Hydrogène.html |
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L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.
Sur Terre et hormis les composés avec d'autres atomes, la molécule 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, 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 haute pression et très basse température), 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.
Sommaire |
modifier 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. De ce fait, c'est un atome univalent. La masse 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 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 (compression des gaz).
Cet élément joue un rôle vital dans l'Univers 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 d'hélium.
modifier Applications
De grandes quantités d'hydrogène1 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(eau lourde ou D2O) 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 ou plutôt de l'azote hydrogénée est aussi utilisé comme gaz traceur pour effectuer des opérations de recherches de micro-fuites dans des ensembles industriels (automobiles, biens d'équipement, installation de chauffage, réseau de distribution d'eau, réservoir d'avions, etc.).
L'hydrogène est un additif alimentaire autorisé sous la référence E 949, voir Liste des additifs alimentaires.
modifier L'hydrogène comme vecteur d'énergie
Article détaillé : Économie hydrogène.- L'hydrogène est régulièrement cité comme vecteur d'énergie d'avenir.
Il s'agit là non de l'élément hydrogène mais du dihydrogène, qui est un combustible « propre » dans le sens où sa combustion ne génère que de la vapeur d'eau, mais qui n'est pas présent dans l'atmosphère sauf à l'état de traces (il faut donc prendre en compte la pollution générée par la fabrication du dihydrogène). Il ne s'agit donc pas d'une source d'énergie primaire, ou fossile, 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 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 mondiale2. De nombreuses expériences ont été menées dans le domaine des véhicules propres. Chrysler-BMW possède une flotte de voitures (moteurs thermiques) roulant à l'hydrogène H2, sans pile à combustible, avec réservoir cryogénique. Plusieurs pays européens subventionnent des programmes d'utilisation d'hydrogène dans les transports en commun.
Toutefois la production, le stockage et le transport 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 électrolyse de l'eau, c'est alors moins efficace d'un point de vue énergétique, et ne peut être fait qu'à grande échelle. Se pose dans ce cas les problèmes de transport 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 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. Il s'agit d'un effort comparable au développement des filières de distribution du pétrole, 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-Unis3.
De nouveaux procédés apportent certaines réponses à ces enjeux. La technique de captation et de séquestration du carbone 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, il faut compter le double si on choisit le charbon et une technique de captation/séquestration4. 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 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.
modifier 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 anglais Henry Cavendish (1731-1810), recommençant les expériences de Paracelse avec plusieurs métaux différents, découvre en 1766,que le gaz ainsi produit est différent de l'air, est inflammable et a une faible densité. Il appelle ce gaz « air inflammable » (en anglais : flammable air) et s'aperçoit que sa combustion produit de l'eau. Le dioxygène 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 ».
Le nom hydrogène vient du grec ὕδωρ (hudôr), « eau » et γεννᾰν (gennen), « engendrer ».
La catastrophe du Hindenburg a sonné le glas de son utilisation en aéronautique commerciale, c'est à dire pour le transport de passagers payants. Il reste toutefois employé en aéronautique sportive, dans des ballons sphériques, participant à des épreuves de vols à grande distance comme notamment la célébre compétition récompensée par la remise d'un trophée convoité : la Coupe Aéronautique Gordon Bennett.
modifier Sources d'hydrogène
modifier Occurrence
L'hydrogène est l'élément le plus abondant de l'Univers : 75 % en masse et 95 % en nombre d'atomes. En effet, 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.
modifier 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, le craquage de la biomasse par la chaleur, l'action de la soude ou de la potasse sur l'aluminium, l'électrolyse de l'eau. Certains micro-organismes (micro-algues, cyanobactéries et bactéries) sont également capables de produire de l'hydrogène, à partir d'énergie solaire 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.
Au XIXe siècle, 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. La vapeur d’eau H2O attaquait le métal créant de l’oxyde de fer et libérant les 2 molécules d’hydrogène. L’hydrogène, sortait ensuite du tonneau, on la 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 un ballon d’observation.
Pour plus de détails, voir l'article sur le dihydrogène.
modifier Physique et chimie de l'hydrogène
modifier 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.
modifier 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-. Point triple de l’hydrogène : 13,8033 °K et 0.072 bar.
modifier Isotopes
L’hydrogène est le seul élément dont chaque isotope porte un nom spécifique, car leur différence de masse relativement à l'hydrogène est significative (du simple au double ou au triple, ce qui explique que contrairement à ce qui vaut pour les isotopes en général dans les cours introductifs de chimie, ces différences peuvent influencer les propriétés chimiques du deutérium ou du tritium par rapport au protium (effet isotopique). Les 3 isotopes de l'hydrogène sont :
- l’hydrogène léger (H2 ou protium 1H)) ; c'est le plus abondant (~99,98%). Simplement constitué d'un proton et ne possèdant donc pas de neutron, c'est un isotope stable.
- 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 stable.
- le tritium (3H ou T) ; Constitué d’un proton et de deux neutrons, il n'est présent qu'en infime quantité (un atome 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 (radioactivité β−). 2H et 3H peuvent participer à des réactions de fusion nucléaire…
Sa radiotoxicité est réputée très faible lorsqu'il est présent sous forme HTO (eau tritiée), elle est moins connue et à ce jour moins bien comprise lorsqu'elle est émise par une forme organique (les études présentent des résultats contradictoires ou très variables selon leurs protocoles expérimentaux)5. 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 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. Sa demi-vie est très courte : 899 ns.
modifier 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 du méthane).
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 à forte dose 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 %.
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 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 européen Hysafe traite aussi de la question, où l’Ineris a critiqué le projet de règlement en suggérant une approche plus globale et systémique et non par composant pour l’homologation des véhicules hybrides.
Dans le cadre de l'utilisation de l'hydrogène en tant que vecteur d'énergie, plusieurs études ont soulevé l'hypothèse d'un risque majeur pour la couche d'ozone en cas d'utilisation massive6,7.
modifier 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.
Article détaillé : Atome d'hydrogène.modifier 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 seul n'existe pas libre mais il est toujours dans le nuage électronique d'une molécule (telle H2O) ; devenant l'ion hydronium (acide) : H2OH+.
- 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.
modifier La liaison hydrogène
La liaison hydrogène est une interaction électrostatique 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 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 > 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 de 120° entre les différentes molécules.
Il existe des liaisons 2H2O 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.
modifier Ouvrages
- La Révolution de l'hydrogène. Vers une énergie propre et performante ?, Stephen Boucher, préface de Thierry Alleau, Paris, Ed. du Felin, 2006, 160 pages, ISBN 2-86645-616-5.
modifier Voir aussi
modifier Articles connexes
modifier Notes et références
- ↑ ou Protium
- ↑ Présentation d'un rapport remis au G8 de Saint-Petersbourg, juin 2006.
- ↑ Estimation de General Motors, citée par P. Laffitte et C. Saunier, Les apports de la science et de la technologie au développement durable, rapport réalisé pour l'Office parlementaire d'évaluation des choix scientifiques et technologiques.
- ↑ Source : P. Laffitte et C. Saunier, op. cit.
- ↑ Fiche radiotoxicologique « tritium » du CEA, version 12-2005, rédigée par Annabelle Comte
- ↑ T. Rahn, J. M. Eiler, K. A. Boering, P. O. Wennberg, M. C. McCarthy, S. Tyler, S. Schauffler, S. Donelly, E. Atlas, Extreme deuterium enrichment in stratospheric hydrogen and the global atmospheric budget of H2, Nature 424, 918-921, 2003.
- ↑ Tromp, T. K., R-L Shia, M. Allen, J. M. Eiler et Y. L. Yung, Potential environmental impact of a hydrogen economy on the stratosphere, Science 300, 1740-1742, 2003.
modifier Liens externes
- (fr) www.periodictableonline.org H
- (fr) Association française de l'hydrogène
- (fr) Réseau européen/Pôle de compétence
- (fr) L'hydrogène vu par le CEA
- (fr) H2-Développement
- (fr) INERIS : retour d'expérience lié aux difficultés de stockage
- (fr) L'hydrogène vu par la Société Française de Chimie