L'hydrogène est un gaz. Quel type de substance est l’hydrogène ? Propriétés chimiques et physiques de l'hydrogène

Il a sa propre position spécifique dans le tableau périodique, qui reflète les propriétés qu'il présente et parle de sa structure électronique. Cependant, parmi eux, il existe un atome spécial qui occupe deux cellules à la fois. Il se situe dans deux groupes d'éléments complètement opposés dans leurs propriétés. C'est de l'hydrogène. Ces caractéristiques le rendent unique.

L'hydrogène n'est pas seulement un élément, mais aussi une substance simple, ainsi qu'une partie intégrante de nombreux composés complexes, un élément biogénique et organogène. Examinons donc plus en détail ses caractéristiques et ses propriétés.

L'hydrogène comme élément chimique

L'hydrogène est un élément du premier groupe du sous-groupe principal, ainsi que du septième groupe du sous-groupe principal de la première période mineure. Cette période n'est constituée que de deux atomes : l'hélium et l'élément que nous considérons. Décrivons les principales caractéristiques de la position de l'hydrogène dans le tableau périodique.

  1. Le numéro atomique de l'hydrogène est 1, le nombre d'électrons est le même et, par conséquent, le nombre de protons est le même. Masse atomique - 1,00795. Il existe trois isotopes de cet élément avec des numéros de masse 1, 2, 3. Cependant, les propriétés de chacun d'eux sont très différentes, puisqu'une augmentation de masse, même d'un pour l'hydrogène, est immédiatement doublée.
  2. Le fait qu’il ne contienne qu’un seul électron sur sa surface externe lui permet de présenter avec succès des propriétés à la fois oxydantes et réductrices. De plus, après avoir donné un électron, il reste avec une orbitale libre, qui participe à la formation de liaisons chimiques selon le mécanisme donneur-accepteur.
  3. L'hydrogène est un puissant agent réducteur. Par conséquent, sa place principale est considérée comme le premier groupe du sous-groupe principal, où il dirige les métaux les plus actifs - les alcalis.
  4. Cependant, lorsqu’il interagit avec des agents réducteurs puissants, tels que les métaux, il peut également s’agir d’un agent oxydant, acceptant un électron. Ces composés sont appelés hydrures. Selon cette caractéristique, il est en tête du sous-groupe des halogènes avec lequel il est similaire.
  5. En raison de sa très petite masse atomique, l’hydrogène est considéré comme l’élément le plus léger. De plus, sa densité est également très faible, c'est donc aussi une référence en matière de légèreté.

Ainsi, il est évident que l’atome d’hydrogène est un élément tout à fait unique, contrairement à tous les autres éléments. Par conséquent, ses propriétés sont également particulières et les substances simples et complexes formées sont très importantes. Considérons-les plus en détail.

Substance simple

Si nous parlons de cet élément comme d'une molécule, alors nous devons dire qu'il est diatomique. Autrement dit, l’hydrogène (une substance simple) est un gaz. Sa formule empirique s'écrira H 2, et sa formule graphique s'écrira en utilisant un seul liaison sigma HH. Le mécanisme de formation des liaisons entre les atomes est covalent non polaire.

  1. Reformage du méthane à la vapeur.
  2. Gazéification du charbon - le processus consiste à chauffer le charbon à 1 000 0 C, entraînant la formation d'hydrogène et de charbon à haute teneur en carbone.
  3. Électrolyse. Cette méthode ne peut être utilisée que pour des solutions aqueuses de sels divers, car les fusions n'entraînent pas de rejet d'eau à la cathode.

Méthodes de laboratoire pour produire de l'hydrogène :

  1. Hydrolyse des hydrures métalliques.
  2. L'effet des acides dilués sur les métaux actifs et l'activité moyenne.
  3. Interaction des métaux alcalins et alcalino-terreux avec l'eau.

Pour récupérer l’hydrogène produit, vous devez tenir le tube à essai à l’envers. Ce gaz ne peut en effet pas être collecté de la même manière que le dioxyde de carbone, par exemple. C'est de l'hydrogène, il est beaucoup plus léger que l'air. Il s'évapore rapidement et explose en grande quantité lorsqu'il est mélangé à l'air. Par conséquent, le tube à essai doit être inversé. Après l'avoir rempli, il doit être fermé avec un bouchon en caoutchouc.

Pour vérifier la pureté de l'hydrogène collecté, vous devez porter une allumette allumée au cou. Si le claquement est sourd et silencieux, cela signifie que le gaz est propre, avec un minimum d'impuretés dans l'air. S'il est bruyant et siffle, il est sale, avec une forte proportion de composants étrangers.

Domaines d'utilisation

Lorsque l’hydrogène est brûlé, une telle quantité d’énergie (chaleur) est libérée que ce gaz est considéré comme le combustible le plus rentable. De plus, il est respectueux de l’environnement. Cependant, à ce jour, son application dans ce domaine est limitée. Cela est dû aux problèmes mal conçus et non résolus de la synthèse de l'hydrogène pur, qui pourrait être utilisé comme combustible dans les réacteurs, les moteurs et les appareils portables, ainsi que dans les chaudières de chauffage résidentielles.

Après tout, les méthodes de production de ce gaz sont assez coûteuses, il est donc nécessaire de développer d'abord une méthode de synthèse spéciale. Celui qui vous permettra d'obtenir le produit en grand volume et à un coût minime.

Il existe plusieurs domaines principaux dans lesquels le gaz que nous envisageons est utilisé.

  1. Synthèses chimiques. L'hydrogénation est utilisée pour produire des savons, des margarines et des plastiques. Avec la participation de l'hydrogène, du méthanol et de l'ammoniac, ainsi que d'autres composés, sont synthétisés.
  2. Dans l'industrie alimentaire - comme additif E949.
  3. Industrie aéronautique (fusée scientifique, construction aéronautique).
  4. Industrie de l’énergie électrique.
  5. Météorologie.
  6. Carburant respectueux de l'environnement.

Évidemment, l’hydrogène est aussi important qu’il est abondant dans la nature. Les différents composés qu’il forme jouent un rôle encore plus important.

Composés d'hydrogène

Ce sont des substances complexes contenant des atomes d'hydrogène. Il existe plusieurs types principaux de ces substances.

  1. Halogénures d'hydrogène. La formule générale est HHal. Parmi eux, le chlorure d’hydrogène est particulièrement important. C'est un gaz qui se dissout dans l'eau pour former une solution d'acide chlorhydrique. Cet acide est largement utilisé dans presque toutes les synthèses chimiques. De plus, à la fois organiques et inorganiques. Le chlorure d'hydrogène est un composé de formule empirique HCL et est l'un des plus importants produits chaque année dans notre pays. Les halogénures d'hydrogène comprennent également l'iodure d'hydrogène, le fluorure d'hydrogène et le bromure d'hydrogène. Ils forment tous les acides correspondants.
  2. Volatil Presque tous sont des gaz assez toxiques. Par exemple, le sulfure d'hydrogène, le méthane, le silane, la phosphine et autres. En même temps, ils sont très inflammables.
  3. Les hydrures sont des composés avec des métaux. Ils appartiennent à la classe des sels.
  4. Hydroxydes : bases, acides et composés amphotères. Ils contiennent nécessairement des atomes d'hydrogène, un ou plusieurs. Exemple : NaOH, K 2, H 2 SO 4 et autres.
  5. Hydroxyde d'hydrogène. Ce composé est mieux connu sous le nom d’eau. Un autre nom est l'oxyde d'hydrogène. La formule empirique ressemble à ceci - H 2 O.
  6. Peroxyde d'hydrogène. Il s'agit d'un agent oxydant puissant dont la formule est H 2 O 2.
  7. De nombreux composés organiques : hydrocarbures, protéines, graisses, lipides, vitamines, hormones, huiles essentielles et autres.

Il est évident que la variété des composés de l’élément que nous considérons est très grande. Cela confirme une fois de plus sa grande importance pour la nature et l’homme, ainsi que pour tous les êtres vivants.

- c'est le meilleur solvant

Comme mentionné ci-dessus, le nom commun de cette substance est eau. Se compose de deux atomes d'hydrogène et d'un oxygène, reliés par des liaisons polaires covalentes. La molécule d’eau est un dipôle, ce qui explique bon nombre des propriétés qu’elle présente. C’est notamment un solvant universel.

C'est dans le milieu aquatique que se produisent presque tous les processus chimiques. Les réactions internes du métabolisme plastique et énergétique dans les organismes vivants sont également réalisées à l'aide d'oxyde d'hydrogène.

L'eau est à juste titre considérée comme la substance la plus importante de la planète. On sait qu’aucun organisme vivant ne peut vivre sans lui. Sur Terre, il peut exister dans trois états d'agrégation :

  • liquide;
  • gaz (vapeur);
  • solide (glace).

Selon l'isotope de l'hydrogène inclus dans la molécule, on distingue trois types d'eau.

  1. Lumière ou protium. Un isotope de masse numéro 1. Formule - H 2 O. C'est la forme habituelle utilisée par tous les organismes.
  2. Deutérium ou lourd, sa formule est D 2 O. Contient l'isotope 2 H.
  3. Super lourd ou tritium. La formule ressemble à T 3 O, isotope - 3 H.

Les réserves d'eau douce de protium sur la planète sont très importantes. Il y en a déjà une pénurie dans de nombreux pays. Des méthodes sont en cours de développement pour traiter l’eau salée afin de produire de l’eau potable.

Le peroxyde d'hydrogène est un remède universel

Ce composé, comme mentionné ci-dessus, est un excellent agent oxydant. Cependant, avec des représentants forts, il peut aussi se comporter en restaurateur. De plus, il a un effet bactéricide prononcé.

Un autre nom pour ce composé est peroxyde. C'est sous cette forme qu'il est utilisé en médecine. Une solution à 3% d'hydrate cristallin du composé en question est un médicament médical utilisé pour traiter les petites plaies dans le but de les désinfecter. Cependant, il a été prouvé que cela augmente le temps de cicatrisation de la plaie.

Le peroxyde d'hydrogène est également utilisé dans le carburant des fusées, dans l'industrie pour la désinfection et le blanchiment, et comme agent moussant pour la production de matériaux appropriés (mousse par exemple). De plus, le peroxyde aide à nettoyer les aquariums, à décolorer les cheveux et à blanchir les dents. Cependant, il endommage les tissus et n'est donc pas recommandé par les spécialistes à ces fins.

Hydrogène

HYDROGÈNE-UN; m.Élément chimique (H), gaz léger, incolore et inodore qui se combine avec l'oxygène pour former de l'eau.

◁ L'hydrogène, oh, oh. Deuxièmes connexions. Bactéries B. 2ème bombe(une bombe au pouvoir destructeur énorme, dont l'action explosive est basée sur une réaction thermonucléaire). Hydrogène, oh, oh.

hydrogène

(lat. Hydrogénium), un élément chimique du groupe VII du système périodique. Il existe deux isotopes stables dans la nature (le protium et le deutérium) et un radioactif (le tritium). La molécule est diatomique (H 2). Gaz incolore et inodore ; densité 0,0899 g/l, t kip - 252,76°C. Se combine avec de nombreux éléments et forme de l'eau avec de l'oxygène. L'élément le plus commun du cosmos ; constitue (sous forme de plasma) plus de 70 % de la masse du Soleil et des étoiles, l'essentiel des gaz du milieu interstellaire et des nébuleuses. L'atome d'hydrogène fait partie de nombreux acides et bases, ainsi que de la plupart des composés organiques. Ils sont utilisés dans la production d'ammoniac, d'acide chlorhydrique, pour l'hydrogénation des graisses, etc., dans le soudage et le coupage des métaux. Un carburant prometteur (voir Hydrogène énergie).

HYDROGÈNE

HYDROGÈNE (lat. Hydrogenium), H, élément chimique de numéro atomique 1, masse atomique 1,00794. Le symbole chimique de l’hydrogène, H, se lit dans notre pays comme « mal », comme cette lettre est prononcée en français.
L'hydrogène naturel est constitué d'un mélange de deux nucléides stables (cm. NUCLIDE) avec des numéros de masse 1,007825 (99,985 % dans le mélange) et 2,0140 (0,015 %). De plus, l'hydrogène naturel contient toujours d'infimes quantités de nucléide radioactif - le tritium. (cm. TRITIUM) 3 N (demi-vie T 1/2 12,43 ans). Étant donné que le noyau d'un atome d'hydrogène ne contient qu'un seul proton (il ne peut y avoir moins de protons dans le noyau d'un atome d'un élément), on dit parfois que l'hydrogène forme la limite inférieure naturelle du système périodique d'éléments de D. I. Mendeleïev (bien que l'élément l'hydrogène lui-même se trouve dans la partie supérieure des tableaux). L’élément hydrogène est situé dans la première période du tableau périodique. Il est également classé dans le groupe 1 (métaux alcalins du groupe IA (cm. MÉTAUX ALCALIENS)), et au groupe 7 (halogènes du groupe VIIA (cm. HALOGÈNE)).
Les masses atomiques des isotopes de l'hydrogène diffèrent considérablement (de plusieurs fois). Cela conduit à des différences notables dans leur comportement dans les processus physiques (distillation, électrolyse, etc.) et à certaines différences chimiques (les différences dans le comportement des isotopes d'un élément sont appelées effets isotopiques ; pour l'hydrogène, les effets isotopiques sont les plus significatifs). Par conséquent, contrairement aux isotopes de tous les autres éléments, les isotopes de l’hydrogène ont des symboles et des noms spéciaux. L'hydrogène avec un nombre de masse de 1 est appelé hydrogène léger, ou protium (latin Protium, du grec protos - premier), désigné par le symbole H, et son noyau est appelé proton (cm. PROTON (particule élémentaire)), symbole p. L'hydrogène de masse numéro 2 est appelé hydrogène lourd, deutérium (cm. DEUTÉRIUM)(latin Deuterium, du grec deuteros - seconde), les symboles 2 H, ou D (lire « de ») sont utilisés pour le désigner, le noyau d est le deutéron. Un isotope radioactif avec un nombre de masse de 3 est appelé hydrogène superlourd, ou tritium (latin Tritum, du grec tritos - troisième), symbole 2 H ou T (lire « ceux »), noyau t - triton.
Configuration de la couche électronique unique d'un atome d'hydrogène neutre non excité 1 s 1 . Dans les composés, il présente les états d'oxydation +1 et, moins fréquemment, –1 (valence I). Le rayon d'un atome d'hydrogène neutre est de 0,024 nm. L'énergie d'ionisation de l'atome est de 13,595 eV, l'affinité électronique est de 0,75 eV. Selon l'échelle de Pauling, l'électronégativité de l'hydrogène est de 2,20. L'hydrogène est un non-métal.
Sous sa forme libre, c'est un gaz légèrement inflammable, sans couleur, odeur ni goût.
Histoire de la découverte
La libération de gaz inflammables lors de l'interaction d'acides et de métaux a été observée aux XVIe et XVIIe siècles, à l'aube de la formation de la chimie en tant que science. Le célèbre physicien et chimiste anglais G. Cavendish (cm. CAVENDISH Henri) en 1766, il étudia ce gaz et l’appela « air inflammable ». Lorsqu'il est brûlé, « l'air inflammable » produit de l'eau, mais l'adhésion de Cavendish à la théorie du phlogistique (cm. PHLOGISTON) l'a empêché de tirer les bonnes conclusions. Chimiste français A. Lavoisier (cm. LAVOISIER Antoine Laurent) en collaboration avec l'ingénieur J. Meunier (cm. MENIER Jean Baptiste Marie Charles), à l'aide de gazomètres spéciaux, il réalise en 1783 la synthèse de l'eau, puis son analyse, en décomposant la vapeur d'eau au fer chaud. Ainsi, il a établi que « l’air combustible » fait partie de l’eau et peut en être extrait. En 1787, Lavoisier arrivait à la conclusion que « l’air combustible » est une substance simple, et fait donc partie des éléments chimiques. Il lui donna le nom d'hydrogène (du grec hydor - eau et gennao - je donne naissance) - « donner naissance à l'eau ». L’établissement de la composition de l’eau a mis fin à la « théorie du phlogistique ». Le nom russe « hydrogène » a été proposé par le chimiste M. F. Solovyov (cm. SOLOVIEV Mikhaïl Fedorovitch) en 1824. Au tournant des XVIIIe et XIXe siècles, il a été établi que l'atome d'hydrogène est très léger (comparé aux atomes d'autres éléments), et le poids (masse) de l'atome d'hydrogène a été pris comme unité de comparaison pour les masses atomiques des éléments. La masse de l’atome d’hydrogène a reçu la valeur 1.
Être dans la nature
L'hydrogène représente environ 1 % de la masse de la croûte terrestre (10e place parmi tous les éléments). L'hydrogène n'est pratiquement jamais trouvé sous sa forme libre sur notre planète (ses traces se trouvent dans les couches supérieures de l'atmosphère), mais dans le cadre de l'eau, il est distribué presque partout sur Terre. L'élément hydrogène fait partie des composés organiques et inorganiques des organismes vivants, du gaz naturel, du pétrole et du charbon. Il est bien entendu contenu dans l'eau (environ 11 % en poids), dans divers hydrates cristallins naturels et minéraux, qui contiennent un ou plusieurs groupes hydroxyles OH.
L'hydrogène en tant qu'élément domine l'Univers. Il représente environ la moitié de la masse du Soleil et des autres étoiles et est présent dans l’atmosphère de plusieurs planètes.
Reçu
L'hydrogène peut être produit de plusieurs manières. Dans l'industrie, on utilise à cet effet des gaz naturels, ainsi que des gaz issus du raffinage du pétrole, de la cokéfaction et de la gazéification du charbon et d'autres combustibles. Lors de la production d'hydrogène à partir de gaz naturel (le composant principal est le méthane), il subit une interaction catalytique avec la vapeur d'eau et une oxydation incomplète avec l'oxygène :
CH 4 + H 2 O = CO + 3H 2 et CH 4 + 1/2 O 2 = CO 2 + 2H 2
La séparation de l'hydrogène des gaz de cokerie et des gaz de raffinage du pétrole repose sur leur liquéfaction lors d'un refroidissement profond et sur l'élimination du mélange de gaz qui se liquéfient plus facilement que l'hydrogène. Lorsqu’une électricité bon marché est disponible, l’hydrogène est produit par électrolyse de l’eau en faisant passer du courant dans des solutions alcalines. Dans des conditions de laboratoire, l'hydrogène est facilement obtenu en faisant réagir des métaux avec des acides, par exemple le zinc avec de l'acide chlorhydrique.
Physique et Propriétés chimiques
Dans des conditions normales, l’hydrogène est un gaz incolore léger (densité dans des conditions normales 0,0899 kg/m3). Point de fusion –259,15 °C, point d'ébullition –252,7 °C. L'hydrogène liquide (au point d'ébullition) a une densité de 70,8 kg/m 3 et est le liquide le plus léger. Le potentiel d'électrode standard H 2 /H - dans une solution aqueuse est pris égal à 0. L'hydrogène est peu soluble dans l'eau : à 0 °C la solubilité est inférieure à 0,02 cm 3 / ml, mais il est très soluble dans certains métaux ( fer spongieux et autres), particulièrement bon - en métal palladium (environ 850 volumes d'hydrogène dans 1 volume de métal). La chaleur de combustion de l’hydrogène est de 143,06 MJ/kg.
Existe sous forme de molécules diatomiques H 2. La constante de dissociation de H 2 en atomes à 300 K est de 2,56·10 -34. L'énergie de dissociation de la molécule H 2 en atomes est de 436 kJ/mol. La distance internucléaire dans la molécule H 2 est de 0,07414 nm.
Puisque le noyau de chaque atome H faisant partie de la molécule a son propre spin (cm. ROTATION), alors l'hydrogène moléculaire peut se présenter sous deux formes : sous forme d'orthohydrogène (o-H 2) (les deux spins ont la même orientation) et sous forme de parahydrogène (n-H 2) (les spins ont des orientations différentes). Dans des conditions normales, l'hydrogène normal est un mélange de 75 % de o-H 2 et de 25 % de p-H 2. Les propriétés physiques du p- et du o-H 2 diffèrent légèrement les unes des autres. Donc, si la température d'ébullition pur o-N 2 20,45 K, puis p-N pur 2 - 20,26 K. La transformation de o-H 2 en p-H 2 s'accompagne du dégagement de 1418 J/mol de chaleur.
La littérature scientifique a suggéré à plusieurs reprises que lorsque hautes pressions(au-dessus de 10 GPa) et à basse température (environ 10 K et moins), l'hydrogène solide, cristallisant généralement dans un réseau moléculaire hexagonal, peut se transformer en une substance aux propriétés métalliques, peut-être même en supraconducteur. Cependant, il n’existe jusqu’à présent aucune donnée claire sur la possibilité d’une telle transition.
Haute résistance liaison chimique entre les atomes de la molécule H2 (ce qui, par exemple, en utilisant la méthode de l'orbitale moléculaire, peut s'expliquer par le fait que dans cette molécule la paire d'électrons est située dans l'orbitale de liaison et que l'orbitale anti-liante n'est pas occupée par des électrons) conduit à le fait qu'à température ambiante, l'hydrogène gazeux est chimiquement inactif. Ainsi, sans chauffage, par simple mélange, l'hydrogène réagit (de manière explosive) uniquement avec le fluor gazeux :
H 2 + F 2 = 2HF + Q.
Si un mélange d'hydrogène et de chlore à température ambiante est irradié avec de la lumière ultraviolette, on observe alors la formation immédiate de chlorure d'hydrogène HCl. La réaction de l'hydrogène avec l'oxygène se produit de manière explosive si un catalyseur, du palladium métallique (ou du platine), est ajouté au mélange de ces gaz. Lorsqu'il est enflammé, un mélange d'hydrogène et d'oxygène (le soi-disant gaz détonant (cm. GAZ EXPLOSIF)) explose et une explosion peut se produire dans des mélanges dont la teneur en hydrogène varie de 5 à 95 pour cent en volume. L'hydrogène pur dans l'air ou dans l'oxygène pur brûle silencieusement, libérant une grande quantité de chaleur :
H 2 + 1/2O 2 = H 2 O + 285,75 kJ/mol
Si l’hydrogène interagit avec d’autres non-métaux et métaux, ce n’est que sous certaines conditions (chauffage, haute pression, présence d’un catalyseur). Ainsi, l'hydrogène réagit de manière réversible avec l'azote à hypertension artérielle(20-30 MPa et plus) et à une température de 300-400 °C en présence d'un catalyseur - fer :
3H 2 + N 2 = 2NH 3 + Q.
De plus, uniquement lorsqu'il est chauffé, l'hydrogène réagit avec le soufre pour former du sulfure d'hydrogène H 2 S, avec le brome pour former du bromure d'hydrogène HBr, avec l'iode pour former de l'iodure d'hydrogène HI. L'hydrogène réagit avec le charbon (graphite) pour former un mélange d'hydrocarbures de compositions diverses. L'hydrogène n'interagit pas directement avec le bore, le silicium et le phosphore ; les composés de ces éléments avec l'hydrogène sont obtenus indirectement.
Lorsqu'il est chauffé, l'hydrogène est capable de réagir avec les métaux alcalins, alcalino-terreux et le magnésium pour former des composés avec une liaison ionique, qui contiennent de l'hydrogène à l'état d'oxydation –1. Ainsi, lorsque le calcium est chauffé dans une atmosphère d'hydrogène, un hydrure de type sel de composition CaH 2 se forme. L'hydrure d'aluminium polymère (AlH 3) x - l'un des agents réducteurs les plus puissants - est obtenu indirectement (par exemple, à l'aide de composés organoaluminium). Avec de nombreux métaux de transition (par exemple le zirconium, le hafnium, etc.), l'hydrogène forme des composés de composition variable (solutions solides).
L'hydrogène est capable de réagir non seulement avec de nombreuses substances simples, mais également avec des substances complexes. Tout d’abord, il faut noter la capacité de l’hydrogène à réduire de nombreux métaux de leurs oxydes (comme le fer, le nickel, le plomb, le tungstène, le cuivre, etc.). Ainsi, lorsqu'il est chauffé à une température de 400 à 450 °C et plus, le fer est réduit par l'hydrogène de l'un de ses oxydes, par exemple :
Fe 2 O 3 + 3H 2 = 2Fe + 3H 2 O.
Il convient de noter que seuls les métaux situés dans la série de potentiels standards derrière le manganèse peuvent être réduits à partir d'oxydes d'hydrogène. Les métaux plus actifs (y compris le manganèse) ne sont pas réduits en métal à partir d'oxydes.
L'hydrogène est capable d'ajouter une double ou triple liaison à de nombreux composés organiques (ce sont ce qu'on appelle des réactions d'hydrogénation). Par exemple, en présence d'un catalyseur au nickel, il est possible de réaliser l'hydrogénation de l'éthylène C 2 H 4, et de l'éthane C 2 H 6 se forme :
C 2 H 4 + H 2 = C 2 H 6.
Le méthanol est produit industriellement par la réaction du monoxyde de carbone (II) et de l'hydrogène :
2H 2 + CO = CH 3 OH.
Dans les composés dans lesquels un atome d'hydrogène est connecté à un atome d'un élément E plus électronégatif (E = F, Cl, O, N), des liaisons hydrogène se forment entre les molécules (cm. LIAISON HYDROGÈNE)(deux atomes E du même élément ou deux éléments différents sont reliés entre eux par l'atome H : E"... N... E"", et les trois atomes sont situés sur la même ligne droite). De telles liaisons existent entre les molécules d'eau, d'ammoniac, de méthanol, etc. et conduisent à une augmentation notable des points d'ébullition de ces substances, une augmentation de la chaleur d'évaporation, etc.
Application
L'hydrogène est utilisé dans la synthèse de l'ammoniac NH 3, du chlorure d'hydrogène HCl, du méthanol CH 3 OH, lors de l'hydrocraquage (craquage sous atmosphère d'hydrogène) d'hydrocarbures naturels, comme agent réducteur dans la production de certains métaux. Hydrogénation (cm. HYDROGÉNATION) naturel les huiles végétales obtenez de la graisse solide - la margarine. L’hydrogène liquide est utilisé comme carburant pour fusée et également comme liquide de refroidissement. Un mélange d’oxygène et d’hydrogène est utilisé en soudage.
À un moment donné, il a été suggéré que dans un avenir proche, la principale source de production d'énergie serait la réaction de combustion de l'hydrogène et que l'énergie hydrogène remplacerait les sources traditionnelles de production d'énergie (charbon, pétrole, etc.). On pensait qu’il serait possible d’utiliser l’électrolyse de l’eau pour produire de l’hydrogène à grande échelle. L'électrolyse de l'eau est un processus plutôt énergivore et il n'est actuellement pas rentable de produire de l'hydrogène par électrolyse à l'échelle industrielle. Mais on s'attendait à ce que l'électrolyse repose sur l'utilisation de chaleur à moyenne température (500-600 °C), présente en grande quantité lors du fonctionnement des centrales nucléaires. Cette chaleur a une utilisation limitée et la possibilité de produire de l'hydrogène avec son aide résoudrait à la fois le problème environnemental (lorsque l'hydrogène est brûlé dans l'air, la quantité de substances nocives pour l'environnement produites est minime) et le problème de l'utilisation de la chaleur à moyenne température. Cependant, après la catastrophe de Tchernobyl, le développement énergie nucléaire est universellement réduite, de sorte que la source d’énergie spécifiée devient indisponible. Par conséquent, les perspectives d’utilisation généralisée de l’hydrogène comme source d’énergie évoluent encore au moins jusqu’au milieu du 21e siècle.
Caractéristiques du traitement
L'hydrogène n'est pas toxique, mais lors de sa manipulation, il faut constamment tenir compte de son risque élevé d'incendie et d'explosion, et le risque d'explosion de l'hydrogène est accru en raison de la grande capacité du gaz à se diffuser même à travers certains matériaux solides. Avant de commencer toute opération de chauffage dans une atmosphère d'hydrogène, vous devez vous assurer qu'elle est propre (lors de l'allumage de l'hydrogène dans un tube à essai retourné, le son doit être sourd et non aboyer).
Rôle biologique
L'importance biologique de l'hydrogène est déterminée par le fait qu'il fait partie des molécules d'eau et de tous les groupes les plus importants de composés naturels, y compris les protéines, acides nucléiques, lipides, glucides. Environ 10 % de la masse des organismes vivants est constituée d’hydrogène. La capacité de l'hydrogène à former une liaison hydrogène joue un rôle déterminant dans le maintien de la structure spatiale quaternaire des protéines, ainsi que dans la mise en œuvre du principe de complémentarité. (cm. COMPLÉMENTAIRE) dans la construction et les fonctions des acides nucléiques (c'est-à-dire dans le stockage et la mise en œuvre de l'information génétique), en général dans la mise en œuvre de la « reconnaissance » au niveau moléculaire. L'hydrogène (ion H+) participe aux processus et réactions dynamiques les plus importants de l'organisme - à l'oxydation biologique, qui fournit de l'énergie aux cellules vivantes, à la photosynthèse des plantes, aux réactions biosynthétiques, à la fixation de l'azote et à la photosynthèse bactérienne, au maintien de l'acidité. équilibre de base et homéostasie (cm. HOMÉOSTASIE), dans les processus de transport membranaire. Ainsi, avec l’oxygène et le carbone, l’hydrogène constitue la base structurelle et fonctionnelle des phénomènes vitaux.


Dictionnaire encyclopédique. 2009 .

Synonymes:

Voyez ce qu’est « hydrogène » dans d’autres dictionnaires :

    Tableau des nucléides informations générales Nom, symbole Hydrogène 4, 4H Neutrons 3 Protons 1 Propriétés du nucléide Masse atomique 4,027810(110) ... Wikipedia

    Tableau des nucléides Informations générales Nom, symbole Hydrogène 5, 5H Neutrons 4 Protons 1 Propriétés des nucléides Masse atomique 5,035310(110) ... Wikipedia

    Tableau des nucléides Informations générales Nom, symbole Hydrogène 6, 6H Neutrons 5 Protons 1 Propriétés des nucléides Masse atomique 6,044940(280) ... Wikipedia

    Tableau des nucléides Informations générales Nom, symbole Hydrogène 7, 7H Neutrons 6 Protons 1 Propriétés du nucléide Masse atomique 7,052750 (1080) ... Wikipedia

L'hydrogène (Hydrogenium) a été découvert dans la première moitié du XVIe siècle par le médecin et naturaliste allemand Paracelse. En 1776, G. Cavendish (Angleterre) établit ses propriétés et indique ses différences avec les autres gaz. Lavoisier fut le premier à obtenir de l'hydrogène à partir de l'eau et prouva que l'eau est un composé chimique d'hydrogène et d'oxygène (1783).

L'hydrogène possède trois isotopes : le protium, le deutérium ou D et le tritium ou T. Leurs nombres de masse sont 1, 2 et 3. Le protium et le deutérium sont stables, le tritium est radioactif (demi-vie 12,5 ans). Dans les composés naturels, le deutérium et le protium sont contenus en moyenne dans un rapport de 1:6800 (sur la base du nombre d'atomes). Le tritium se trouve dans la nature en quantités négligeables.

Le noyau d'un atome d'hydrogène contient un proton. Les noyaux de deutérium et de tritium comprennent, en plus du proton, respectivement un et deux neutrons.

La molécule d'hydrogène est constituée de deux atomes. Voici quelques propriétés caractérisant l’atome et la molécule d’hydrogène :

Énergie d'ionisation atomique, eV 13,60

Affinité atomique et électronique, eV 0,75

Électrégativité relative 2.1

Rayon atomique, nm 0,046

Distance internucléaire dans une molécule, nm 0,0741

Éithalpie standard de dissociation moléculaire à 436,1

115. Hydrogène dans la nature. Production d'hydrogène.

L’hydrogène à l’état libre ne se trouve sur Terre qu’en petites quantités. Parfois, il est libéré avec d'autres gaz lors d'éruptions volcaniques, ainsi que lors du forage de puits lors de la production pétrolière. Mais sous forme de composés, l’hydrogène est très courant. Cela se voit au fait qu’elle représente un neuvième de la masse de l’eau. L'hydrogène se trouve dans tous les organismes végétaux et animaux, dans le pétrole, le charbon et le lignite, les gaz naturels et un certain nombre de minéraux. L'hydrogène représente environ 1 % de la masse totale de la croûte terrestre, y compris l'eau et l'air. Cependant, convertie en pourcentage du nombre total d'atomes, la teneur en hydrogène de la croûte terrestre est de 17 %.

L'hydrogène est l'élément le plus abondant dans le cosmos. Elle représente environ la moitié de la masse du Soleil et de la plupart des autres étoiles. On le trouve dans les nébuleuses gazeuses, dans les gaz interstellaires et fait partie des étoiles. À l’intérieur des étoiles, les noyaux des atomes d’hydrogène se transforment en noyaux d’atomes d’hélium. Ce processus se produit avec la libération d'énergie ; pour de nombreuses étoiles, y compris le Soleil, il constitue la principale source d'énergie. La vitesse du processus, c'est-à-dire le nombre de noyaux d'hydrogène se transformant en noyaux d'hélium dans un mètre cube en une seconde, est faible. Par conséquent, la quantité d’énergie libérée par unité de temps et par unité de volume est faible. Cependant, en raison de l’énorme masse du Soleil, la quantité totale d’énergie générée et émise par le Soleil est très importante. Cela correspond à une diminution de la masse du Soleil d'environ par seconde.

Dans l’industrie, l’hydrogène est produit principalement à partir du gaz naturel. Ce gaz, constitué principalement de méthane, est mélangé à de la vapeur d'eau et de l'oxygène. Lorsqu'un mélange de gaz est chauffé en présence d'un catalyseur, une réaction se produit, qui peut être schématiquement représentée par l'équation :

Le mélange de gaz résultant est séparé. L'hydrogène est purifié et soit utilisé au point de production, soit transporté dans des cylindres en acier sous haute pression.

Une méthode industrielle importante pour produire de l’hydrogène est également sa séparation des gaz de cokerie ou des gaz de raffinage du pétrole. Elle est réalisée par refroidissement profond, dans lequel tous les gaz, à l'exception de l'hydrogène, sont liquéfiés.

Dans les laboratoires, l'hydrogène est produit principalement par électrolyse de solutions aqueuses. La concentration de ces solutions est choisie pour correspondre à leur conductivité électrique maximale. Les électrodes sont généralement constituées de feuilles de nickel. Ce métal ne se corrode pas dans les solutions alcalines, même comme anode. Si nécessaire, l'hydrogène résultant est purifié de la vapeur d'eau et des traces d'oxygène. Parmi d'autres méthodes de laboratoire, la méthode la plus courante est la séparation de l'hydrogène des solutions d'acide sulfurique ou chlorhydrique par l'action du zinc sur celles-ci. La réaction est généralement réalisée dans un appareil Kipp (Fig. 105).

DÉFINITION

Hydrogène- le premier élément du tableau périodique. Désignation - H du latin "hydrogénium". Situé en première période, groupe IA. Fait référence aux non-métaux. La charge nucléaire est de 1.

L'hydrogène est l'un des éléments chimiques les plus courants - sa part représente environ 1% de la masse des trois coquilles de la croûte terrestre (atmosphère, hydrosphère et lithosphère), ce qui, une fois converti en pourcentages atomiques, donne un chiffre de 17,0.

La majeure partie de cet élément est dans un état lié. Ainsi, l’eau contient environ 11 en poids. %, argile - environ 1,5%, etc. Sous forme de composés avec le carbone, l'hydrogène fait partie du pétrole, des gaz naturels combustibles et de tous les organismes.

L'hydrogène est un gaz incolore et inodore (le diagramme de la structure atomique est présenté sur la figure 1). Ses points de fusion et d'ébullition sont très bas (respectivement -259 o C et -253 o C). À une température (-240 o C) et sous pression, l'hydrogène est capable de se liquéfier et, avec l'évaporation rapide du liquide résultant, il se transforme en état solide(cristaux transparents). Il est légèrement soluble dans l'eau - 2 : 100 en volume. L'hydrogène se caractérise par sa solubilité dans certains métaux, par exemple le fer.

Riz. 1. La structure de l'atome d'hydrogène.

Masse atomique et moléculaire de l'hydrogène

DÉFINITION

Masse atomique relative L'élément est le rapport entre la masse d'un atome d'un élément donné et 1/12 de la masse d'un atome de carbone.

La masse atomique relative est sans dimension et est notée A r (l'indice «r» est la lettre initiale mot anglais relatif, qui signifie « relatif »). La masse atomique relative de l’hydrogène atomique est de 1,008 amu.

Les masses des molécules, ainsi que les masses des atomes, sont exprimées en unités de masse atomique.

DÉFINITION

Masse moléculaire Une substance est appelée la masse d’une molécule, exprimée en unités de masse atomique. Poids moléculaire relatif les substances sont appelées le rapport de la masse d'une molécule d'une substance donnée à 1/12 de la masse d'un atome de carbone, dont la masse est de 12 amu.

On sait que la molécule d'hydrogène est diatomique - H 2 . Le poids moléculaire relatif d'une molécule d'hydrogène sera égal à :

M r (H 2) = 1,008 × 2 = 2,016.

Isotopes de l'hydrogène

L'hydrogène possède trois isotopes : le protium 1 H, le deutérium 2 H ou D et le tritium 3 H ou T. Leurs nombres de masse sont 1, 2 et 3. Le protium et le deutérium sont stables, le tritium est radioactif (demi-vie 12,5 ans). Dans les composés naturels, le deutérium et le protium sont contenus en moyenne dans un rapport de 1:6800 (sur la base du nombre d'atomes). Le tritium se trouve dans la nature en quantités négligeables.

Le noyau de l'atome d'hydrogène 1 H contient un proton. Les noyaux de deutérium et de tritium comprennent, outre le proton, un et deux neutrons.

Ions hydrogène

Un atome d'hydrogène peut soit abandonner son électron unique pour former un ion positif (qui est un proton nu), soit gagner un électron pour devenir un ion négatif, qui a une configuration électronique d'hélium.

L'élimination complète d'un électron d'un atome d'hydrogène nécessite la dépense d'une énergie d'ionisation très élevée :

H + 315 kcal = H + + e.

En conséquence, lorsque l'hydrogène interagit avec les métalloïdes, des liaisons non ioniques, mais uniquement polaires, apparaissent.

La tendance d’un atome neutre à gagner un électron en excès est caractérisée par la valeur de son affinité électronique. Dans l'hydrogène, il s'exprime assez faiblement (cependant, cela ne veut pas dire qu'un tel ion hydrogène ne peut pas exister) :

H + e = H - + 19 kcal.

Molécule et atome d'hydrogène

La molécule d'hydrogène est constituée de deux atomes - H2. Voici quelques propriétés caractérisant l’atome et la molécule d’hydrogène :

Exemples de résolution de problèmes

EXEMPLE 1

Exercice Prouver qu'il existe des hydrures de formule générale EN x contenant 12,5% d'hydrogène.
Solution Calculons les masses de l'hydrogène et de l'élément inconnu, en prenant la masse de l'échantillon à 100 g :

m(H) = m (EN x) ×w (H);

m(H) = 100 × 0,125 = 12,5 g.

m(E) = m (EN x) - m(H);

m(E) = 100 - 12,5 = 87,5 g.

Trouvons la quantité de substance hydrogène et l’élément inconnu, en désignant la masse molaire de ce dernier par « x » (la masse molaire de l’hydrogène est de 1 g/mol) :

L'hydrogène est un élément chimique portant le symbole H et le numéro atomique 1. Avec un poids atomique standard d'environ 1,008, l'hydrogène est l'élément le plus léger du tableau périodique. Sa forme monoatomique (H) est la substance chimique la plus abondante dans l'Univers, représentant environ 75 % de la masse totale des baryons. Les étoiles sont principalement composées d’hydrogène à l’état de plasma. L'isotope le plus courant de l'hydrogène, appelé protium (ce nom est rarement utilisé, symbole 1H), possède un proton et aucun neutron. L’apparition généralisée de l’hydrogène atomique s’est produite pour la première fois à l’ère de la recombinaison. Aux températures et pressions standard, l’hydrogène est un gaz diatomique incolore, inodore, insipide, non toxique, non métallique et inflammable de formule moléculaire H2. Étant donné que l’hydrogène forme facilement des liaisons covalentes avec la plupart des éléments non métalliques, la plupart de l’hydrogène sur Terre existe sous des formes moléculaires telles que l’eau ou des composés organiques. L'hydrogène joue un rôle particulièrement important dans les réactions acido-basiques car la plupart des réactions acides impliquent l'échange de protons entre molécules solubles. Dans les composés ioniques, l’hydrogène peut prendre la forme d’une charge négative (c’est-à-dire un anion), où il est appelé hydrure, ou sous une forme chargée positivement (c’est-à-dire un cation), désignée par le symbole H+. Le cation hydrogène est décrit comme étant constitué d’un simple proton, mais en réalité les cations hydrogène dans les composés ioniques sont toujours plus complexes. En tant que seul atome neutre pour lequel l’équation de Schrödinger peut être résolue analytiquement, l’hydrogène (c’est-à-dire l’étude de l’énergétique et des liaisons de son atome) a joué un rôle clé dans le développement de la mécanique quantique. L’hydrogène gazeux a été produit artificiellement pour la première fois au début du XVIe siècle en faisant réagir des acides avec des métaux. En 1766-81. Henry Cavendish a été le premier à reconnaître que l'hydrogène gazeux était une substance discrète et qu'il produisait de l'eau lorsqu'il était brûlé, ce qui lui a donné son nom : en grec, hydrogène signifie « producteur d'eau ». La production industrielle d’hydrogène implique principalement la conversion à la vapeur du gaz naturel et, plus rarement, des méthodes plus gourmandes en énergie telles que l’électrolyse de l’eau. La majeure partie de l’hydrogène est utilisée à proximité du lieu de production, les deux utilisations les plus courantes étant le traitement des combustibles fossiles (comme l’hydrocraquage) et la production d’ammoniac, principalement pour le marché des engrais. L’hydrogène est une préoccupation en métallurgie car il peut rendre de nombreux métaux cassants, ce qui rend difficile la conception des pipelines et des réservoirs de stockage.

Propriétés

La combustion

L'hydrogène gazeux (dihydrogène ou hydrogène moléculaire) est un gaz inflammable qui brûle dans l'air dans une très large gamme de concentrations allant de 4 % à 75 % en volume. L'enthalpie de combustion est de 286 kJ/mol :

    2 H2 (g) + O2 (g) → 2 H2O (l) + 572 kJ (286 kJ/mol)

L'hydrogène gazeux forme des mélanges explosifs avec l'air à des concentrations allant de 4 à 74 % et avec le chlore à des concentrations allant jusqu'à 5,95 %. Des réactions explosives peuvent être provoquées par des étincelles, la chaleur ou la lumière du soleil. La température d'auto-inflammation de l'hydrogène, température à laquelle il s'enflamme spontanément dans l'air, est de 500 °C (932 °F). Les flammes hydrogène-oxygène pur émettent un rayonnement ultraviolet et, avec un mélange riche en oxygène, sont presque invisibles à l'œil nu, comme en témoigne le faible panache du moteur principal de la navette spatiale comparé au panache très visible du propulseur de fusée solide de la navette spatiale, qui utilise un composite de perchlorate d'ammonium. Un détecteur de flamme peut être nécessaire pour détecter une fuite d'hydrogène en feu ; de telles fuites peuvent être très dangereuses. Une flamme d’hydrogène est bleue dans d’autres conditions et ressemble à la flamme bleue du gaz naturel. Le naufrage du dirigeable Hindenburg est un exemple tristement célèbre de combustion d’hydrogène, et la question fait encore débat. Les flammes orange visibles lors de cet incident ont été provoquées par l'exposition à un mélange d'hydrogène et d'oxygène combiné à des composés carbonés provenant de la peau du dirigeable. H2 réagit avec chaque élément oxydant. L'hydrogène peut réagir spontanément à température ambiante avec le chlore et le fluor pour former les halogénures d'hydrogène correspondants, le chlorure d'hydrogène et le fluorure d'hydrogène, qui sont également des acides potentiellement dangereux.

Niveaux d'énergie des électrons

Le niveau d’énergie fondamental d’un électron dans un atome d’hydrogène est de −13,6 eV, ce qui équivaut à un photon ultraviolet d’une longueur d’onde d’environ 91 nm. Niveaux d'énergie l'hydrogène peut être calculé avec assez de précision à l'aide du modèle atomique de Bohr, qui conceptualise l'électron comme un proton « orbital », analogue à l'orbite terrestre du Soleil. Cependant, l’électron et le proton atomiques sont maintenus ensemble par la force électromagnétique, tandis que les planètes et les objets célestes sont maintenus ensemble par la gravité. En raison de la discrétisation du moment cinétique postulée au début mécanique quantique Bohr, l'électron dans le modèle de Bohr ne peut occuper que certaines distances admissibles du proton et donc seulement certaines énergies admissibles. Une description plus précise de l'atome d'hydrogène vient d'un traitement purement mécanique quantique, qui utilise l'équation de Schrödinger, l'équation de Dirac, ou encore le circuit intégré de Feynman pour calculer la distribution de densité de probabilité d'un électron autour d'un proton. Les méthodes de traitement les plus complexes produisent de petits effets théorie spéciale relativité et polarisation du vide. En quantique usinage, l'électron dans un atome d'hydrogène à l'état fondamental n'a aucun moment cinétique, illustrant en quoi une « orbite planétaire » diffère du mouvement des électrons.

Formes moléculaires élémentaires

Il existe deux isomères de spin différents des molécules d'hydrogène diatomiques, qui diffèrent par le spin relatif de leurs noyaux. Sous la forme orthohydrogène, les spins des deux protons sont parallèles et forment un état triplet avec un nombre quantique de spin moléculaire de 1 (1/2 + 1/2) ; sous forme de parahydrogène, les spins sont antiparallèles et forment un singulet avec un nombre quantique de spin moléculaire de 0 (1/2 1/2). À température et pression normales, l'hydrogène gazeux contient environ 25 % de forme para et 75 % de forme ortho, également connue sous le nom de « forme normale ». Le rapport d'équilibre entre l'orthohydrogène et le parahydrogène dépend de la température, mais comme la forme ortho est un état excité et a une énergie plus élevée que la forme para, elle est instable et ne peut pas être purifiée. À très basse température, l’état d’équilibre est presque exclusivement constitué de la forme para. Propriétés thermiques Les phases liquide et gazeuse du parahydrogène pur diffèrent considérablement des propriétés de forme normale en raison des différences dans les capacités thermiques de rotation, qui sont discutées plus en détail dans les isomères de spin de l'hydrogène. La distinction ortho/paire se produit également dans d'autres molécules ou groupes fonctionnels contenant de l'hydrogène tels que l'eau et le méthylène, mais cela a peu d'importance pour leurs propriétés thermiques. L'interconversion non catalysée entre para et ortho H2 augmente avec l'augmentation de la température ; ainsi, le H2 rapidement condensé contient grandes quantités une forme orthogonale à haute énergie qui se convertit très lentement en forme para. Le rapport ortho/vapeur du H2 condensé est un facteur important dans la préparation et le stockage de l'hydrogène liquide : la conversion de l'ortho en vapeur est exothermique et fournit suffisamment de chaleur pour vaporiser une partie de l'hydrogène liquide, entraînant une perte de matière liquéfiée. Catalyseurs pour la conversion ortho-para, tels que l'oxyde de fer, Charbon actif, l'amiante platinée, les métaux des terres rares, les composés de l'uranium, l'oxyde de chrome ou certains composés du nickel sont utilisés dans le refroidissement de l'hydrogène.

Étapes

    Gaz hydrogène

    Hydrogène liquide

    Hydrogène des boues

    Hydrogène solide

    Hydrogène métallique

Connexions

Composés covalents et organiques

Bien que le H2 ne soit pas très réactif dans des conditions standards, il forme des composés avec la plupart des éléments. L'hydrogène peut former des composés avec des éléments plus électronégatifs, tels que les halogènes (par exemple F, Cl, Br, I) ou l'oxygène ; dans ces composés, l'hydrogène prend une charge partiellement positive. Lorsqu'il est lié au fluor, à l'oxygène ou à l'azote, l'hydrogène peut former une liaison non covalente de force moyenne avec l'hydrogène d'autres molécules similaires, un phénomène appelé liaison hydrogène, qui est essentiel à la stabilité de nombreuses molécules biologiques. L'hydrogène forme également des composés contenant moins d'éléments électronégatifs tels que les métaux et les métalloïdes, où il prend une charge partielle négative. Ces composés sont souvent appelés hydrures. L'hydrogène forme une grande variété de composés avec le carbone, appelés hydrocarbures, et une variété encore plus grande de composés avec des hétéroatomes, qui, en raison de leur association commune avec les êtres vivants, sont appelés composés organiques. Étudie leurs propriétés chimie organique, et leur étude dans le contexte des organismes vivants est connue sous le nom de biochimie. Selon certaines définitions, les composés « organiques » doivent contenir uniquement du carbone. Cependant, la plupart d'entre eux contiennent également de l'hydrogène, et comme c'est la liaison carbone-hydrogène qui confère à cette classe de composés la plupart de leurs caractéristiques chimiques spécifiques, les liaisons carbone-hydrogène sont requises dans certaines définitions du mot « organique » en chimie. Des millions d’hydrocarbures sont connus et ils sont généralement formés par des voies de synthèse complexes qui impliquent rarement de l’hydrogène élémentaire.

Hydrures

Les composés hydrogènes sont souvent appelés hydrures. Le terme « hydrure » suppose que l'atome H a pris un caractère négatif ou anionique, désigné H-, et est utilisé lorsque l'hydrogène forme un composé avec un élément plus électropositif. L'existence d'un anion hydrure, proposée par Gilbert N. Lewis en 1916 pour les hydrures contenant des sels des groupes 1 et 2, a été démontrée par Moers en 1920 par électrolyse de l'hydrure de lithium fondu (LiH), produisant une quantité stoechiométrique d'hydrogène à l'anode. Pour les hydrures autres que les métaux des groupes 1 et 2, le terme est trompeur étant donné la faible électronégativité de l'hydrogène. L'exception aux hydrures du groupe 2 est BeH2, qui est polymère. Dans l'hydrure de lithium et d'aluminium, l'anion AlH-4 porte des centres d'hydrure fermement attachés à Al (III). Bien que des hydrures puissent se former dans presque tous les éléments du groupe principal, le nombre et la combinaison de composés possibles varient considérablement ; par exemple, plus de 100 hydrures binaires de borane et un seul hydrure binaire d'aluminium sont connus. L'hydrure d'indium binaire n'a pas encore été identifié, bien qu'il existe de grands complexes. En chimie inorganique, les hydrures peuvent également servir de ligands de pontage reliant deux centres métalliques dans un complexe de coordination. Cette fonction est particulièrement caractéristique des éléments du groupe 13, notamment dans les boranes (hydrures de bore) et les complexes d'aluminium, ainsi que dans les carboranes groupés.

Protons et acides

L'oxydation de l'hydrogène enlève son électron et produit H+, qui ne contient aucun électron et un noyau généralement constitué d'un seul proton. C’est pourquoi H+ est souvent appelé proton. Cette espèce est au cœur de la discussion sur les acides. Selon la théorie de Bronsted-Lowry, les acides sont des donneurs de protons et les bases sont des accepteurs de protons. Le proton nu, H+, ne peut exister en solution ou dans des cristaux ioniques en raison de son attraction irrésistible vers d’autres atomes ou molécules contenant des électrons. À l’exception des températures élevées associées au plasma, ces protons ne peuvent pas être retirés des nuages ​​électroniques d’atomes et de molécules et y resteront attachés. Cependant, le terme « proton » est parfois utilisé métaphoriquement pour désigner un hydrogène chargé positivement ou cationique attaché à d'autres espèces de cette manière, et en tant que tel, il est appelé « H+ » sans aucune implication que des protons individuels existent librement en tant qu'espèce. Pour éviter l'apparition d'un « proton solvaté » nu en solution, on pense parfois que les solutions aqueuses acides contiennent une espèce fictive moins improbable appelée « ion hydronium » (H3O+). Cependant, même dans ce cas, ces cations hydrogène solvatés sont perçus de manière plus réaliste comme des amas organisés formant des espèces proches de H9O+4. D'autres ions oxonium se trouvent lorsque l'eau est en solution acide avec d'autres solvants. Malgré son apparence exotique sur Terre, l’un des ions les plus courants dans l’Univers est H+3, connu sous le nom d’hydrogène moléculaire protoné ou cation trihydrogène.

Isotopes

L'hydrogène possède trois isotopes naturels, appelés 1H, 2H et 3H. D'autres noyaux très instables (4H à 7H) ont été synthétisés en laboratoire mais n'ont pas été observés dans la nature. Le 1H est l'isotope de l'hydrogène le plus abondant avec une abondance supérieure à 99,98 %. Parce que le noyau de cet isotope est constitué d’un seul proton, on lui donne le nom formel descriptif mais rarement utilisé de protium. Le 2H, un autre isotope stable de l'hydrogène, est connu sous le nom de deutérium et contient un proton et un neutron dans son noyau. On pense que tout le deutérium de l’Univers a été produit lors du Big Bang et existe depuis cette époque jusqu’à aujourd’hui. Le deutérium n'est pas un élément radioactif et ne présente pas de risque de toxicité significatif. L’eau enrichie de molécules contenant du deutérium au lieu de l’hydrogène normal est appelée eau lourde. Le deutérium et ses composés sont utilisés comme traceur non radioactif dans les expériences chimiques et dans les solvants pour la spectroscopie RMN 1H. L'eau lourde est utilisée comme modérateur de neutrons et comme liquide de refroidissement pour les réacteurs nucléaires. Le deutérium est également un combustible potentiel pour la fusion nucléaire commerciale. Le 3H est connu sous le nom de tritium et contient un proton et deux neutrons dans le noyau. Il est radioactif et se désintègre en hélium-3 par désintégration bêta avec une demi-vie de 12,32 ans. Il est si radioactif qu’il peut être utilisé dans la peinture lumineuse, ce qui le rend utile dans la fabrication de montres aux cadrans lumineux, par exemple. Le verre empêche la fuite de petites quantités de rayonnement. De petites quantités de tritium se forment naturellement lorsque les rayons cosmiques interagissent avec les gaz atmosphériques ; du tritium a également été libéré lors des tests armes nucléaires. Il est utilisé dans les réactions de fusion nucléaire comme indicateur de géochimie isotopique et dans des dispositifs d’éclairage spécialisés auto-alimentés. Le tritium a également été utilisé dans des expériences de marquage chimique et biologique comme traceur radioactif. L’hydrogène est le seul élément qui porte des noms différents pour ses isotopes largement utilisés aujourd’hui. Au cours des premières études sur la radioactivité, divers isotopes radioactifs lourds ont été administrés noms propres, mais ces noms ne sont plus utilisés, à l'exception du deutérium et du tritium. Les symboles D et T (au lieu de 2H et 3H) sont parfois utilisés pour le deutérium et le tritium, mais le symbole correspondant pour le protium P est déjà utilisé pour le phosphore et n'est donc pas disponible pour le protium. Dans ses directives de nomenclature, l'Union internationale de chimie pure et appliquée autorise l'utilisation de l'un des symboles D, T, 2H et 3H, bien que 2H et 3H soient préférés. L'atome exotique muonium (symbole Mu), constitué d'un antimuon et d'un électron, est aussi parfois considéré comme un radio-isotope léger de l'hydrogène en raison de la différence de masse entre l'antimuon et l'électron, découverte en 1960. Pendant la durée de vie du muon, 2,2 μs, le muonium peut être incorporé dans des composés tels que le chlorure de muonium (MuCl) ou le muonure de sodium (NaMu), similaires respectivement au chlorure d'hydrogène et à l'hydrure de sodium.

Histoire

Ouverture et utilisation

En 1671, Robert Boyle a découvert et décrit la réaction entre la limaille de fer et les acides dilués qui produit de l'hydrogène gazeux. En 1766, Henry Cavendish fut le premier à reconnaître l'hydrogène gazeux comme une substance discrète, appelant ce gaz « air inflammable » en raison de sa réaction métal-acide. Il a émis l'hypothèse que « l'air inflammable » était pratiquement identique à une substance hypothétique appelée « phlogistique », et a de nouveau découvert en 1781 que le gaz produisait de l'eau lorsqu'il était brûlé. On pense que c’est lui qui a découvert l’hydrogène en tant qu’élément. En 1783, Antoine Lavoisier a donné à l'élément le nom d'hydrogène (du grec ὑδρο-hydro signifiant « eau » et -γενής gènes signifiant « créateur ») lorsque lui et Laplace ont reproduit les données de Cavendish selon lesquelles la combustion d'hydrogène produit de l'eau. Lavoisier a produit de l'hydrogène pour ses expériences de conservation de masse en faisant réagir un courant de vapeur avec du fer métallique à travers une lampe à incandescence chauffée par le feu. L'oxydation anaérobie du fer par les protons de l'eau à haute température peut être schématiquement représentée par un ensemble de réactions suivantes :

    Fe + H2O → FeO + H2

    2 Fe + 3 H2O → Fe2O3 + 3 H2

    3 Fe + 4 H2O → Fe3O4 + 4 H2

De nombreux métaux, comme le zirconium, subissent une réaction similaire avec l’eau pour produire de l’hydrogène. L'hydrogène a été liquéfié pour la première fois par James Dewar en 1898 grâce à la réfrigération régénérative et à son invention, la fiole à vide. L’année suivante, elle produisit de l’hydrogène solide. Le deutérium a été découvert en décembre 1931 par Harold Urey et le tritium a été préparé en 1934 par Ernest Rutherford, Mark Oliphant et Paul Harteck. L'eau lourde, constituée de deutérium au lieu d'hydrogène ordinaire, a été découverte par le groupe d'Urey en 1932. François Isaac de Rivaz a construit le premier moteur Rivaz, le moteur combustion interne, propulsé par l'hydrogène et l'oxygène, en 1806. Edward Daniel Clark a inventé le tube à hydrogène en 1819. Le silex Döbereiner (le premier briquet à part entière) a été inventé en 1823. Le premier ballon à hydrogène a été inventé par Jacques Charles en 1783. L’hydrogène a permis l’essor de la première forme fiable de transport aérien après l’invention du premier dirigeable à hydrogène en 1852 par Henri Giffard. Le comte allemand Ferdinand von Zeppelin a promu l'idée de dirigeables rigides propulsés dans les airs par l'hydrogène, qui furent plus tard appelés Zeppelins ; le premier d'entre eux a volé pour la première fois en 1900. Les vols réguliers ont commencé en 1910 et, au déclenchement de la Première Guerre mondiale en août 1914, ils ont transporté 35 000 passagers sans incident majeur. Pendant la guerre, les dirigeables à hydrogène étaient utilisés comme plates-formes d'observation et comme bombardiers. Le premier vol transatlantique sans escale a été effectué par le dirigeable britannique R34 en 1919. Le service régulier de passagers a repris dans les années 1920 et la découverte de réserves d'hélium aux États-Unis devait améliorer la sécurité des voyages, mais le gouvernement américain a refusé de vendre le gaz à cette fin, de sorte que du H2 a été utilisé dans le dirigeable Hindenburg, qui a été détruit. dans un incendie à Milan à New York.-Jersey le 6 mai 1937. L'incident a été retransmis en direct à la radio et filmé. Il était largement admis que la cause de l'inflammation était une fuite d'hydrogène, mais des études ultérieures indiquent que le revêtement en tissu aluminisé a été enflammé par l'électricité statique. Mais à cette époque, la réputation de l’hydrogène en tant que gaz de levage était déjà entamée. La même année, le premier turbogénérateur refroidi à l'hydrogène, avec de l'hydrogène gazeux comme liquide de refroidissement dans le rotor et le stator, est entré en service en 1937 à Dayton, Ohio, par Dayton Power & Light Co. ; En raison de la conductivité thermique de l’hydrogène gazeux, il s’agit aujourd’hui du gaz le plus couramment utilisé dans ce domaine. La batterie nickel-hydrogène a été utilisée pour la première fois en 1977 à bord du satellite américain de technologie de navigation-2 (NTS-2). L'ISS, Mars Odyssey et Mars Global Surveyor sont équipés de batteries nickel-hydrogène. Dans la partie sombre de son orbite, le télescope spatial Hubble est également alimenté par des batteries nickel-hydrogène, qui ont finalement été remplacées en mai 2009, plus de 19 ans après son lancement et 13 ans après sa conception.

Rôle dans la théorie quantique

En raison de sa structure atomique simple, composée uniquement d'un proton et d'un électron, l'atome d'hydrogène, ainsi que le spectre de lumière créé ou absorbé par lui, ont joué un rôle central dans le développement de la théorie de la structure atomique. De plus, l’étude de la simplicité correspondante de la molécule d’hydrogène et du cation H+2 correspondant a permis de comprendre la nature de la liaison chimique, qui a été rapidement suivie par le traitement physique de l’atome d’hydrogène en mécanique quantique à la mi-2020. L'un des premiers effets quantiques à être clairement observé (mais pas compris) à cette époque) fut l'observation de Maxwell impliquant l'hydrogène un demi-siècle avant l'apparition de la théorie complète de la mécanique quantique. Maxwell a noté que chaleur spécifique Le H2 quitte de manière irréversible le gaz diatomique en dessous de la température ambiante et commence à ressembler de plus en plus à la chaleur spécifique du gaz monoatomique aux températures cryogéniques. Selon théorie des quanta, ce comportement résulte de l'espacement des niveaux d'énergie de rotation (quantifiés), qui sont particulièrement espacés dans H2 en raison de sa faible masse. Ces niveaux largement espacés empêchent que l’énergie thermique soit divisée de manière égale en mouvement de rotation dans l’hydrogène à basse température. Les gaz de diatomées, constitués d’atomes plus lourds, n’ont pas des niveaux aussi espacés et ne présentent pas le même effet. L'antihydrogène est l'analogue antimatériau de l'hydrogène. Il s'agit d'un antiproton avec un positon. L’antihydrogène est le seul type d’atome d’antimatière produit depuis 2015.

Être dans la nature

L'hydrogène est l'élément chimique le plus abondant dans l'univers, représentant 75 % de la matière normale en masse et plus de 90 % en nombre d'atomes. (Cependant, la majeure partie de la masse de l’univers ne se présente pas sous cette forme. élément chimique, et on pense qu'il possède des formes de masse encore non détectées telles que la matière noire et l'énergie noire.) Cet élément se trouve en grande abondance dans les étoiles et les géantes gazeuses. Les nuages ​​​​moléculaires H2 sont associés à la formation d’étoiles. L'hydrogène joue un rôle essentiel dans l'alimentation des étoiles grâce à la réaction proton-proton et à la fusion nucléaire du cycle CNO. Partout dans le monde, l’hydrogène se présente principalement sous forme atomique et plasmatique, avec des propriétés complètement différentes de celles de l’hydrogène moléculaire. En tant que plasma, l'électron et le proton de l'hydrogène ne sont pas liés les uns aux autres, ce qui entraîne une conductivité électrique et une émissivité très élevées (produisant la lumière du Soleil et d'autres étoiles). Les particules chargées sont fortement influencées par les champs magnétiques et électriques. Par exemple, dans le vent solaire, ils interagissent avec la magnétosphère terrestre, créant des courants de Birkeland et des aurores. L'hydrogène existe à l'état atomique neutre dans le milieu interstellaire. On pense que les grandes quantités d’hydrogène neutre trouvées dans les systèmes Lyman-alpha en décomposition dominent la densité baryonique cosmologique de l’Univers jusqu’au redshift z = 4. Dans des conditions normales sur Terre, l’hydrogène élémentaire existe sous forme de gaz diatomique, H2. Cependant, l'hydrogène gazeux est très rare dans l'atmosphère terrestre (1 ppm en volume) en raison de sa poids léger, lui permettant de surmonter la gravité terrestre plus facilement que les gaz plus lourds. Cependant, l'hydrogène est le troisième élément le plus abondant à la surface de la Terre, existant principalement sous forme de composés chimiques tels que les hydrocarbures et l'eau. L'hydrogène gazeux est produit par certaines bactéries et algues et est un composant naturel de la flûte, tout comme le méthane, qui est une source d'hydrogène de plus en plus importante. Une forme moléculaire appelée hydrogène moléculaire protoné (H+3) se trouve dans le milieu interstellaire, où elle est générée par l'ionisation de l'hydrogène moléculaire provenant des rayons cosmiques. Cet ion chargé a également été observé dans la haute atmosphère de la planète Jupiter. L'ion est relativement stable dans environnement en raison de la basse température et de la densité. H+3 est l'un des ions les plus abondants dans l'Univers et joue un rôle important dans la chimie du milieu interstellaire. L’hydrogène triatomique neutre H3 ne peut exister que sous une forme excitée et est instable. En revanche, l’ion hydrogène moléculaire positif (H+2) est une molécule rare dans l’Univers.

Production d'hydrogène

Le H2 est produit dans les laboratoires chimiques et biologiques, souvent comme sous-produit d’autres réactions ; dans l'industrie pour l'hydrogénation de substrats insaturés ; et dans la nature comme moyen de déplacer les équivalents réducteurs dans les réactions biochimiques.

Reformage à la vapeur

L'hydrogène peut être produit de plusieurs manières, mais sur le plan économique, le processus le plus important consiste à éliminer l'hydrogène des hydrocarbures, puisqu'environ 95 % de la production d'hydrogène en 2000 provenait du reformage à la vapeur. Sur le plan commercial, de grands volumes d’hydrogène sont généralement produits par reformage à la vapeur du gaz naturel. À hautes températures(1 000-1 400 K, 700-1 100 °C ou 1 300-2 000 °F) la vapeur (vapeur d'eau) réagit avec le méthane pour produire du monoxyde de carbone et du H2.

    CH4 + H2O → CO + 3H2

Cette réaction fonctionne mieux à basse pression, mais elle peut néanmoins également être réalisée à haute pression (2,0 MPa, 20 atm ou 600 pouces de mercure). En effet, le H2 haute pression est le produit le plus populaire et les systèmes de déchauffage sous pression fonctionnent mieux à des pressions plus élevées. Le mélange de produits est connu sous le nom de « gaz de synthèse » car il est souvent utilisé directement pour produire du méthanol et des composés associés. Des hydrocarbures autres que le méthane peuvent être utilisés pour produire du gaz de synthèse avec différents ratios de produits. L’une des nombreuses complications de cette technologie hautement optimisée est la formation de coke ou de carbone :

    CH4 → C + 2 H2

Par conséquent, le reformage à la vapeur utilise généralement un excès de H2O. De l'hydrogène supplémentaire peut être récupéré de la vapeur en utilisant du monoxyde de carbone grâce à une réaction de déplacement d'eau et de gaz, en particulier à l'aide d'un catalyseur à base d'oxyde de fer. Cette réaction est également une source industrielle courante de dioxyde de carbone :

    CO + H2O → CO2 + H2

D’autres méthodes importantes pour H2 incluent l’oxydation partielle des hydrocarbures :

    2 CH4 + O2 → 2 CO + 4 H2

Et une réaction du charbon qui peut servir de prélude à la réaction de cisaillement décrite ci-dessus :

    C + H2O → CO + H2

Parfois, l’hydrogène est produit et consommé au cours du même processus industriel, sans séparation. Dans le procédé Haber de production d'ammoniac, l'hydrogène est généré à partir du gaz naturel. L'électrolyse de la saumure pour produire du chlore produit également de l'hydrogène comme sous-produit.

Acide métallique

En laboratoire, le H2 est généralement préparé en faisant réagir des acides dilués non oxydants avec certains métaux réactifs tels que le zinc avec un appareil Kipp.

    Zn + 2 H + → Zn2 + + H2

L'aluminium peut également produire du H2 lorsqu'il est traité avec des bases :

    2 Al + 6 H2O + 2 OH- → 2 Al (OH) -4 + 3 H2

L'électrolyse de l'eau est un moyen simple de produire de l'hydrogène. Un courant basse tension circule dans l’eau et de l’oxygène gazeux est produit à l’anode, tandis que de l’hydrogène gazeux est produit à la cathode. Généralement, la cathode est fabriquée à partir de platine ou d’un autre métal inerte lors de la production d’hydrogène destiné au stockage. Toutefois, si le gaz doit être brûlé in situ, la présence d'oxygène est souhaitable pour faciliter la combustion et les deux électrodes seront donc constituées de métaux inertes. (Par exemple, le fer s'oxyde et réduit donc la quantité d'oxygène produite). L'efficacité maximale théorique (électricité utilisée par rapport à la valeur énergétique de l'hydrogène produit) est de l'ordre de 80 à 94 %.

    2 H2O (L) → 2 H2 (g) + O2 (g)

Un alliage d'aluminium et de gallium sous forme de granulés ajouté à l'eau peut être utilisé pour produire de l'hydrogène. Ce procédé produit également de l'oxyde d'aluminium, mais le gallium, coûteux, qui empêche la formation d'une peau d'oxyde sur les pellets, peut être réutilisé. Cela a des implications potentielles importantes pour l’économie de l’hydrogène, dans la mesure où l’hydrogène peut être produit localement et n’a pas besoin d’être transporté.

Propriétés thermochimiques

Il existe plus de 200 cycles thermochimiques qui peuvent être utilisés pour séparer l'eau, dont environ une douzaine, tels que le cycle de l'oxyde de fer, le cycle de l'oxyde de cérium (IV), le cycle de l'oxyde de zinc-zinc, le cycle de l'iode du soufre, le cycle du cuivre et du chlore. et le cycle hybride du soufre font l'objet de recherches et de tests pour produire de l'hydrogène et de l'oxygène à partir de l'eau et de la chaleur sans utiliser d'électricité. De nombreux laboratoires (notamment en France, en Allemagne, en Grèce, au Japon et aux États-Unis) développent des méthodes thermochimiques pour produire de l'hydrogène à partir de l'énergie solaire et de l'eau.

Corrosion anaérobie

Dans des conditions anaérobies, les alliages de fer et d’acier sont lentement oxydés par les protons de l’eau tout en étant réduits en hydrogène moléculaire (H2). La corrosion anaérobie du fer conduit d'abord à la formation d'hydroxyde de fer (rouille verte) et peut être décrite par la réaction suivante : Fe + 2 H2O → Fe (OH) 2 + H2. À son tour, dans des conditions anaérobies, l'hydroxyde de fer (Fe (OH) 2) peut être oxydé par les protons de l'eau pour former de la magnétite et de l'hydrogène moléculaire. Ce processus est décrit par la réaction de Shikorra : 3 Fe (OH) 2 → Fe3O4 + 2 H2O + H2 hydroxyde de fer → magnésium + eau + hydrogène. La magnétite bien cristallisée (Fe3O4) est thermodynamiquement plus stable que l'hydroxyde de fer (Fe (OH) 2). Ce processus se produit lors de la corrosion anaérobie du fer et de l'acier dans des environnements sans oxygène. eaux souterraines et lors de la restauration des sols situés sous la nappe phréatique.

Origine géologique : réaction de serpentinisation

En l'absence d'oxygène (O2) en profondeur conditions géologiques, prédominant loin de l'atmosphère terrestre, l'hydrogène (H2) se forme lors du processus de serpentinisation par oxydation anaérobie par les protons de l'eau (H+) du silicate de fer (Fe2 +) présent dans le réseau cristallin de la fayalite (Fe2SiO4, point final olivine-fer ). La réaction correspondante conduisant à la formation de magnétite (Fe3O4), de quartz (SiO2) et d'hydrogène (H2) : 3Fe2SiO4 + 2 H2O → 2 Fe3O4 + 3 SiO2 + 3 H2 fayalite + eau → magnétite + quartz + hydrogène. Cette réaction est très similaire à la réaction de Shikorra observée lors de l'oxydation anaérobie de l'hydroxyde de fer au contact de l'eau.

Formation dans les transformateurs

Parmi tous les gaz dangereux produits dans les transformateurs de puissance, l'hydrogène est le plus courant et est généré dans la majorité des défauts ; ainsi, la formation d’hydrogène est un signe précoce de problèmes graves dans le cycle de vie du transformateur.

Applications

Consommation dans divers processus

De grandes quantités de H2 sont nécessaires aux industries pétrolière et chimique. Les utilisations les plus importantes de H2 concernent le traitement (« valorisation ») des combustibles fossiles et la production d’ammoniac. Dans les usines pétrochimiques, le H2 est utilisé dans l’hydrodésalkylation, l’hydrodésulfuration et l’hydrocraquage. H2 a plusieurs autres utilisations importantes. Le H2 est utilisé comme agent hydrogénant, notamment pour augmenter les niveaux de saturation des graisses et des huiles insaturées (trouvées dans des produits tels que la margarine) et dans la production de méthanol. C'est également une source d'hydrogène dans la production d'acide chlorhydrique. Le H2 est également utilisé comme agent réducteur pour les minerais métalliques. L'hydrogène est hautement soluble dans de nombreuses terres rares et métaux de transition et est soluble dans les métaux nanocristallins et amorphes. La solubilité de l'hydrogène dans les métaux dépend des distorsions locales ou des impuretés présentes dans le réseau cristallin. Cela peut être utile lorsque l'hydrogène est purifié en passant à travers des disques de palladium chauds, mais la forte solubilité du gaz constitue un problème métallurgique qui contribue à la fragilisation de nombreux métaux, compliquant ainsi la conception des pipelines et des réservoirs de stockage. En plus de son utilisation comme réactif, le H2 a de nombreuses applications en physique et en technologie. Il est utilisé comme gaz de protection dans les techniques de soudage telles que le soudage à l'hydrogène atomique. Le H2 est utilisé comme liquide de refroidissement du rotor dans les générateurs électriques des centrales électriques car il possède la conductivité thermique la plus élevée de tous les gaz. Le liquide H2 est utilisé dans la recherche cryogénique, y compris la recherche en supraconductivité. Parce que le H2 est plus léger que l’air, avec une densité légèrement supérieure à 1/14 de celle de l’air, il était autrefois largement utilisé comme gaz de levage dans les ballons et les dirigeables. Dans les applications plus récentes, l’hydrogène est utilisé pur ou mélangé à de l’azote (parfois appelé gaz de formation) comme gaz traceur pour une détection instantanée des fuites. L’hydrogène est utilisé dans les industries automobile, chimique, énergétique, aérospatiale et des télécommunications. L'hydrogène est un additif alimentaire approuvé (E 949) qui permet, entre autres propriétés antioxydantes, de tester les fuites des aliments. Les isotopes rares de l’hydrogène ont également des utilisations spécifiques. Le deutérium (hydrogène 2) est utilisé dans les applications de fission nucléaire comme modérateur lent de neutrons et dans les réactions de fusion nucléaire. Les composés du deutérium sont utilisés dans les domaines de la chimie et de la biologie pour étudier les effets isotopiques des réactions. Le tritium (hydrogène 3), produit dans les réacteurs nucléaires, est utilisé dans la production de bombes à hydrogène, comme traceur isotopique dans les sciences biologiques et comme source de rayonnement dans les peintures lumineuses. La température du point triple de l’hydrogène à l’équilibre est le point fixe déterminant sur l’échelle de température ITS-90 à 13,8033 kelvins.

Fluide de refroidissement

L'hydrogène est couramment utilisé dans les centrales électriques comme liquide de refroidissement dans les générateurs en raison d'un certain nombre de propriétés favorables qui résultent directement de ses molécules diatomiques légères. Ceux-ci incluent une faible densité, une faible viscosité et la capacité thermique spécifique et la conductivité thermique les plus élevées de tous les gaz.

Transporteur d'énergie

L’hydrogène n’est pas une ressource énergétique, sauf dans le contexte hypothétique de centrales commerciales à fusion utilisant du deutérium ou du tritium, une technologie encore loin d’être mature. L'énergie solaire provient de la fusion nucléaire de l'hydrogène, mais ce processus est difficile à réaliser sur Terre. L’hydrogène élémentaire provenant de sources solaires, biologiques ou électriques nécessite plus d’énergie à produire que ce qui est consommé lors de sa combustion, donc dans ces cas l’hydrogène fonctionne comme un vecteur d’énergie, semblable à une batterie. L’hydrogène peut être produit à partir de sources fossiles (comme le méthane), mais ces sources sont épuisables. La densité énergétique par unité de volume de l'hydrogène liquide et de l'hydrogène gazeux comprimé, à toute pression possible, est nettement inférieure à celle des sources d'énergie traditionnelles, bien que la densité énergétique par unité de masse de carburant soit plus élevée. Cependant, l’hydrogène élémentaire a été largement discuté dans le contexte énergétique en tant que futur vecteur énergétique possible à l’échelle de l’économie. Par exemple, la séquestration du CO2 suivie du captage et du stockage du carbone peuvent être réalisées au point de production de H2 à partir de combustibles fossiles. L’hydrogène utilisé dans les transports brûlera relativement proprement, avec quelques émissions de NOx mais aucune émission de carbone. Toutefois, les coûts d’infrastructure associés à une conversion complète vers une économie de l’hydrogène seront importants. Les piles à combustible peuvent convertir l’hydrogène et l’oxygène directement en électricité plus efficacement que les moteurs à combustion interne.

Industrie des semi-conducteurs

L'hydrogène est utilisé pour saturer les liaisons pendantes du silicium amorphe et du carbone amorphe, ce qui contribue à stabiliser les propriétés du matériau. C'est également un donneur d'électrons potentiel dans divers matériaux oxydes, notamment ZnO, SnO2, CdO, MgO, ZrO2, HfO2, La2O3, Y2O3, TiO2, SrTiO3, LaAlO3, SiO2, Al2O3, ZrSiO4, HfSiO4 et SrZrO3.

Réactions biologiques

Le H2 est le produit d'un métabolisme anaérobie et est produit par plusieurs micro-organismes, généralement par des réactions catalysées par des enzymes contenant du fer ou du nickel appelées hydrogénases. Ces enzymes catalysent une réaction redox réversible entre H2 et ses composants – deux protons et deux électrons. La création d'hydrogène gazeux se produit en transférant les équivalents réducteurs produits par la fermentation du pyruvate dans l'eau. Le cycle naturel de production et de consommation d’hydrogène par les organismes est appelé cycle de l’hydrogène. La division de l'eau, le processus par lequel l'eau est décomposée en ses protons, électrons et oxygène, se produit lors de réactions lumineuses dans tous les organismes photosynthétiques. Certains de ces organismes, notamment les algues Chlamydomonas Reinhardtii et les cyanobactéries, ont évolué vers une deuxième étape dans des réactions sombres au cours desquelles les protons et les électrons sont réduits pour former du gaz H2 par des hydrogénases spécialisées dans le chloroplaste. Des tentatives ont été faites pour modifier génétiquement les hydrases cyanobactériennes afin de synthétiser efficacement le gaz H2 même en présence d'oxygène. Des efforts ont également été réalisés en utilisant des algues génétiquement modifiées dans un bioréacteur.