Hydrogène
Cet article concerne l'élément chimique. Pour le corps simple H2,voirDihydrogène.Pour la théorie quantique de l'atome d'hydrogène, voirAtome d'hydrogène.
L'hydrogèneest l'élément chimiquedenuméro atomique1, desymboleH. L'hydrogène présent sur Terre est presque entièrement constitué de l'isotope1H (ouprotium,comportant unprotonet zéroneutron) et d'environ 0,01 % dedeutérium2H (un proton, un neutron). Ces deuxisotopes de l'hydrogènesontstables.Un troisième isotope, letritium3H (un proton, deux neutrons),instable,est produit dans les réactions defission nucléaire(réacteurs nucléairesoubombes).
L'hydrogène peut avoir lesnombres d'oxydation0 (dihydrogèneH2ouhydrogène métallique), +I (dans la plupart de sescomposés chimiques) et –I (dans leshydruresmétalliques). L'hydrogène est un élémentélectropositif,fréquemmentioniséà l'état H+ou H3O+.Il forme aussi desliaisons covalentes(notamment dans le dihydrogène et leshydrocarbures) et des liaisons de nature intermédiaire appeléesliaisons hydrogène(notamment dans lamolécule d'eauet lamatière organique).
L'hydrogène est le principal constituant duSoleilet de la plupart desétoiles(dont l'énergieprovient de lafusion thermonucléairede cet hydrogène), et de la matièreinterstellaireouintergalactique.C'est un composant majeur desplanètes géantes,sous forme métallique au cœur deJupiteret deSaturne,et sous la forme de dihydrogène solide, liquide ou gazeux dans leurs couches plus externes et dans les autres planètes géantes. Sur Terre, il est surtout présent à l'état d'eauliquide, solide (glace) ou gazeuse (vapeur d'eau), mais on le trouve aussi dans lesémanationsde certainsvolcanssous la forme de H2et de CH4(méthane).
Lecorps simpleH2est mis en évidence à l'étatgazeuxparCavendishen1766,qui l'appelle « air inflammable » parce qu'il brûle ou explose en présence d'oxygène,produisant de la vapeur d'eau.Lavoisierdésigne ce gaz sous le nom d'hydrogène,composé du préfixehydro-,dugrecὕδωρ/húdôr,« eau », et du suffixe-gène,du grecγεννάω/gennáô,« engendrer »[7].Son nom correct est désormais « dihydrogène », mais dans la langue courante on continue à l'appeler « hydrogène ».
Abondance[modifier|modifier le code]
L'hydrogène est l'élément le plus abondantde l'Univers:75 % en masse et 92 % en nombre d'atomesdematière baryonique(c'est-à-dire horsmatière noire)[8].Il est présent en grande quantité dans lesétoileset les planètes gazeuses; il est également le composant principal desnébuleuseset dugaz interstellaire.
Dans la croûte terrestre,l'hydrogène ne représente que 0,22 % des atomes, loin derrière l'oxygène(47 %) et lesilicium(27 %)[9],[10].Il est rare également dans l'atmosphère terrestre,dont il ne représente en volume que 0,55ppmdes gaz atmosphériques. Sur Terre, la source la plus commune d'hydrogène est l'eau,dontla moléculeest constituée de deux atomes d'hydrogène et d'un atome d'oxygène;l'hydrogène est surtout le principal constituant (en nombre d'atomes) de toute matière vivante, associé aucarbonedans tous lescomposés organiques.Par exemple, l'hydrogène représente 63 % des atomes et 10 % de la masse du corps humain[9],[11],[12].
Des accumulations dedihydrogène natifont été détectées dans la croûte terrestre. L'une d'elles au Mali est quasiment pure (à 96 %) et est utilisée pour produire de l'électricité depuis les années 2010[13].D'autres sont recherchées pourproduire du dihydrogène[14].
Sous de très faibles pressions, comme celles qui existent dans l'espace,l'hydrogène a tendance à exister sous forme d'atomes individuels car il n'entre pas en collision avec d'autres atomes pour se combiner. Lesnuages d'hydrogènesont à la base du processus de laformation des étoiles.
Atome d'hydrogène[modifier|modifier le code]
L'hydrogène est l'élément chimiquele plus simple, denuméro atomique1; sonisotopele plus commun est constitué seulement d'unprotonet d'unélectron.L'hydrogène est l'atomele plus léger. Comme il ne possède qu'un électron, il ne peut former qu'uneliaison covalente:c'est un atomeunivalent.
Cependant, l'hydrogène solide peut êtremétalliquelorsqu'il se trouve sous très hautepression.Il cristallise alors avec uneliaison métallique(voirHydrogène métallique). Dans letableau périodique des éléments,il se trouve dans la colonne desmétaux alcalins.N'étant toutefois pas présent dans cetétatsur Terre, il n'est pas considéré comme un métal enchimie.
Lasection efficacede capture de l'hydrogène (200mbauxneutrons thermiqueset 0,04mbaux neutrons rapides)[15][réf. nécessaire]est suffisamment faible pour permettre l'utilisation de l'eau commemodérateuret réfrigérant des réacteurs nucléaires.
Mécanique quantique[modifier|modifier le code]
L'atome d'hydrogène est le plus simple qui existe. C'est donc celui pour lequel la résolution de l'équation de Schrödinger,enmécanique quantique,est la plus simple. L'étude de ce cas est fondamentale, puisqu'elle a permis d'expliquer lesorbitales atomiques,et ensuite les différentesliaisons chimiquespar la théorie desorbitales moléculaires.
Isotopes et propriétés nucléaires[modifier|modifier le code]
Isotopes[modifier|modifier le code]
L’hydrogène est le seul élément dontchaque isotopeporte un nom spécifique, car leur différence de masse (comparativement à celle de l'atome d'hydrogène) est significative: du simple au double ou au triple, ce qui explique que, contrairement à ce qui vaut pour lesisotopesen général, ces différences peuvent influencer les propriétés chimiques du deutérium ou du tritium par rapport au protium (effet isotopique). L'eau lourde(D2O), qui contient des isotopes d'hydrogène lourds, est par exemple toxique (à forte dose) pour de nombreuses espèces. En effet, en raison de la grande différence de masse entre les isotopes, lacinétique des réactionsensolution aqueuseest considérablement ralentie.
Les isotopes les plus notables de l'hydrogène sont:
- l'hydrogène léger ouprotium1H, le plus abondant (~99,98 % de l'hydrogène naturel). Lenoyau atomiqueest simplement constitué d'un proton et ne possède donc pas deneutron.C'est unisotope stable;
- ledeutérium2H (ou D), beaucoup moins abondant (de 0,0082 à 0,0184 % de l'hydrogène naturel, ~0,015 % en moyenne). Le noyau est constitué d'un proton et d'un neutron, c'est aussi un isotope stable. Sur Terre, il est essentiellement présent sous forme d'eau deutéréeHDO (eau semi-lourde);
- letritium3H (ou T), présent seulement en quantité infime dans l'hydrogène naturel (un atome de tritium pour 1018atomes d’hydrogène). Le noyau est constitué d’un proton et de deux neutrons, il est radioactif et se transforme en3Hepar émission d'un électron (radioactivité β−).2H et3H peuvent participer à des réactions defusion nucléaire.Laradiotoxicitédu tritium est réputée très faible lorsqu'il est présent sous forme HTO (eau tritiée,ou eau lourde), elle est moins connue et moins bien comprise lorsqu'il est présent sous forme organique (les études présentent des résultats contradictoires ou très variables selon leurs protocoles expérimentaux[16]). Dans l’environnement naturel, le tritium peut prendre la place du protium dans les molécules comprenant de l'hydrogène, y compris dans les molécules biologiques et jusque dans l'ADNoù il peut être cause de cassures de l'information génétique, de mutations ou d'apoptosescellulaires. Le tritium étant un isotope rare, sa concentration dans l'eau et les tissus est généralement très faible (hors contaminations accidentelles d’origine humaine);
- lequadriumou tétradium4H (ou Q), l'isotope le plus instable de l'hydrogène (sademi-vieest ultracourte: 1,39 × 10−22seconde[17]). Il se décompose par émission de neutron[18];
- l'hydrogène 7 (7H), lenucléidele plus riche en neutrons jamais observé, relativement au nombre de protons (N/Z= 6). Sa demi-vie est de l'ordre de 10−21seconde[19].
Fusion nucléaire[modifier|modifier le code]
L'hydrogène, présent en grandes quantités dans le cœur des étoiles, est une source d'énergie par les réactions defusion nucléaire,qui combinent deux noyaux d'atomes d'hydrogène (deuxprotons) pour former un noyau d'atome d'hélium.Les deux voies de cette fusion nucléaire naturelle sont lachaîne proton-proton,deEddington,et lecycle carbone-azote-oxygènecatalytique, deBetheetvon Weizsäcker.
La fusion nucléaire réalisée dans lesbombes à hydrogène ou bombes Hconcerne des isotopes intermédiaires de la fusion (l'hydrogène se transforme en hélium), comme celle qui se déroule dans les étoiles: isotopes lourds de l'hydrogène,hélium 3,tritium,etc.Mais, dans unebombe H,les réactions nucléaires ne durent que quelques dizaines de nanosecondes, ce qui permet uniquement des réactions en une unique étape. Or, pour aboutir à la transformation de l'hydrogène en hélium, il faut plusieurs étapes dont la première, la réaction d'un proton, est très lente.
Depuis 2006, le projetITERvise à vérifier la « faisabilité scientifique et technique de la fusion nucléaire comme nouvellesource d’énergie[20]».
Corps simple hydrogène[modifier|modifier le code]
Sauf aux pressions extrêmement basses (comme dans l'espace intergalactique) ou extrêmement hautes (comme dans les parties centrales deJupiteretSaturne), lecorps simplehydrogène est formé demoléculesH2(dihydrogène).
Aux pressions extrêmement hautes, l'hydrogène est dans un état dit « sombre », intermédiaire entre un gaz et un métal. Il ne reflète pas la lumière et ne la transmet pas. Il devient aussi très faiblement conducteur d'électricité[21].Il s'apparente auxmétaux alcalinsqui le suivent dans legroupe1dutableau de Mendeleïev.
Aux pressions les plus basses, l'hydrogène est ungaz monoatomique.
Isomérie[modifier|modifier le code]
Lamoléculede dihydrogène existe sous deuxisomèresde spin nucléaire: l'hydrogène ortho (spinsparallèles) et l'hydrogène para (spins antiparallèles)[22].
Hydrogène gazeux[modifier|modifier le code]
Dans lesconditions normales de température et de pression,comme dans la plupart des conditions qui intéressent lachimieet lessciences de la Terre,l'hydrogène est un gaz moléculaire de formule H2,ledihydrogène.Le dihydrogène forme aussi de vastes «nuages moléculaires» dans lesgalaxies,qui sont à l'origine de laformation des étoiles.
À très basse pression et très haute température l'hydrogène est ungaz monoatomique(donc de formule H), c'est notamment le cas du gazinterstellaireouintergalactique.En raison de l'immensité de ces espaces et malgré la très faible densité du gaz, l'hydrogène monoatomique constitue près de 75 % de lamasse baryoniquede l'univers[23].
Hydrogène liquide[modifier|modifier le code]
Hydrogène solide[modifier|modifier le code]
L'hydrogènesolideest obtenu en abaissant la température en dessous du point de fusion du dihydrogène, situé à14,01K(−259,14°C)[24].L'état solide fut obtenu pour la première fois en 1899 parJames Dewar[25],[26].
Hydrogène métallique[modifier|modifier le code]
L'hydrogène métallique est unephasede l'hydrogène survenant lorsqu'il est soumis à une très fortepressionet à de très bassestempératures.C'est un exemple dematière dégénérée.D'aucuns estiment qu'il y a un intervalle de pressions (autour de400GPa) dans lequel l'hydrogène métallique estliquide,même à de très basses températures[27],[28].
Hydrogène triatomique[modifier|modifier le code]
L'hydrogène triatomique est uneforme allotropiquetrès instable ducorps simplehydrogène, de formule H3[29].
Propriétés chimiques et composés[modifier|modifier le code]
Ions hydron H+,hydronium H3O+et hydrure H−[modifier|modifier le code]
L'atome d'hydrogène peut perdre son unique électron pour donner l'ion H+,désigné couramment par le nom deproton.En effet l'atome qui a perdu son seul électron est réduit à son noyau, et dans le cas de l'isotope le plus abondant1H, 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. L'appellationhydronest plus générale (on dit aussiion hydrogène,malgré la confusion possible avec l'anion H−). Son rayon est très petit: environ 1,5 × 10−15mcontre 5 × 10−11mpour l'atome.
En solution, le proton n'existe pas à l'état libre mais est toujours lié au nuage électronique d'une molécule. En solution aqueuse il estsolvatépar des molécules d'eau; on peut en simplifiant considérer qu'il est capté par une molécule d'eau H2O,formant un ion« hydronium »H3O+,aussi appelé « oxonium » ou « hydroxonium ».
L'atome d'hydrogène peut aussi acquérir un second électron pour donner l'ion «hydrure» H−,ce qui lui confère le même cortège électronique stable que l'atome d'hélium.
Réactions acido-basiques[modifier|modifier le code]
L'hydrogène joue un rôle primordial dans une réaction acido-basique (au sens de lathéorie de Brønsted-Lowry) puisque cette dernière correspond formellement à l'échange d'un ion hydrogène H+entre deux espèces, la première (l'acide) libérant H+parrupture d'une liaisoncovalente, et la deuxième (labase) captant cet H+par formation d'une nouvelle liaison covalente:
Liaison hydrogène[modifier|modifier le code]
Laliaison hydrogèneest une interaction électrostatique entre un atome d'hydrogène, lié chimiquement à un atome électronégatif A, et un autre atome électronégatif B (A et B étant typiquementO,NouFen chimie organique).
Cette liaison joue un rôle important en chimie organique, puisque les atomes d'oxygèneO, d'azoteN ou defluorF sont susceptibles de créer des liaisons hydrogène, mais aussi en chimie inorganique, entre lesalcoolset lesalcoolatesmétalliques.
Composés covalents[modifier|modifier le code]
L'atome d'hydrogène peut engager son uniqueélectronpour former uneliaison covalenteavec de nombreux atomes non-métalliques.
Les composés les plus connus sont:
- la molécule dedihydrogèneH2;
- lamolécule d'eauH2O;
- les molécules d'hydrocarburesCxHy.
L'hydrogène est également présent dans toutes lesmolécules organiques,où il est lié principalement à des atomes decarbone,d'oxygèneet d'azote.
Hydrures[modifier|modifier le code]
L'hydrogène se combine avec la plupart des autres éléments car il possède uneélectronégativitémoyenne (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'ionsH−trouvés généralement en solution. Dans les composés avec les éléments non-métalliques, l'hydrogène forme desliaisons covalentes,car l'ion H+a une forte tendance à s'associer avec les électrons. Dans les acides en solution aqueuse, il se forme des ions H3O+appelés ions «hydronium» ou «oxonium», association du proton et d'unemolécule d'eau.
Notes et références[modifier|modifier le code]
- (en)Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé«Hydrogen»(voir la liste des auteurs).
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Voir aussi[modifier|modifier le code]
Articles connexes[modifier|modifier le code]
- Antihydrogène
- Dihydrogène(H2)
- Hydrogène kaonique
- Hydrogène liquide
- Hydrogène métallique
- Hydrogène natif
- Hydrogénoduc
- Hydrure
- Macro-élément
- Hydrogénation en chimie organique
- Technologie de l'hydrogène
- Chronologie des technologies de l'hydrogène
- Production d'hydrogène
- Stockage de l'hydrogène
- Pile à combustible
- Véhicule à hydrogène
- Économie hydrogène
Liens externes[modifier|modifier le code]
- (en)«Technical data for Hydrogen»(consulté le),avec en sous-pages les données connues pour chaque isotope.
- (en)Images de l'hydrogène et de ses isotopes sous différentes formes.
- (en)2001 - Properties of solid hydrogen at very low temperatures.
- (en)Solid hydrogen experiments for atomic propellants.
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| 7 | Fr | Ra | Ac | Th | Pa | U | Np | Pu | Am | Cm | Bk | Cf | Es | Fm | Md | No | Lr | Rf | Db | Sg | Bh | Hs | Mt | Ds | Rg | Cn | Nh | Fl | Mc | Lv | Ts | Og | |
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| Métaux alcalins | Métaux alcalino-terreux | Lanthanides | Métaux de transition | Métaux pauvres | Métalloïdes | Non-métaux | Halogènes | Gaz nobles | Éléments non classés |
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