Dihydrogène - Définition et Explications

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Propriétés chimiques

Test de reconnaissance du dihydrogène

Afin de tester sa présence, on approche une bûchette enflammée d'un tube à essai contenant du dihydrogène. Il se produit un bruit caractéristique appelé « jappement ».

Combustion (La combustion est une réaction chimique exothermique d'oxydoréduction. Lorsque la combustion est vive, elle se traduit par une flamme voire une explosion.)

La combustion du dihydrogène (Le dihydrogène est la forme moléculaire de l'élément hydrogène, qui existe à l'état gazeux aux conditions normales de pression et de température. Les molécules comportent deux atomes...) dans 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...), qui produit de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.), est particulièrement violente (voir test de reconnaissance) et très exothermique: son pouvoir calorifique est de 141,79 MJ/kg contre, par exemple, seulement 49,51 MJ/kg pour le butane (Le butane est un hydrocarbure saturé de la famille des alcanes de formule brute C4H10. Il existe sous 2 formes isomères, le butane ou n-butane et le 2-méthylpropane ou isobutane.). Cette propriété en fait un carburant (Un carburant est un combustible qui alimente un moteur thermique. Celui-ci transforme l'énergie chimique du carburant en énergie mécanique.) de choix pour les engins spatiaux mais rend son stockage dangereux. La même oxydation plus lente (La Lente est une rivière de la Toscane.) est utilisée pour produire du courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique, généralement des électrons, au sein d'un...) dans les piles à combustible (Un combustible est une matière qui, en présence d'oxygène et d'énergie, peut se combiner à l'oxygène (qui sert de comburant)...).

Formes ortho et para

Le dihydrogène gazeux 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...) de leur 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.) 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 (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 froid et de chaud, provenant du transfert de...) et de pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.), l'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) 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 (Le point de fusion' ou la température de fusion d'un corps représente la température à une pression donnée, à laquelle un élément pur ou...) et le point (Graphie) 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-.

Dangers, risques et précautions

Le dihydrogène est un 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 de volume...) classé « extrêmement inflammable ». Il est caractérisé par un domaine d’inflammabilité très large (de 4 à 75 % du 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.) dans l’air), provoquant une déflagration (Une déflagration est l'ensemble des phénomènes consécutifs au passage rapide d'un front de réaction, le plus souvent d'un front de...) à partir d’un apport d’énergie d’activation très faible (une étincelle suffit si elle apporte une 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.) 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...) du méthane). L'hydrogène mélangé à de l'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) dans les proportions stœchiométriques est un explosif (Un explosif est un composé chimique défini ou un mélange de corps susceptibles lors de leur transformation, de dégager en un temps...) puissant. Le dihydrogène dans 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, il est nécessaire de pressuriser les cabines des...) est un mélange détonnant lorsque le rapport volumique H / air est compris entre 13 et 65 %.

L'histoire de son utilisation dans les ballons dirigeables est parsemée d'accidents graves, dont le plus célèbre est 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. Le zeppelin (Un zeppelin désigne un aérostat de type dirigeable rigide, de fabrication allemande, mais est souvent utilisé dans la langue populaire pour désigner n’importe quel ballon dirigeable. C'est le comte allemand...) « LS 129 », gonflé de 200 000 mètres-cubes de dihydrogène (car les USA avaient déclaré envers l'Allemagne un embargo pour l' hélium) brûla le 6 mai 1937 à son arrivée à l'aérodrome (Un aérodrome est une surface (sur terre ou sur l'eau) destinée à être utilisée (en totalité ou en partie) pour l'arrivée, le départ des...) de Lakehurst (État du New-Jersey, près de New York). 36 personnes moururent sur le total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un total est le résultat d'une addition, c'est-à-dire une somme. Exemple :...) de 97 embarquées. Les médias (On nomme média un moyen impersonnel de diffusion d'informations (comme la presse, la radio, la télévision), utilisé pour communiquer. Les médias permettent de diffuser une information vers un grand nombre d'individus sans possibilité de...) qui étaient présentes divulguèrent largement les images de la catastrophe, ce qui conduisit à la désaffection du public pour les ballons. Le remplacement du dihydrogène par l'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 bas parmi les...) (beaucoup plus coûteux et plus dense) ne produisit pas le regain de faveur attendu. Les enquêtes sur l'origine de l'accident, facilitées par l'abondance de documents photographiques, n'incriminèrent pourtant pas une explosion du dihydrogène, mais une inflammation (Une inflammation est une réaction de défense immunitaire stéréotypée du corps à une agression : infection, brûlure, allergie…) par contigüité, à partir d'un incendie de l'enveloppe (causé probablement par une décharge d'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne également la branche de la...) statique). La composition du revêtement étanche de l'enveloppe (butyrates et aluminium) aurait favorisé une violente réaction aluminothermique.

Le dihydrogène réagit encore plus violemment avec le dichlore (Le dichlore (Cl2) est un gaz jaune-vert dans les conditions normales de pression et de température (chloros signifie « vert » en grec). Il est 2,5 fois plus...) pour former 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 est un gaz. Ce dernier est un acide...) (HCl), même sans activation (Activation peut faire référence à :). Et avec le difluor 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.) fluorhydrique (HF), et ceci même aux températures où l'hydrogène est liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) et le fluor (Le fluor est un élément chimique de symbole F et de numéro atomique 9. Il s'agit du premier élément de la famille des halogènes, de masse atomique 19.) solide ! Cette dernière réaction étant la réaction chimique la plus exothermique qui soit.

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 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...) et non par composant pour l’homologation des véhicules hybrides.

Dans le cadre de l'utilisation de l'hydrogène en tant que 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....) d'énergie, plusieurs études ont soulevé l'hypothèse d'un risque majeur (Le risque majeur est un danger qu'en France on qualifie de risque: Europa major hazard agreement = accord Europa risques majeurs , d'où l'absence de traduction à cette page. Il ne faut...) pour la couche d'ozone (L’ozone (ou trioxygène) est un composé chimique comportant 3 atomes d’oxygène (O3). Sa structure est une résonance entre trois états. Métastable aux...) en cas d'utilisation massive (Le mot massif peut être employé comme :). La peur de l'hydrogène est bien réelle, même si le célèbre « syndrome Hindenburg », né de la destruction du dirigeable allemand en 1937 à Lakehurst (New Jersey), a probablement pénalisé injustement la filière (Une filière est une suite de formalités, d'emplois à remplir avant d'arriver à un certain résultat: la filière administrative.). D'après un 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.) de la NASA (La National Aeronautics and Space Administration (« Administration nationale de l'aéronautique et de l'espace ») plus connue sous son abréviation NASA, est l'agence gouvernementale responsable du...) en effet, l'incendie qui a détruit le ballon a été déclenché (Un déclenché (ou tonneau déclenché) est une figure de voltige aérienne.) par une décharge électrostatique (L'électrostatique traite des charges électriques immobiles et des forces qu'elles exercent entre elles, c’est-à-dire de leurs interactions.) au niveau du matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière...) combustible de son enveloppe extérieure, et il n'y a pas eu d'explosion de l'hydrogène stocké à bord, qui a simplement brûlé. Il reste que l'accident aurait été moins violent si le ballon avait été gonflé à l'hélium....

L'hydrogène n'est pas plus dangereux que le 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.) ou l'essence, il est tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) simplement différent. En matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La...) de sûreté, les points suivants sont à retenir :

  • L'hydrogène n'est pas un gaz toxique (Un gaz toxique est un gaz dont les propriétés toxiques sont utilisées comme arme lors de combats, ou contre des populations civiles (lors d'actes terroristes ou de...).
  • Il est 8 fois plus léger que 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...) et sa 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...), très petite, lui confère un très bon coefficient (En mathématiques un coefficient est un facteur multiplicatif qui dépend d'un certain objet, comme une variable (par exemple, les coefficients d'un polynôme), un espace vectoriel, une...) de diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de « distribution », de « mise à disposition » (diffusion d'un produit, d'une information), voire de « vaporisation » (diffuseur d'un...) dans l'air (4 fois supérieur à celui du méthane). En milieu non confiné, l'hydrogène a donc tendance à monter et à se diluer très vite dans l'air, ce qui est un facteur de sécurité
  • L'hydrogène est l'espèce (Dans les sciences du vivant, l’espèce (du latin species, « type » ou « apparence ») est le taxon de base de la systématique. L'espèce est un concept flou dont il existe une...) chimique la plus énergétique par unité de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse...) (120 kJ/g). En revanche, par unité de volume de gaz, l'énergie explosive théorique est 3,5 fois plus faible pour l'hydrogène que pour le gaz naturel.
  • Sa limite inférieure d'inflammation est de 4 % en volume, comparable à celle du gaz naturel (5 % en volume). En revanche, sa limite supérieure d'inflammation est nettement plus élevée (75 % contre 15 %).
  • L'énergie nécessaire pour l'enflammer à la stoechiométrie est également nettement plus faible (environ 10 fois ) que le gaz naturel ou le propane (Le propane est un alcane linéaire de formule C3H8.).
  • La flamme d'hydrogène rayonne peu, ce qui, en cas d'incendie, limite le risque de propagation par effet de rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule...) thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des...). Par contre, sa flamme bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs primaires. Sa longueur d'onde est comprise approximativement entre 446 et 520 nm. Elle...) pâle est quasi invisible le jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons...), ce qui peut constituer un risque pour les secours.
  • La flamme d'hydrogène se propage beaucoup plus vite (environ 7 fois) que celle du gaz naturel et le risque de détonation (Une détonation est une onde de combustion extrêmement violente, qui se propage à une vitesse supersonique.) (explosion avec effet de souffle très important) n'est pas complètement (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou autocomplétion, est une fonctionnalité informatique permettant à l'utilisateur de limiter la quantité d'informations...) à exclure.

Référence ONU pour le 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...) de matières dangereuses (Les matières dangereuses sont des matières ou objets qui présentent un risque pour la santé, la sécurité, les biens ou l'environnement. Celles-ci sont énumérées dans la...)

  • Nom (français) : Hydrogène comprimé
    • Classe : 2
    • numéro : 1049
  • Nom (français) : Hydrogène liquide réfrigéré
    • Classe : 2
    • numéro : 1966
  • Nom (français) : Hydrogène dans un dispositif de stockage à hydrure métallique
    • Classe : 2
    • numéro : 3468
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