graine, feuilles...)...), mais d'un moyen de stockage de l'énergie, comme une batterie. L'hydrogène suscite beaucoup d'espoirs car il apporterait une réponse à deux des principaux défis énergétiques du XXIe siècle :

  • l'épuisement progressif des sources d'énergie non renouvelables ;
  • l'émission de gaz à effet de serre (L'effet de serre est un processus naturel qui, pour une absorption donnée d'énergie électromagnétique, provenant du Soleil (dans le cas des corps du système solaire)...) par les sources d'énergie utilisées actuellement, la combustion de l'hydrogène ne dégageant que de l'eau.

Claude Mandil, directeur exécutif de l'Agence internationale de l'énergie, estime ainsi que l'hydrogène devra " jouer un rôle crucial " dans l'économie mondiale[1]. De nombreuses expériences ont été menées dans le domaine des véhicules propres. Chrysler-BMW possède une flotte de voitures (Une automobile, ou voiture, est un véhicule terrestre se propulsant lui-même à l'aide d'un moteur. Ce véhicule est conçu pour le transport terrestre de personnes ou de marchandises, elle est équipée en conséquence. C'est un des...) (moteurs thermiques) roulant à l'hydrogène H2, sans pile à combustible (Une pile à combustible est une pile où la fabrication de l'électricité se fait grâce à l'oxydation sur une électrode d'un combustible réducteur (par exemple l'hydrogène) couplée à la réduction sur l'autre électrode d'un oxydant, tel...), avec réservoir cryogénique. Plusieurs pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue restreinte (de l'ordre de quelques centaines de km²), subdivision de la civitas gallo-romaine. Comme la...) européens subventionnent des programmes d'utilisation d'hydrogène dans les transports en commun.

Toutefois la production, le stockage et le transport (Le transport, du latin trans, au-delà, et portare, porter, est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre.) de l'hydrogène posent encore de nombreux problèmes technologiques, de sorte que son utilisation de masse n'est pas possible actuellement :

  • coût des piles à combustible : elles sont dotées de mousse de platine, très onéreuse. D'autre part, la sécurité de ces piles sur une longue durée n'est pas assurée ;
  • production : par combustion d'énergies fossiles, on retombe alors dans les problèmes évoqués précédemment. Mais on peut alors le produire à bord de véhicules. Par hydrolyse de l'eau, c'est alors moins efficace d'un point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) énergétique, et ne peut être fait qu'à grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un véhicule utilisé par les sapeurs-pompiers, et qui emporte une échelle...). Se pose dans ce cas les problèmes de transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des voies de...) et de stockage ;
  • stockage : très peu dense, l'hydrogène doit être comprimé à des pressions très importantes pour être transportable dans un volume raisonnable. Outre les problèmes de sécurité qu'elle comporte, cette compression demande beaucoup d'énergie. Or la production de cette énergie, si elle est réalisée avec les moyens traditionnels, en particulier le charbon, risque d'émettre des gaz à effet de serre (Une serre est une structure généralement close destinée à la production agricole. Elle vise à soustraire aux éléments climatiques les cultures produites pour l'alimentation ou le plaisir de l'homme pour...) et d'annuler les avantages environnementaux apportés par l'utilisation de l'hydrogène ;
  • transport : il faudrait mettre en place des infrastructures gigantesques pour produire et transporter l'hydrogène à travers le territoire (La notion de territoire a pris une importance croissante en géographie et notamment en géographie humaine et politique, même si ce concept est utilisé par d'autres sciences humaines....). Il s'agit d'un effort comparable au développement des filières de distribution du pétrole (Le pétrole est une roche liquide carbonée, ou huile minérale. L'exploitation de cette énergie fossile est l’un des piliers...), qui a demandé plusieurs dizaines d'années. Le coût du déploiement d'un système complet de distribution pourrait demander de 10 à 15 milliards de dollars pour les seuls États-Unis[2].

De nouveaux procédés apportent certaines réponses à ces enjeux. La technique de captation et de séquestration du charbon permettrait d'éviter l'émission de gaz à effet de serre lors de la production d'hydrogène, mais à un coût important : si la fabrication d'hydrogène (transport non compris) est évaluée à 120 USD le baril en utilisant du gaz naturel (Le gaz naturel est un combustible fossile, il s'agit d'un mélange d'hydrocarbures présent naturellement dans des roches poreuses sous forme gazeuse.), il faut compter le double si on choisit le charbon et une technique de captation/séquestration[3]. Une autre solution serait d'utiliser les réacteurs nucléaires spécifiques de génération IV, à très haute température grâce à l'utilisation d'hélium comme fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette appellation les gaz qui sont l'exemple des fluides compressibles, et les liquides, qui sont des fluides peu...) caloporteur, capables de produire de l'hydrogène à bas coût à partir de l'eau. Ces réacteurs ne seront disponibles qu'à partir de 2030 ou 2040.

L'utilisation d'hydrogène constitue donc un espoir considérable mais ne sera pas rentable avant plusieurs dizaines d'années.

Histoire

L'hydrogène fut reconnu comme une substance distincte en 1766 par Henry Cavendish, en Angleterre (L’Angleterre (England en anglais) est l'une des quatre nations constitutives du Royaume-Uni. Elle est de loin la plus peuplée, avec...). Antoine Lavoisier lui donna son nom hydrogène qui vient du grec ?δωρ (hudôr), " eau " et γενν?ν (gennen), " engendrer ".

La catastrophe (Une catastrophe est un événement brutal, d'origine naturelle ou humaine, ayant généralement la mort et la destruction à grande échelle pour conséquence.) du Hindenburg a sonné le glas de son utilisation en aéronautique (L'aéronautique inclut les sciences et les technologies ayant pour but de construire et de faire évoluer un aéronef dans l'atmosphère terrestre.).

Sources d'hydrogène

Occurrence

L'hydrogène est l'élément le plus abondant de l'Univers : 75 % en masse et 90 % en nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) d'atomes. Cet élément se trouve en grande quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection ou un groupe de choses.) dans les étoiles et les planètes gazeuses. Relativement à son abondance dans l'univers, l'hydrogène est très rare dans l'atmosphère terrestre : environ 1 ppm en volume.

Sur Terre, la source la plus commune d'hydrogène est l'eau dont les molécules sont composées de deux atomes d'hydrogène et d'un atome d'oxygène ; mais la plupart des matières organiques, comme celle qui constitue les êtres vivants, le pétrole et le gaz naturel, sont des sources d'hydrogène. Le méthane (Le méthane est un hydrocarbure de formule brute CH4. C'est le plus simple composé de la famille des alcanes. C'est un gaz que l'on trouve à l'état naturel et qui est...) (CH4), qui est un produit de la décomposition (En biologie, la décomposition est le processus par lequel des corps organisés, qu'ils soient d'origine animale ou végétale dès...) des matières organiques, est de plus en plus utilisé comme source d'hydrogène.

Production

L'hydrogène peut être produit de plusieurs façons : l'action de la vapeur sur du carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) à haute température, le craquage (Le craquage (cracking en anglais) est, en chimie, et plus particulièrement celle du pétrole, l'opération qui consiste à casser une molécule organique complexe en...) des hydrocarbures par la chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !), le craquage de la biomasse ( En écologie, la biomasse est la quantité totale de matière (masse) de toutes les espèces vivantes présentes dans un milieu naturel donné. Dans le domaine de l'énergie, le...) par la chaleur, l'action de la soude ou de la potasse sur l'aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13. C’est un élément important sur la Terre avec 1,5 % de la masse totale.), l'électrolyse (Dans l'industrie chimique, l'électrolyse est une méthode de séparation d'éléments ou de composés chimiques liés utilisant l'électricité.) de l'eau. Certains micro-organismes (micro-algues, cyanobactéries et bactéries) sont également capables de produire de l'hydrogène, à partir d'énergie solaire (L'énergie solaire est l'énergie que dispense le soleil par son rayonnement, directement ou de manière diffuse à travers l'atmosphère. Sur Terre, l'énergie solaire est à l'origine du cycle de l'eau et du...) ou de biomasse, solution économique qui de plus résoudrait le problème du traitement des déchets organiques.

L'hydrogène brut disponible dans le commerce est généralement fabriqué par décomposition du gaz naturel.

Pour plus de détails, voir l'article sur le dihydrogène.

Physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens...) et chimie de l'hydrogène

Composés

L'hydrogène se combine avec la plupart des autres éléments car il possède une électronégativité moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur...) (2,2) et peut ainsi former des composés avec des éléments métalliques ou non-métalliques. Les composés qu'il forme avec les métaux sont appelés hydrures dans lesquels il se trouve sous forme d'ions H qui parfois n'existent qu'en solution. Dans les composés avec les non-métalliques, l'hydrogène forme des liaisons covalentes, car l'ion H+, qui n'est rien d'autre qu'un simple proton, a une trop forte tendance à s'associer avec les électrons. Dans les acides en solution aqueuse, il se forme des ions H3O+, association du proton et d'une molécule d'eau.

L'hydrogène se combine avec l'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) pour former de l'eau (H2O), c'est un processus de combustion très énergétique qui est très explosif (Un explosif est un composé chimique défini ou un mélange de corps susceptibles lors de leur transformation, de dégager en un...) dans l'air. L'oxyde de deutérium (D2O) est communément appelé eau lourde (L'eau lourde est de l’oxyde de deutérium (formule : D2O ou 2H2O). Chimiquement, elle est identique à l’eau normale (H2O), mais les atomes...). L'hydrogène forme une grande variété de composés avec le carbone ; à cause de leur relation avec les molécules biologiques, ces composés sont appelés composés organiques et la branche de la chimie qui les concerne est la chimie organique (La chimie organique est une branche de la chimie concernant la description et l'étude d'une grande classe de molécules à base de carbone : les composés organiques.).

Formes

Sous conditions normales, le gaz hydrogène est un mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses qui n'interagissent pas chimiquement. Le résultat de l'opération est une...) de type de molécules qui diffèrent l'une de l'autre par le spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la particule, au même titre que sa masse et sa charge...) de leur électron et noyaux atomiques. Ces deux formes sont appelées ortho- et para-hydrogène et la forme para n'existe pas à l'état pur. Dans les conditions normales de température et de pression, l'hydrogène est composé à 75 % de la forme ortho et à 25 % de la forme para. Ces deux formes ont des niveaux énergétiques légèrement différents et donc des propriétés physico-chimiques légèrement différentes. Par exemple, le point de fusion et le point d'ébullition (L’ébullition est la formation de bulles lors d’un changement violent d’un corps de l’état liquide vers l’état vapeur. Ce phénomène est une vaporisation.) du para-hydrogène sont environ 0,1 K plus bas que ceux de l'ortho-.

Isotopes

L'isotope le plus commun de l'hydrogène (H2), le protium (1H), est simplement constitué d'un proton et ne possède donc pas de neutron (Le neutron est une particule subatomique. Comme son nom l'indique, le neutron est neutre et n'a donc pas de charge électrique (ni positive, ni négative). Les...). C'est un isotope stable. Le deutérium (2H ou D) possède un proton et un neutron. C'est aussi un isotope stable qui compose entre 0,0184 et 0,0082 % de l'hydrogène naturel. Le tritium (3H ou T) possède un proton et deux neutrons ; c'est un isotope radioactif (instable), qui se transforme en 3He par émission d'un électron (radioactivité β). 2H et 3H peuvent participer à des réactions de fusion nucléaire (La fusion nucléaire (dite parfois thermonucléaire) est, avec la fission, l’un des deux principaux types de réactions nucléaires appliquées. Il ne faut pas confondre la fusion nucléaire avec la fusion du...).

L'hydrogène est le seul élément dont les isotopes ont reçu un nom spécifique. en effet, la différence de masse entre les isotopes est significative (du simple au double ou au triple). Par suite, et contrairement à ce qui est dit pour les isotopes en général dans les cours introductifs de chimie, ceci peut influencer les propriétés chimiques du deutérium ou du tritium par rapport au protium (effet isotopique).

Danger, risque et Précautions

Le dihydrogène est un gaz classé " extrêmement inflammable " (l'histoire de son utilisation dans les ballons dirigeables est parsemée d'accidents graves qui ont justifié son remplacement par l'hélium beaucoup plus couteux et moins léger). Il est caractérisé par un domaine d’inflammabilité très large (de 4 à 75 % du volume dans l’air), provoquant une déflagration à partir d’un apport d’énergie d’inflammation très faible (une étincelle suffit si elle apporte une énergie de 0,02 millijoule (mJ) alors qu’il faut 0,29 mJ pour déclencher une explosion (Une explosion est la transformation rapide d'une matière en une autre matière ayant un volume plus grand, généralement sous forme de gaz. Plus cette transformation s'effectue rapidement, plus la matière...) du méthane).

Il réagit aussi violemment avec le chlore (Le chlore est un élément chimique de la famille des halogènes, de symbole Cl, et de numéro atomique 17.) pour former de l'acide (Un acide est un composé chimique généralement défini par ses réactions avec un autre type de composé chimique complémentaire, les bases.) chlorhydrique (HCl) et avec le fluor pour former de l'acide fluorhydrique (HF).

L'eau lourde (D2O) est toxique pour de nombreuses espèces. En effet en raison de la grande différence de masse entre les isotopes la cinétique (Le mot cinétique fait référence à la vitesse.) des réactions en solution aqueuse " lourde " est considérablement ralentie (effet isotopique) ; mais la quantité nécessaire pour tuer un être humain est substantielle. L'hydrogène mélangé à de l'oxygène dans les proportions stœchiométriques est un explosif puissant. Le dihydrogène dans l'air est un mélange détonnant lorsque le rapport volumique H2 / air est compris entre 13 et 65 %.

L’Industrie stocke le dihydrogène à l’extérieur des bâtiments, ce qui ne sera pas possible pour une utilisation embarquée (véhicules, navires). Les normes de sécurité sont renforcées pour répondre aux risques posés par le passage dans les tunnels et le stationnement (Le stationnement tout comme l’arrêt d’un véhicule consiste en une immobilisation de ce dernier.) dans les garages ou parkings souterrains.

La réglementation mondiale sur les véhicules s’élabore sous l’égide de l'ONU à partir des propositions des industriels, mais concernant le dihydrogène, les constructeurs japonais, américains et européens ne s’accordent pas. La Commission européenne pourrait décider d’une réglementation communautaire provisoire.

En France, l’Ineris et le CEA travaillent avec l’Organisation (Une organisation est) internationale de normalisation (ISO) dans un comité technique nommé TC 197 sur le risque dihydrogène. Un projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration...) européen Hysafe traite aussi de la question, où l’Ineris a critiqué le projet de règlement en suggérant une approche plus globale et systémique (La systémique - du grec « systema », « ensemble organisé » - est une méthode scientifique qui applique la théorie systémique comme moyen de comprendre un...) et non par composant pour l’homologation des véhicules hybrides.

Mécanique quantique (Fille de l'ancienne théorie des quanta, la mécanique quantique constitue le pilier d'un ensemble de théories physiques qu'on regroupe sous l'appellation générale de physique quantique. Cette dénomination...)

L'atome d'hydrogène étant l'atome le plus simple, c'est le premier qui a été étudié dans le cadre de la physique quantique.

La chimie de l'hydrogène

Les liaisons que l'atome d'hydrogène peut établir peuvent être de trois sortes :

  • la perte d'un électron. L'hydrogène devient alors H+ (un proton seul). Son rayon est alors très petit : environ 1,5×10−13 cm contre 0,5×10−8 cm pour l'atome. Le proton tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) seul n'existe pas libre mais il est toujours dans le nuage (Un nuage est une grande quantité de gouttelettes d’eau (ou de cristaux de glace) en suspension dans l’atmosphère. L’aspect d'un nuage dépend de la...) électronique d'une molécule (telle H2O) ; devenant l'ion hydronium (acide) : H2OH+.
  • acquisition (En général l'acquisition est l'action qui consiste à obtenir une information ou à acquérir un bien.) d'un électron. L'hydrogène devient alors H (un hydrure). L'ion lui-même n'existe en tant que tel que dans des sels d'hydrures ;
  • formation d'une liaison covalente. L'hydrogène fait une liaison covalente donc une mise en commun d'une paire (On dit qu'un ensemble E est une paire lorsqu'il est formé de deux éléments distincts a et b, et il s'écrit alors :) d'électrons avec d'autres atomes comme dans H2O ou CH4.

La liaison hydrogène

Il s'agit d'une interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose...) électrostatique (L'électrostatique traite des charges électriques immobiles et des forces qu'elles exercent entre elles, c’est-à-dire de leurs interactions.) entre l'hydrogène lié chimiquement à un atome électronégatif A et un autre atome électronégatif B (A et B étant typiquement O, N ou F en chimie organique). Par exemple : NH–O=C, ou dans l'eau H2O–H-O-H.

Cette liaison joue un rôle important en chimie organique (La chimie organique est une branche de la chimie concernant la description et l'étude d'une grande classe de molécules à base de carbone : les composés organiques.) mais aussi en chimie inorganique, entre les alcools et les métaux alkoxides. Nous distinguons en général trois types :

  • faibles avec des enthalpies entre 10 - 50 kJ·mol−1 ;
  • fortes avec des enthalpies entre 50 - 100 kJ·mol−1 ;
  • très fortes avec des enthalpie (L'enthalpie (du préfixe en- et du grec thalpein: chauffer) est une fonction d'état de la thermodynamique, dont la variation permet d'exprimer la quantité de...) > 100 kJ·mol−1.

Un exemple de liaison très forte est FH–F−1 dans KHF2 avec environ 212 kJ·mol−1. On peut penser que dans ce cas il vaut mieux écrire F–H–F. La distance totale entre F–H–F est de 2,49 Å seulement et il se forme un angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts apparentés.) de 120° entre les différentes molécules.

Il existe des liaisons hydrogènes à centres multiples. En général il s'agit de systèmes à trois centres et rarement à quatre. Soit un H est lié à deux autres molécules soit deux hydrogènes sont liés à une autre molécule.

Ouvrages

  • La Révolution de l'hydrogène. Vers une énergie propre et performante ?, Stephen Boucher, préface de Thierry Alleau, Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin parisien, entre les confluents de la Marne et...), Ed. du Felin, 2006, 160 pages, ISBN 2-86645-616-5.
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