Hydrogène

L’hydrogène, élément atomique n°1 de symbole H : L’atome, les isotopes, les propriétés nucléaires, chimiques et composés.

La découverte de l’hydrogène remonte à 1671 lors des expériences du chercheur scientifique britannique Robert Boyle. En effet, il plongeait du fer dans de l’acide afin de créer ce qu’on appelle une réaction de déplacement simple. Par exemple, si on ajoute un morceau de potassium (K) dans de l’acide chlorhydrique (HCl), la réaction est la suivante : 2K + 2HCl ⇒  2KCl + H₂. Le métal, notamment le potassium solide, réagit ainsi avec l’acide et forme le sel dénommé chlorure de potassium (KCl). Les atomes d’hydrogène restants s’accumulent et forment du dihydrogène, le corps simple H₂ à l’état gazeux.

En 1766, le chercheur britannique Henry Cavendish avait également mis en évidence l’existence de l’hydrogène à l’état gazeux et l’appela « air inflammable ». Dans un article paru en 1776, il avait confirmé que l’hydrogène est très inflammable. En effet, cet élément brûle rapidement ou explose en présence d’oxygène, à la suite de quoi de la vapeur d’eau se crée. Cela fait référence à ce qu’on appelle une réaction de combustion : 2H₂ + O₂ ⇒  2H₂O (+ chaleur). D’après cette réaction appelée exothermique, les molécules d’oxygène et d’hydrogène se combinent et forment l’eau dont le symbole est H₂O. De plus, elle génère de l’énergie calorifique, notamment du feu.

C’est en 1783 que le chimiste, philosophe et économiste français Antoine Laurent Lavoisier avait désigné ce gaz sous l’appellation d’hydrogène. Ce mot est formé du préfixe « hydro- », faisant référence à l’eau, et du suffixe « -gène », signifiant engendrer. Son nom scientifique est désormais « dihydrogène », bien qu’il soit généralement plus connu sous le nom de « hydrogène ». Plus tard, d’autres chercheurs découvriront que l’hydrogène alimente les réactions de fusion nucléaire ayant lieu au cœur des étoiles. Et ce sont ces réactions qui créent la chaleur et la lumière émises par ces dernières, dont le Soleil. 

L’abondance d’hydrogène

L’hydrogène constitue l’élément le plus abondant de l’Univers, car 92 % sont en nombre d’atomes et 75 % sont en masse. On en trouve en grande quantité dans le Soleil et dans la plupart des étoiles dont l’énergie provient de la fusion thermonucléaire de ce gaz. En effet, le processus de formation des étoiles repose en grande partie sur les nuages d’hydrogène. Ce dernier est également le principal constituant de la matière intergalactique ou interstellaire. L’hydrogène existe souvent sous forme d’atomes individuels, puisqu’il n’entre pas en collision avec d’autres atomes en vue de se combiner. On le trouve sous forme métallique au cœur de Saturne et de Jupiter. En outre, il est présent sous la forme de dihydrogène solide, gazeux et liquide dans leurs couches externes et dans les autres planètes géantes.

Sur Terre, on rencontre essentiellement l’hydrogène à l’état liquide (eau), gazeux (vapeur d’eau) et solide (glace). Il est également présent dans les émanations de certains volcans sous forme de H₂ et de CH₄ (méthane). Par ailleurs, l’hydrogène constitue le principal composant de l’ensemble des matières vivantes, et ce, en nombre d’atomes. Il est associé au carbone dans les composés organiques. Par exemple, 63 % des atomes et 10 % de la masse du corps humain sont formés d’hydrogène. En revanche, cet élément ne représente que 0,22 % des atomes de la croûte terrestre. Cela est nettement loin derrière l’oxygène (47 %) et le silicium (27 %). Sa présence n’est pas non plus conséquente dans l’atmosphère terrestre, car cet élément représente seulement 0,55 ppm des gaz atmosphériques en termes de volume.

L’atome d’hydrogène

L’hydrogène est classé en première place dans le tableau de classification périodique des éléments et porte ainsi le numéro atomique 1. Son isotope est le plus simple, car il possède un noyau doté d’un seul proton (charge électrique positive), mais démuni de neutron (charge électrique neutre). Par ailleurs, l’hydrogène dispose d’un électron autour de ce noyau, le composant élémentaire qui porte la charge électrique négative de la matière. Ainsi, le fait de posséder un seul électron fait de lui un atome univalent. Cela implique qu’il peut former uniquement des liaisons covalentes.

L’hydrogène est un gaz extrêmement léger, transparent et inodore. Sa masse atomique standard est de 1,00794 u, sa masse molaire est de 1,01 g/mol et sa masse volumique est de 0,0899 kg/m³. Bien qu’il soit très inflammable, il est non corrosif et non toxique.

Sous une pression intense, l’hydrogène solide peut être métallique. Cet élément cristallise avec une liaison métallique. Ainsi, il est situé dans la colonne des métaux alcalins dans le tableau périodique des éléments. Toutefois, il n’est pas reconnu en tant que métal dans le domaine de la chimie étant donné qu’il n’est pas présent dans cet état sur Terre.

La section efficace de capture de l’hydrogène est de 0,04 mb aux neutrons rapides et de 200 mb aux neutrons thermiques. Cela est suffisamment faible, d’où l’utilisation de l’eau comme élément réfrigérant et modérateur (substance ralentissant les neutrons, sans pour autant les absorber) des réacteurs nucléaires.

Comme l’hydrogène constitue le plus simple des atomes, il permet la résolution la plus simple de l’équation de Schrödinger en mécanique quantique. Cette étude est essentielle, car elle a conduit à l’explication des orbitales atomiques, puis à celle des différentes liaisons chimiques avec la théorie des orbitales moléculaires.

Les isotopes de l’hydrogène

Par définition, les isotopes sont des nucléides ayant le même numéro atomique, mais un nombre de neutrons différent. L’hydrogène est le seul à avoir des noms et des symboles différents pour chacun de ses isotopes. On retrouve essentiellement trois isotopes naturels de cet élément, notamment le protium, le deutérium et le tritium. Les autres, dont les plus connus sont le quadrium et l’hydrogène 7, ont été synthétisés en laboratoire.

Le protium

Il est également appelé ¹H ou hydrogène léger. Le protium est un isotope stable avec une abondance d’environ 99,98 %. Son noyau atomique est constitué d’un seul proton et d’aucun neutron.

Le deutérium

Également appelé ²H ou D, le deutérium est largement moins abondant (entre 0,0026 et 0,0184 % de l’hydrogène naturel). Son noyau comporte un neutron et un proton. Il constitue également un isotope stable. Non radioactif, il ne présente aucun danger en termes de toxicité. Par ailleurs, on appelle « eau lourde » l’eau enrichie en molécules comportant du ²H au lieu d’atomes « normaux » d’hydrogène.

Le tritium

Cet isotope, dont le noyau possède un proton et deux neutrons, est aussi connu sous le nom de ³H ou T. Cet élément rare a une demi-vie de 12,32 ans. Radioactif, il se transforme en hélium 3 (³He) par désintégration β−. Tout comme le ²H, il peut participer à des réactions de fusion nucléaire. Il est ainsi utilisé dans des armes thermonucléaires et dans certains dispositifs d’éclairage autoalimentés. En revanche, sa radiotoxicité est très faible lorsqu’il se présente sous forme HTO (eau lourde ou eau tritiée).

Dans l’environnement naturel, le ³H a la capacité de prendre la place du ¹H. Cela touche les molécules biologiques, et ce, jusque dans l’ADN où cet élément peut être à l’origine d’une apoptose cellulaire ou d’une cassure de l’information génétique.

Le quadrium

Également appelé tetradium ⁴H ou Q, le quadrium est l’isotope le plus instable de l’hydrogène. Il a une demi-vie de 1,39 x 10^-22 secondes. Son noyau possède un proton et trois neutrons. Synthétisé en laboratoire, cet élément est le résultat du bombardement d’un ³H avec des noyaux rapides de ²H. Il se transforme par émission de neutron.

L’hydrogène 7 ou ⁷H

Cet isotope est le plus riche en neutrons qui existe, car il en possède quatre. En revanche, il a la plus petite demi-vie connue, soit 10^-21 secondes.

L’hydrogène et la fusion nucléaire

Présent en grande quantité au cœur des étoiles, l’hydrogène constitue une source d’énergie contribuant aux réactions de fusion nucléaire. Ces dernières combinent deux noyaux d’atomes d’hydrogène afin de former de l’hélium. Cette fusion nucléaire s’effectue par la chaîne PP (proton-proton) d’Arthur Stanley Eddington et le cycle carbone-azote-oxygène catalytique de Carl Friedrich von Weizsäcker et de Hans Albrecht Bethe.

Dans les bombes H ou bombes à hydrogène, la fusion nucléaire concerne des isotopes intermédiaires tels que le tritium. Elle est identique à la fusion ayant lieu dans les étoiles. En revanche, dans ce genre de bombe, les réactions nucléaires durent seulement quelques dizaines de nanosecondes. Ainsi, la réaction s’effectue en une seule étape. Or, plusieurs étapes sont nécessaires afin de transformer l’hydrogène en hélium. D’ailleurs, la première étape, qui est la réaction d’un proton, est très lente.

L’hydrogène : un corps simple

L’hydrogène est le corps simple le plus léger. Il est formé de molécules H₂, sauf sous une pression extrêmement haute (tel est le cas dans les parties centrales de Saturne et de Jupiter). Le cas échéant, l’hydrogène est dans un état « sombre », car il se situe entre le métal et le gaz. On retrouve aussi l’exception dans un environnement aux pressions extrêmement basses, comme dans l’espace intergalactique. Par ailleurs, l’hydrogène ne reflète ni ne transmet la lumière, ce qui fait de cet élément un faible conducteur d’électricité.

Isomérie

L’hydrogène moléculaire existe sous deux formes allotropiques généralement appelées isomères de spin nucléaire. On cite l’orthohydrogène (avec deux spins nucléaires parallèlement alignés) et le parahydrogène (avec deux spins protons antiparallèles).

Hydrogène gazeux

La forme de stockage la plus courante de l’hydrogène est le gaz. Ce gaz moléculaire de formule H2 se présente sous cette forme dans les conditions normales de pression et de température. Il représente près de 75 % de la masse baryonique de l’Univers bien qu’il soit de très faible densité. Il est qualifié de gaz interstellaire et intergalactique, car il est monoatomique, qu’il soit à très basse pression ou à très haute température.

Hydrogène liquide

Ce type d’hydrogène est le dihydrogène refroidi en dessous de son point de condensation, soit -252,87 °C à pression atmosphérique (101 325 Pa). Sa masse volumique est de 70,978 kg/m³. Dans cet état, l’hydrogène est souvent désigné par l’acronyme LH2 dans le domaine astronautique. Il est l’un des combustibles liquides les plus utilisés au décollage. Tel est le cas pour le lanceur Ariane 5, la navette spatiale américaine, et le lanceur Delta IV.

Hydrogène solide

L’hydrogène devient solide lorsque sa température baisse en dessous de son point de fusion, notamment à -259,14 °C. Cette découverte a été réalisée par le chimiste et physicien britannique Sir James Dewar en 1899.

Hydrogène métallique

L’hydrogène devient métallique lorsqu’il est soumis à de très basses températures et à une très forte pression. Il constitue ainsi une matière dégénérée, c’est-à-dire une matière à densité suffisamment élevée permettant au principe d’exclusion de Pauli d’intervenir à l’échelle macroscopique.

Hydrogène triatomique

De formule H3, il constitue une forme allotropique très instable de l’hydrogène.

Composés et propriétés chimiques de l’hydrogène

L’hydrogène peut former des liaisons covalentes ainsi que des composés lorsqu’il interagit avec d’autres éléments.

Ions H⁺, hydronium H₃O⁺ et hydrure H^–

Lorsque l’atome d’hydrogène perd son unique électron, il devient un ion H⁺ et prend l’appellation de « proton ». Le cas échéant, l’élément est réduit à son noyau. Si cela arrive à l’isotope le plus abondant, notamment le protium, l’appellation la plus correcte est hydron. Cette matière de très petite taille possède un rayon d’environ 1,5 x 10^-15 m, alors que l’atome d’hydrogène mesure 5 x 10^-11 m.

Si l’hydrogène est liquide, le proton n’existe pas à l’état libre puisqu’il est toujours rattaché au nuage électronique d’une molécule. En solution aqueuse, il est solvaté par des molécules d’eau. Cela provoque la formation de l’ion H₃O⁺ appelé hydronium, hydroxonium ou encore oxonium.

Il arrive également que l’atome d’hydrogène acquière un second électron et forme l’ion hydrure H^–. Le cas échéant, il possède un cortège électronique stable identique à celui de l’hélium.

Hydrures

Ayant une électronégativité moyenne de 2,2, l’hydrogène peut former des composés avec des éléments non métalliques et métalliques. Il peut ainsi se combiner avec la plupart des autres éléments du tableau de Mendeleïev. On appelle « hydrures » les composés formés par l’hydrogène et les métaux. Il s’y trouvera sous forme d’ion H^–, et ce, souvent en solution. L’hydrogène forme des liaisons covalentes dans les composés formés avec les éléments non métalliques, car l’ion H⁺ tend généralement à s’associer avec les électrons. Par ailleurs, il forme des ions H₃O⁺ lorsqu’il associe son proton à une molécule d’eau.

Composés covalents

La liaison covalente est une liaison chimique dans laquelle deux atomes forment un doublet d’électrons qui les relie. Ce phénomène a lieu lorsque ces atomes se partagent deux électrons d’une de leurs couches externes respectives. En ce qui concerne l’hydrogène, il peut engager son unique électron avec plusieurs atomes non métalliques. Les composés les plus rencontrés sont la molécule d’eau H₂O, la molécule de dihydrogène H₂ et la molécule d’hydrocarbure C_xH_y.

L’hydrogène peut également être lié à des atomes d’azote, d’oxygène et de carbone, ce qui lui permet d’être présent dans toutes les molécules organiques.

Liaison hydrogène

La liaison hydrogène est également appelée pont hydrogène. Elle constitue une interaction électrostatique entre un atome d’hydrogène et un atome électronégatif tel que le fluor (F), l’azote (N) et l’oxygène (O). L’hydrogène occupe ainsi une place importante en chimie organique. Il joue également un rôle primordial en chimie inorganique, car il peut interagir avec les alcools et les alcoolates métalliques.

Réactions acido-basiques

L’hydrogène intervient dans une réaction acido-basique au sens de la théorie de Brønsted-Lowry. Il y joue un rôle important, car cette dernière fait concrètement référence à l’échange d’un ion d’hydrogène H⁺ entre deux espèces. Il s’agit notamment de l’acide qui libère le H⁺ par rupture de la liaison covalente ainsi que de la base qui le capte par formation d’une nouvelle liaison. Voici l’équation correspondante :

AH      +          B         =          A^–          +          BH⁺

Acide 1           Base 2             Base 1             Acide 2