Dihydrogène - Définition et Explications

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Histoire

Le premier scientifique connu à avoir décrit la production de dihydrogène est le suisse Paracelse (1493-1541). Il fait cette découverte en versant du vitriol sur de la poudre de fer, mais ne comprend pas la nature exacte du gaz dégagé au cours de l'expérience.

Le chimiste (Un chimiste est un scientifique qui étudie la chimie, c'est-à-dire la science de la matière à l'échelle moléculaire ou atomique ("supra-atomique"). Le mot chimiste est...) anglais Henry Cavendish (1731-1810), recommençant les expériences de Paracelse (Philippus Theophrastus Aureolus Bombastus von Hohenheim, dit Paracelse, né en 1493 ou 1494 à Einsiedeln (près de Zurich) en Suisse centrale, mort le 24 septembre 1541 à Salzbourg en Autriche, fut un...) avec plusieurs métaux différents, découvre que le 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 forme propre ni...) ainsi produit est différent de 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 l'air avec l'altitude,...), est inflammable et a une faible densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure...). Il appelle ce gaz « air inflammable » (en anglais : inflammable air) et s'aperçoit que sa combustion (La combustion est une réaction chimique exothermique d'oxydoréduction. Lorsque la combustion est vive, elle se traduit par une flamme voire une explosion.) produit de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.). Le dioxygène (Le dioxygène est une molécule composée de deux atomes d'oxygène, notée O2, qui est à l'état de gaz aux conditions normales de pression et de...) étant lui nommé « air vital ».

Le chimiste français Antoine Lavoisier ayant confirmé les expériences de Cavendish, propose le mot « hydrogène » pour remplacer l'expression « air inflammable ». Ce mot est formé avec le préfixe hydro (du grec ὕδωρ (hudôr), « eau ») et du suffixe gène (du grec γεννᾰν (gennen), « engendrer »).

Par la suite, dans le domaine scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.), le mot « hydrogène » sera utilisé pour nommer l'élément chimique H et le mot « dihydrogène » sera utilisé pour 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 quantité de matière...) H2.

Réactions de base de la production de dihydrogène

Au XIXe siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui signifiait race, génération. Il a ensuite indiqué la durée d'une...), pour produire de l’hydrogène, on chauffait de l’eau, on envoyait ensuite la vapeur () d’eau obtenue dans un tonneau rempli de limailles et copeaux de fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus courant dans la vie quotidienne, sous forme pure ou...). La vapeur d’eau H2O attaquait le 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...) créant de l’oxyde de fer et libérant du dihydrogène. Le dihydrogène, sortait ensuite du tonneau, on le filtrait dans un autre tonneau rempli d’eau. Puis, direct au ballon. Ce dispositif permettait à l’armée de gonfler n’importe où et en quelques heures (L'heure est une unité de mesure  :) un ballon d’observation.

Production d'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) par vaporeformage

L'hydrogène est produit industriellement par deux procédés :

  • par vaporeformage à partir d'hydrocarbures (en particulier à partir de méthane)
  • par électrolyse de l'eau

D'autres procédés sont aussi à l'étude, basés sur 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...) ou l'oxydation partielle, qui a l'avantage d'être exothermique

Vaporeformage d'hydrocarbures

Le vaporeformage d'hydrocarbures est le procédé qui, au XXIe siècle, est le plus utilisé au niveau industriel. Son principe est basé sur la dissociation de molécules carbonées (méthane...) en présence de vapeur d'eau et de chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !). La réaction globale s'écrit:

\mathrm{C_nH_m +  2n\;H_2 O \longrightarrow ( \frac{m}{2} +2n )\;H_2 + n\; CO_2}

Le rendement énergétique est de l'ordre de 40 à 45% dans certaines installations. En pratique industrielle, il est nécessaire d'aider la réaction à l'aide de catalyseurs (En chimie, un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique ; il participe à la réaction mais il ne fait partie ni des produits, ni...) ou de brûleurs. Elle a l'inconvénient de produire du dioxyde de carbone (Le dioxyde de carbone, communément appelé gaz carbonique ou anhydride carbonique, est un composé chimique composé d'un atome de carbone et de deux atomes d'oxygène et dont la formule brute est : CO2. C'est donc...), un 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) ou d'autres étoiles (dans le cas...).

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

Cette technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) consiste à faire passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) un courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique, généralement des électrons, au sein d'un matériau conducteur. Ces déplacements sont...) dans l'eau afin d'obtenir la dissociation des molécules d'eau en dihydrogène et dioxygène.

Réaction à l'anode :

\begin{matrix} & \\ 2H_2O (l)& \overrightarrow{\qquad} & O_2 (g) + 4H^+(aq) + 4e^-\   \\\end{matrix}

Réaction à la cathode :

\begin{matrix} & \\ 4H_2O (l) + 4e^-\overrightarrow{\qquad} & 2H_2 (g) + 4OH^-(aq) \   \\\end{matrix}

Globalement, nous avons :

\begin{matrix} & \\ 2H_2O (l)\overrightarrow{\qquad} & 2H_2 (g) + O_2(g) \   \\\end{matrix}

Cette technologie nécessite de grandes quantités d'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité...). Elle est aussi cependant aujourd'hui 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 : l'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.) potentielle du dihydrogène produit correspond à environ 80% de l'énergie électrique (Un apport d'énergie électrique à un système électrotechnique est nécessaire pour qu'il effectue un travail : déplacer une charge, fournir de la lumière, calculer. Ce travail est proportionnel à la quantité...) consommée. Elle est relativement peu utilisée.

Oxydation partielle d'hydrocarbures

Cette réaction est une combustion "riche" 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...) où l'on vise la production d'un gaz riche en H2 et CO (gaz de synthèse); au lieu des produits "classiques" CO2 et H2O.

La réaction s'écrit:

\begin{matrix} & \\ C_nH_m +   \frac{n}{2}O_2 \overrightarrow{\qquad} & \frac{m}{2} H_2 + n CO \   \\\end{matrix}

La plupart du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.), on utilise l'air comme comburant (Un comburant est un corps chimique qui a pour propriété de permettre la combustion d'un combustible. Le principal comburant est le dioxygène.). Nous avons alors:

\begin{matrix} & \\ C_nH_m +   \frac{n}{2}O_2 + \frac{3.76}{2}n N_2 \overrightarrow{\qquad} & \frac{m}{2} H_2 + n CO + \frac{3.76}{2}n N_2\   \\\end{matrix}

La réaction est exothermique: par exemple, l'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...) de la réaction avec 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 produit par des organismes vivants. Il est principalement...) est de -35.7 kJ/mol.

Tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) comme la réaction de vaporeformage, il est nécessaire de catalyser la réaction.

L'intérêt de la réaction d'oxydation partielle réside dans son caractère exothermique (contrairement à la réaction de vaporeformage) qui permet d'aider la catalyse (La catalyse est l'action d'une substance appelée catalyseur sur une transformation chimique dans le but de modifier sa vitesse de réaction. Le catalyseur, qui est...) (élévation de température).

L'inconvénient majeur réside dans le fait que les pourcentages de H2 sont inférieurs à ceux obtenus par vaporeformage, à cause de la présence majoritaire de l'azote (L'azote est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole N et de numéro atomique 7. Dans le langage courant, l'azote désigne le gaz diatomique...) de l'air. De plus, il est possible d'obenir des NOx (NOx, de N symbole de l'azote, O celui de l'oxygène et x représentant une stœchiométrie inconnue est une abréviation utilisée dans le domaine de la chimie, de la pollution...).

Action 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...) sur le fer

Au laboratoire de 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 elle partage des espaces d'investigations...) (collège ou lycée), on produit parfois du dihydrogène par action 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 sur du fer.

\begin{matrix} & \\ 2 H^+ (aq) + 2 Cl^{-} (aq) + Fe (s) \overrightarrow{\qquad} & 2 Cl^{-} (aq) + Fe^{2+} (aq) + H_2 (g)\   \\\end{matrix}

ou, formule simplifiée :

\begin{matrix} & \\ 2 H^+ (aq) + Fe (s) \overrightarrow{\qquad} & Fe^{2+} (aq) + H_2 (g)\   \\\end{matrix}

Action de l'hydroxyde de sodium (L'hydroxyde de sodium est un solide ionique de formule statistique NaOH. La solution issue de la dissolution de ce cristal est appelée soude, voire soude caustique. La solution aqueuse d'hydroxyde de sodium peut être vendue...) 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...)

On peut également produire du dihydrogène par la réaction d'hydroxyde de sodium (Le sodium est un élément chimique, de symbole Na et de numéro atomique 11. C'est un métal mou et argenté, qui appartient aux métaux alcalins. On ne le trouve pas à l'état de corps pur dans la nature, mais...) avec de l'aluminium.

\begin{matrix} & \\ 2 Al (s) + 6 H_2O(l) + 2 OH^{-} (aq) \overrightarrow{\qquad} & 2 Al(OH)_4^{-}(aq) + 3 H_2 (g)\   \\\end{matrix}

Hydrogène renouvelable

Afin d'être une énergie vraiment avantageuse en termes d'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme environnement tend...), l'hydrogène doit notamment pouvoir être produit à partir d'énergie renouvelable (Une énergie renouvelable est une source d'énergie se renouvelant assez rapidement pour être considérée comme inépuisable à l'échelle de temps humaine. Les énergies renouvelables sont issues de phénomènes...).

Il est possible de réaliser l'électrolyse de l'eau à partir d'électricité renouvelable mais le rendement faible de cette étape diminue la 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.) d'énergie globale disponible.

Une autre voie de production d'hydrogène renouvelable se fait par fermentation (La fermentation est une réaction biochimique de conversion de l'énergie chimique contenue dans une source de carbone (souvent du glucose) en une autre forme...) de 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 terme de...): on peut alors parler de biohydrogène. Certains travaux de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique...) se font sur la fermentation directe d'hydrogène à partir de substrats et micro organismes spécifiques. Une autre voie est la fermentation anaérobie (On appelle milieu anaérobie un milieu où il n'y a pas présence de dioxygène (O2).), voie de dégradation de matière organique (La matière organique (MO) est la matière carbonée produite en général par des êtres vivants , végétaux, animaux, ou micro-organismes. Il s'agit par exemple des glucides, protides et lipides. À la...) (déchets notamment) très courante, la production de biogaz (Le biogaz est le gaz produit par la fermentation de matières organiques animales ou végétales en l'absence d'oxygène.) et le reformage du méthane contenu dans le biogaz, en hydrogène comme présenté plus haut dans la partie vaporeformage.

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