Hydrogène - Définition et Explications

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Isotopes

Les 3 isotopes de l'hydrogène.

L’hydrogène est le seul élément dont chaque isotope porte un nom spécifique, car leur différence de masse relativement à l'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) est significative : du simple au double ou au triple, ce qui explique que, contrairement à ce qui vaut pour les isotopes en général, ces différences peuvent influencer les propriétés chimiques du deutérium (Le deutérium (symbole 2H ou D) est un isotope naturel de l'hydrogène. Il possède 1 proton et 1...) ou du tritium (Le tritium (T ou 3H) est - comme le deutérium - l'un des isotopes de l'hydrogène. Il...) par rapport au protium (effet isotopique). L'eau lourde (L'eau lourde est de l’oxyde de deutérium (formule : D2O ou ²H2O)....) (DO) est par exemple toxique (à forte dose) pour de nombreuses espèces : en raison de la grande différence de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) entre les isotopes la cinétique (Le mot cinétique fait référence à la vitesse.) des réactions en solution aqueuse « lourde » est considérablement ralentie…

Les isotopes connus de l'hydrogène sont :

  • l’hydrogène léger ou protium (1H) ; c'est le plus abondant (~99,98 %). Simplement constitué d'un proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire...) et ne possèdant donc pas de neutron (Le neutron est une particule subatomique de charge électrique totale nulle.), c'est un isotope stable (Un isotope stable d'un élément chimique est un isotope qui n'a pas de radioactivité...).
  • le deutérium (2H ou D) ; beaucoup moins abondant (~0,015 % en moyenne ; de 0,0184 à 0,0082 % de l'hydrogène naturel), il possède un proton et un neutron et c'est un isotope (Le noyau d'un atome est constitué en première approche de protons et de neutrons. En physique...) stable. Présent essentiellement (sur Terre) sous forme d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...) deutérée HDO (eau demi-lourde).
  • le tritium (3H ou T) ; Constitué d’un proton et de deux neutrons, il n'est présent qu'en infime quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire,...) (un atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) de tritium pour 1018 atomes d’hydrogène). Instable, c'est le seul isotope radioactif de l’hydrogène, dont il possède semble-t-il les mêmes propriétés chimiques et physiques si ce n'est qu'il se transforme en 3He par émission d'un électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge...) (radioactivité β). 2H et 3H peuvent participer à des réactions de fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état...) nucléaire…
    Sa radiotoxicité est réputée très faible lorsqu'il est présent sous forme HTO (eau tritiée), elle est moins connue et à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la...) moins bien comprise lorsqu'elle est émise par une forme organique (La chimie organique est une branche de la chimie concernant la description et l'étude d'une grande...) (les études présentent des résultats contradictoires ou très variables selon leurs protocoles expérimentaux). Dans l’environnement, le tritium peut prendre la place de l’hydrogène dans toutes les molécules où il est présent, y compris dans les molécules « biologiques » et jusque dans l'ADN où il peut être cause de cassure (En minéralogie, la cassure désigne l'aspect de la surface d'un minéral qui,...) de l'ADN, de mutations ou d'apoptoses cellulaires. Le tritium est un élément rare ce qui explique une concentration de l'eau ou des tissus généralement très faible (hors contaminations accidentelles liées à une source anthropique de tritium).
  • le quaternium ou le tétradium (4H ou Q) est l'isotope le plus instable de l'hydrogène, à émission de neutron (L'émission de neutron est la réaction par laquelle un isotope perd un neutron, par exemple 4H, le...). Sa demi-vie (La demi-vie est le temps mis par une substance (médicament, noyau radioactif, ou autres) pour...) est ultracourte : 1,39 × 10−22 secondes.
  • l'hydrogène 7, l'isotope le plus riche en neutrons jamais observé. Sa demi-vie est de l'ordre de 10−21 secondes.

Composés chimiques de l'hydrogène

Les composés covalents

L'atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que...) d'hydrogène peut engager son unique électron pour former une liaison covalente avec de nombreux atomes non-métalliques.

Les composés les plus connus sont :

  • la molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui...) de dihydrogène (Le dihydrogène est la forme moléculaire de l'élément hydrogène, qui existe...) H ;
  • la molécule d'eau HO ;
  • les molécules d'hydrocarbures CH.

L'hydrogène est également présent dans toutes les molécules organiques, où il est lié principalement à des atomes de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C,...), d'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de...) et d'azote (L'azote est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole N et de...).

L'ion (Un ion est une espèce chimique électriquement chargée. Le terme vient de l'anglais,...) hydrogène H+ ou proton

L'atome d'hydrogène peut perdre son unique électron pour donner l'ion hydrogène H+.

On le désigne alors couramment par le nom de proton, étant donné qu'en perdant son électron l'atome est réduit à son noyau, et que dans le cas de l'isotope le plus abondant 1H ce noyau n'est constitué que d'un proton. Cette appellation n'est pas rigoureusement correcte si l'on tient compte de la présence, certes discrète (inférieure à 0,02 %), des autres isotopes…

Son rayon est très petit : environ 1,5×10−15 m contre 5×10−11 m pour l'atome.

Il n'existe pas à l'état libre mais est toujours lié au nuage (Un nuage est une grande quantité de gouttelettes d’eau (ou de cristaux de glace) en...) électronique d'une molécule. En solution aqueuse (telle HO) il est solvaté par des molécules d'eau ; on peut en simplifiant considérer qu'il est capté par une molécule d'eau, formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de...) un ion oxonium HO+.

Les hydrures

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...) (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 HO+, association du proton et d'une molécule d'eau.

Les réactions acido-basiques

L'hydrogène joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les...) un rôle primordial dans une réaction acido-basique (au sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but...) de la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) de Bronsted-Lowry) puisque cette dernière correspond formellement à l'échange d'un ion hydrogène H+ entre deux espèces, la première (l'acide) libérant H+ par rupture d'une liaison covalente, et la deuxième (la base) captant cet H+ par formation d'une nouvelle liaison covalente :

\begin{matrix} \mbox{AH} &+& \mbox{B} &=& \mbox{A}^- &+& \mbox{BH}^+ \\ \mbox{acide1} && \mbox{base2} && \mbox{base1} && \mbox{acide2} \end{matrix}

La liaison hydrogène

La liaison hydrogène est une interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) électrostatique (L'électrostatique traite des charges électriques immobiles et des forces qu'elles exercent entre...) 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 (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à...) organique).

Cette liaison joue un rôle important en chimie organique (La chimie organique est une branche de la chimie concernant l'étude scientifique de...), puisque les atomes d'oxygène O, d'azote N ou de fluor (Le fluor est un élément chimique de symbole F et de numéro atomique 9. Il s'agit du...) F sont susceptibles de créer des liaisons hydrogène, mais aussi en chimie inorganique, entre les alcools et les alkoxydes métalliques.

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