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L’hydrogène a été reconnu comme une substance distincte par Henry Cavendish en 1776. Diagramme d’un atome d’hydrogène simple. |
Hydrogène
| Numéro atomique: | 1 | Radius atomique : | 120 pm (Van der Waals) |
| Symbole atomique: | H | Point de fusion: | -259.16 °C |
| Poids atomique: | 1.008 | Point d’ébullition: | -252.879 °C |
| Configuration des électrons: | 1s1 | États d’oxydation: | -1, +1 (un oxyde amphotère) |
Histoire
Du mot grec hydro (eau), et genes (former). L’hydrogène a été reconnu comme une substance distincte par Henry Cavendish en 1776. Diagramme d’un atome d’hydrogène simple.
L’hydrogène est le plus abondant de tous les éléments dans l’univers. Les éléments plus lourds ont été fabriqués à l’origine à partir d’atomes d’hydrogène ou d’autres éléments qui ont été fabriqués à l’origine à partir d’atomes d’hydrogène.
Sources
On estime que l’hydrogène constitue plus de 90% de tous les atomes — les trois quarts de la masse de l’univers ! Cet élément se trouve dans les étoiles et joue un rôle important dans l’alimentation de l’univers par la réaction proton-proton et le cycle carbone-azote. Les processus de fusion stellaire de l’hydrogène libèrent des quantités massives d’énergie en combinant les hydrogènes pour former de l’hélium.
La production d’hydrogène aux États-Unis seulement s’élève à environ 3 milliards de pieds cubes par an. L’hydrogène est préparé par
- vapeur sur du carbone chauffé,
- décomposition de certains hydrocarbures par la chaleur,
- réaction de l’hydroxyde de sodium ou de potassium sur l’aluminium
- électrolyse de l’eau, ou
- déplacement des acides par certains métaux.
L’hydrogène liquide est important en cryogénie et dans l’étude de la supraconductivité, car son point de fusion n’est que de 20 degrés au-dessus du zéro absolu.
Le tritium est facilement produit dans les réacteurs nucléaires et est utilisé dans la production de la bombe à hydrogène.
L’hydrogène est le composant principal de Jupiter et des autres planètes géantes gazeuses. A une certaine profondeur à l’intérieur de la planète, la pression est si grande que l’hydrogène moléculaire solide est converti en hydrogène métallique solide.
En 1973, un groupe d’expérimentateurs russes pourrait avoir produit de l’hydrogène métallique à une pression de 2,8 Mbar. Lors de la transition, la densité est passée de 1,08 à 1,3 g/cm3. Plus tôt, en 1972, à Liverpool, en Californie, un groupe a également fait état d’une expérience similaire au cours de laquelle il a observé un point pression-volume centré à 2 Mbar. Les prédictions disent que l’hydrogène métallique pourrait être métastable ; d’autres ont prédit qu’il serait un supraconducteur à température ambiante.
Composés
Bien que l’hydrogène pur soit un gaz, nous en trouvons très peu dans notre atmosphère. L’hydrogène gazeux est si léger que, non combiné, il prend suffisamment de vitesse lors de collisions avec d’autres gaz pour être rapidement éjecté de l’atmosphère. Sur terre, l’hydrogène se trouve principalement combiné à l’oxygène dans l’eau, mais il est également présent dans les matières organiques telles que les plantes vivantes, le pétrole, le charbon, etc. Il est présent en tant qu’élément libre dans l’atmosphère, mais seulement à moins de 1 ppm en volume. Le plus léger de tous les gaz, l’hydrogène se combine avec d’autres éléments — parfois de manière explosive — pour former des composés.
Utilisations
De grandes quantités d’hydrogène sont requises commercialement pour la fixation de l’azote par le procédé Haber de l’ammoniac, et pour l’hydrogénation des graisses et des huiles. Il est également utilisé en grandes quantités pour la production de méthanol, l’hydrodésalkylation, l’hydrocraquage et l’hydrodésulfuration. D’autres utilisations comprennent le carburant pour fusées, la soudure, la production d’acide chlorhydrique, la réduction des minerais métalliques et le remplissage des ballons.
La puissance de levage d’un pied cube de gaz hydrogène est d’environ 0,07 lb à °C, 760 mm de pression.
La pile à combustible à hydrogène est une technologie en développement qui permettra d’obtenir de grandes quantités d’énergie électrique en utilisant une source d’hydrogène gazeux.
On envisage une économie entière basée sur l’hydrogène d’origine solaire et nucléaire. L’acceptation par le public, les investissements élevés et le coût élevé de l’hydrogène par rapport aux carburants actuels ne sont que quelques-uns des problèmes auxquels une telle économie doit faire face. Situées dans des régions éloignées, les centrales électriques électrolyseraient l’eau de mer ; l’hydrogène produit serait acheminé vers des villes lointaines par des pipelines. L’hydrogène non polluant pourrait remplacer le gaz naturel, l’essence, etc., et pourrait servir d’agent réducteur dans la métallurgie, le traitement chimique, le raffinage, etc. Il pourrait également être utilisé pour convertir les déchets en méthane et en éthylène.
Formes
Tout à fait en dehors des isotopes, il a été démontré que, dans les conditions ordinaires, l’hydrogaz est un mélange de deux sortes de molécules, dites ortho- et para-hydrogène, qui diffèrent l’une de l’autre par les spins de leurs électrons et de leurs noyaux.
L’hydrogène normal à température ambiante contient 25% de la forme para et 75% de la forme ortho. La forme ortho ne peut pas être préparée à l’état pur. Comme les deux formes diffèrent en énergie, leurs propriétés physiques diffèrent également. Les points de fusion et d’ébullition duparahydrogène sont environ 0,1°C plus bas que ceux de l’hydrogène normal.
Isotopes
L’isotope ordinaire de l’hydrogène, H, est connu sous le nom de Protium, les deux autres isotopes sont leDeutérium (un proton et un neutron) et le Tritium (un protron et deux neutrons). L’hydrogène est le seul élément dont les isotopes ont reçu des noms différents. Le deutérium et le tritium sont tous deux utilisés comme combustible dans les réacteurs à fusion nucléaire. Un atome de deutérium se trouve dans environ 6000 atomes d’hydrogène ordinaires.
Le deutérium est utilisé comme modérateur pour ralentir les neutrons. Des atomes de tritium sont également présentsmais dans des proportions beaucoup plus faibles. Le tritium est facilement produit dans les réacteurs nucléaires et est utilisé dans la production de la bombe à hydrogène (fusion). Il est également utilisé comme agent radioactif dans la fabrication de peintures lumineuses, et comme traceur.