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L'atome d'hydrogène est composé d'un proton et d'un électron. C'est donc le plus simple atome qui existe. L'élément chimique hydrogène est le premier du tableau périodique des éléments chimiques.
Sur terre et hormis les composés avec d'autres atomes, cet élément chimique 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, sucre, protéines, hydrocarbures.
Il est également le principal constituant du Soleil 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 (voir hydrogène métallique). Dans le tableau 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 en chimie. De façon simpliste sa nature métallique est due à son électron 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 plus commun est constitué seulement d'un proton et d'un électron (la masse de l'électron étant négligeable, seuls les protons et les neutrons des atomes déterminent le poids de ces derniers). C'est donc le plus léger atome 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 pour se combiner. Toujours dans l'espace, les nuages de H2 sont à la base du processus de la formation des étoiles.
Cet élément joue un rôle vital dans l'univers par l'intermédiaire des réactions proton-proton et du cycle carbone-azote-oxygène, qui sont deux réactions de fusion thermonucléaire qui créent d'énormes quantités d'énergie en combinant deux atomes d'hydrogène pour former un atome d'hélium.
Applications
Des larges quantités d'hydrogène sont nécessaires dans l'industrie, notamment dans les procédé Haber-Bosch de production de l'ammoniac, 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, le soudage, les carburants pour fusées et la réduction de minerais métalliques.
- l'hydrogène liquide (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.
- le deutérium (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 pour étudier ou utiliser l'effet isotopique.
- le tritium (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 dans les peintures luminescentes.
L'hydrogène peut servir de carburant pour moteurs. Chrysler-BMW possède une flotte de voitures (moteurs thermiques) roulant à l'hydrogène H2, sans pile à combustible, avec réservoir cryogénique. De nouveaux procédés sont en train d'aboutir et pourraient permettre d'abandonner progressivement le pétrole ou le gaz naturel comme carburant et offrir ainsi une solution au réchauffement climatique et à la crise énergétique, les réserves de combustibles fossiles s'épuisant continuellement tandis que la demande énergétique ne cesse d'augmenter. Les piles à combustible ne sont pas une technologie rentable actuellement car elles sont dotées de mousse de platine, très onéreuse.
Histoire
L'hydrogène fut reconnu comme une substance distincte en 1776 par Henry Cavendish. Antoine Lavoisier lui donna son nom hydrogène qui vient du grec hudôr, « eau » et gennen, « générer ».
La Catastrophe du Hindenburg a marqué le glas de son utilisation en aéronautique.
Occurrence
L'hydrogène est l'élément le plus abondant de l'univers : 75% en masse et 90% en nombre d'atomes. Cet élément se trouve en grande quantité 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 (CH4), qui est un produit de la décomposition 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 à haute température, le craquage des hydrocarbures par la chaleur, l'action de la soude ou de la potasse sur l'aluminium, l'électrolyse de l'eau ou par de son déplacement depuis les acides par certains métaux. Certains microorganismes (microalgues, cyanobactéries et bactéries) sont également capables de produire de l'hydrogène, à partir d'énergie solaire ou de biomasse.
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.
Composés
L'hydrogène se combine avec la plupart des autres éléments car il possède une électronégativité moyenne (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 pour former de l'eau (H2O), c'est un processus de combustion très énergétique qui est très explosif dans l'air. L'oxyde de deutérium (D2O) est communément appelé eau lourde. 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.
Formes
Sous conditions normales, le gaz hydrogène est un mélange de type de molécules qui diffèrent l'une de l'autre par le spin 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 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. 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 peut se transformer en 3He par émission d'un électron (radioactivité β). 2H et 3H peuvent participer à des réactions de fusion nucléaire.
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).
Précautions
L'hydrogène est un gaz extrêmement inflammable (l'histoire de son utilisation dans les ballons dirigeables est parsemée d'accidents graves). Il réagit aussi violemment avec le chlore pour former de l'acide 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 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%.
Mécanique quantique
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.
Voir l'article détaillé Atome d'hydrogène.
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 x 10-13cm contre 10-8cm normalement. Le proton tout seul n'existe pas mais il est toujours dans le nuage électronique d'une molécule (telle H2O) ;
- Acquisition 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 d'électrons avec d'autres atomes comme dans H2O ou CH4.
La liaison hydrogène
Il s'agit d'une interaction électrostatique entre l'hydrogène lié chimiquement à un atome élecronégatif 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 mais aussi en chimie inorganique, entre les alcools et les métaux alkoxides. Nous distinguons en général trois types :
- faibles avec des entalpies entre 10-50 kJ mol-1 ;
- fortes avec des entalpies entre 50-100 kJ mol-1 ;
- très fortes avec des entalpie >100 kJ mol-1.
Un exemple de liaison très forte est FH --- F- dans KHF2 avec environ 212kJ 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 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.
Voir aussi
- Dihydrogène (H2)
Lien externe
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