HYDROGÈNE

L'hydrogène est incolore, inodore, insipide, inflammable et non toxique.
À température ambiante et à pression atmosphérique, l'hydrogène se présente sous forme de gaz.
C'est le gaz le plus léger connu, sa densité représentant environ 0,07 % de celle de l'air.

CAS : 1333-74-0
Formule de formule brute : H₂
Masse molaire : 2,02
EINECS : 215-605-7

Synonymes : Hydrogène liquide ; Hydrogène comprimé ; Hydrogène pur (99,99 %) ; Molécule d'hydrogène ; Deutérium (D, 99,8 %) ; Hydrogène Messer® CANgas, 99,999 % ; Diprotium ; Protium

L'hydrogène est présent dans l'atmosphère à des concentrations d'environ 0,5 ppm en volume seulement à basse altitude.
Symbole : H. Élément chimique gazeux incolore et inodore ; n.a. 1 ; m.a.r. 1,008 ; d. 0,0899 g dm–3 ; p.f. –259,14 °C ; p.é. –252,87 °C.
L’hydrogène est l’élément le plus léger et le plus abondant de l’univers.
Il est présent dans l’eau et dans tous les composés organiques.
Il existe trois isotopes : l’hydrogène naturel est composé de deux isotopes stables, l’hydrogène-1 (99,985 %) et le deutérium.
Le tritium radioactif est produit artificiellement.

Ce gaz est diatomique et se présente sous deux formes : l’orthohydrogène, dont les spins nucléaires sont parallèles, et le parahydrogène, dont ils sont antiparallèles.
À température ambiante, le gaz est composé à 25 % de parahydrogène.
À l’état liquide, l’hydrogène est composé à 99,8 % de parahydrogène.
La principale source d’hydrogène est le reformage du gaz naturel à la vapeur. L'hydrogène peut également être produit par le procédé Bosch (voir procédé Haber) et par électrolyse de l'eau.
Son principal usage est le procédé Haber pour la production d'ammoniac.
L'hydrogène est également utilisé dans divers autres procédés industriels, tels que la réduction des minerais d'oxyde, le raffinage du pétrole, la production d'hydrocarbures à partir du charbon et l'hydrogénation des huiles végétales.
Son utilisation potentielle dans une « économie de l'hydrogène » suscite un intérêt considérable. Dans ce cadre, des sources d'énergie primaires non fossiles (par exemple, l'énergie nucléaire, solaire ou géothermique) sont utilisées pour produire de l'électricité, laquelle est ensuite employée pour l'électrolyse de l'eau.

L'hydrogène ainsi formé est stocké sous forme d'hydrogène liquide ou d'hydrures métalliques.
Chimiquement, l'hydrogène réagit avec la plupart des éléments.
L'hydrogène a été découvert par Henry Cavendish en 1766.
C'est une molécule élémentaire composée de deux atomes d'hydrogène liés par une simple liaison.
L'hydrogène est un gaz incolore et inodore.
L'hydrogène est facilement inflammable. Une fois enflammé, l'hydrogène brûle avec une flamme bleu pâle, presque invisible.
Ses vapeurs sont plus légères que l'air.
L'hydrogène est inflammable sur une large gamme de concentrations vapeur/air.

L'hydrogène n'est pas toxique, mais il provoque une asphyxie simple en déplaçant l'oxygène de l'air.
En cas d'exposition prolongée au feu ou à une chaleur intense, les conteneurs peuvent se rompre violemment et être projetés.
L'hydrogène est utilisé dans la fabrication d'autres produits chimiques et dans le soudage et le découpage oxyacétyléniques.
L'hydrogène est un élément chimique ; son symbole est H et son numéro atomique est 1.
L'hydrogène est l'élément chimique le plus léger et le plus abondant de l'univers, constituant environ 75 % de toute la matière ordinaire.
Dans les conditions normales, l'hydrogène est un gaz composé de molécules diatomiques de formule H₂, appelé dihydrogène, ou parfois hydrogène gazeux, hydrogène moléculaire, ou simplement hydrogène.

Le dihydrogène est incolore, inodore, non toxique et hautement combustible. Les étoiles, y compris le Soleil, sont principalement composées d'hydrogène à l'état de plasma, tandis que sur Terre, l'hydrogène se trouve sous forme de gaz H₂ (dihydrogène) et dans des molécules, comme l'eau et les composés organiques.
L'isotope le plus courant de l'hydrogène, le ¹H, est constitué d'un proton, d'un électron et d'aucun neutron.
Le dihydrogène a été produit artificiellement pour la première fois au XVIIe siècle par la réaction d'acides avec des métaux.
Entre 1766 et 1781, Henry Cavendish a identifié le dihydrogène comme une substance distincte et a découvert sa propriété de produire de l'eau lors de sa combustion : c'est l'origine du nom « hydrogène », qui signifie « formateur d'eau » (du grec ancien ὕδωρ, romanisé húdōr, littéralement « eau »,

et γεννάω, gennáō, « je produis »).
Comprendre les couleurs de la lumière absorbée et émise par l'hydrogène a été essentiel au développement de la mécanique quantique.
L'hydrogène, généralement non métallique sauf sous pression extrême, forme facilement des liaisons covalentes avec la plupart des non-métaux, contribuant ainsi à la formation de composés comme l'eau et diverses substances organiques.
Le rôle de l'hydrogène est crucial dans les réactions acido-basiques, qui impliquent principalement des échanges de protons entre molécules solubles.
Dans les composés ioniques, l'hydrogène peut se présenter sous la forme d'un anion chargé négativement, appelé hydrure, ou sous la forme d'un cation chargé positivement, H⁺ (hydron).
Bien que fortement liés aux molécules d'eau, les hydrons influencent fortement le comportement des solutions aqueuses, comme en témoigne l'importance du pH.

L'hydrure, quant à lui, est rarement observé car il a tendance à déprotoner les solvants, produisant du dihydrogène (H₂).
Dans l'Univers primordial, les atomes d'hydrogène neutres se sont formés environ 370 000 ans après le Big Bang, lorsque l'Univers s'est dilaté et que le plasma s'est suffisamment refroidi pour que les électrons restent liés aux protons. Après la formation des étoiles, la majeure partie de l'hydrogène du milieu intergalactique a été réionisée.
La quasi-totalité de la production d'hydrogène repose sur la transformation des combustibles fossiles, notamment le reformage du gaz naturel à la vapeur.
L'hydrogène peut également être produit à partir d'eau ou de solutions salines par électrolyse, mais ce procédé est plus coûteux.
Les principales utilisations industrielles de l'hydrogène comprennent le traitement des combustibles fossiles et la production d'ammoniac pour les engrais.
Parmi les applications émergentes de l'hydrogène figure l'utilisation des piles à combustible pour produire de l'électricité.

Propriétés chimiques de l'hydrogène
Point de fusion : −259,2 °C (littérature)
Point d'ébullition : −252,8 °C (littérature)
Densité : 0,0899
Densité de vapeur : 0,07 (à 21 °C, par rapport à l'air)
Pression de vapeur : Température critique : −239,9 °C ; non condensable au-dessus de cette température
Point d'ébullition : < −150 °C
Solubilité : légèrement soluble dans l'eau
pKa : 35 (à 25 °C)
Aspect : gaz incolore
Couleur : gaz incolore Inflammable
Odeur : Gaz inodore
Couleur de la flamme : Bleu pâle
Limite d'explosivité : 74,2 %
Solubilité dans l'eau : 0,00017 g/100 mL
Conductivité thermique : 0,1805 W/(m·K)
Merck : 134813
Constante de la loi de Henry : 7,8 × 10⁻⁶ mol/(m³Pa) à 25 °C, Fernández-Prini et al. (2003)
Constante diélectrique : 1,0 (100 °C)
Stabilité : Stable. Très inflammable. Forme facilement des mélanges explosifs avec l'air. La limite supérieure de composition (Royaume-Uni) pour l'utilisation d'un mélange azote/hydrogène en laboratoire ouvert est de 5,7 % d'hydrogène. Fonctions des ingrédients cosmétiques : ANTIOXYDANT
InChI : 1S/H2/h1H
Clé InChI : UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N
Référence CAS : 1333-74-0
Référence chimique NIST : Hydrogène (1333-74-0)
Système d'enregistrement des substances de l'EPA : Hydrogène (1333-74-0)

L'hydrogène (H₂) est un gaz incolore, inodore et sans saveur qui peut être liquéfié par refroidissement sous pression.
Il est utilisé en soudage, dans la production d'ammoniac, de méthanol et d'autres produits chimiques, pour l'hydrogénation du pétrole et du charbon, ainsi que pour la réduction des minerais d'oxydes métalliques.
L'hydrogène est obtenu par dissociation de l'eau et comme sous-produit de l'électrolyse des solutions salines.
À température ambiante, l'hydrogène moléculaire est relativement inoffensif pour la plupart des métaux. Cependant, l'hydrogène atomique est corrosif pour la plupart des métaux.

Caractéristiques
L'hydrogène est une molécule diatomique composée de deux atomes étroitement liés qui partagent fortement leurs électrons de valence.
L'hydrogène est un gaz inodore, insipide et incolore, plus léger que l'air.
L'hydrogène est classé dans le groupe 1 avec les métaux alcalins car son degré d'oxydation est de +1, comme celui des autres métaux alcalins.

Des expériences menées dans les années 1990 au Laboratoire national Lawrence Livermore (LLNL), à Livermore, en Californie, ont permis d'abaisser la température de H₂ à une valeur proche du zéro absolu.
En faisant exploser de la poudre à canon dans un long tube contenant de l'hydrogène gazeux, le gaz, soumis à une pression plus d'un million de fois supérieure à la pression atmosphérique normale, a été comprimé à l'état liquide.
Cette pression extrême exercée sur le gaz très froid l'a transformé en hydrogène liquide (presque au point d'obtenir de l'hydrogène métallique solide), état dans lequel il s'est comporté comme un métal et a conduit l'électricité. Le dihydrogène est légèrement soluble dans l'eau, l'alcool et l'éther.
Bien que non corrosif, le dihydrogène pénètre mieux les solides que l'air.
Le dihydrogène possède d'excellentes propriétés d'adsorption, se fixant et se retenant à la surface de certaines substances. L'adsorption est différente de l'absorption avec un « b », où une substance s'intercale entre elles.

Propriétés physiques
L'atome d'hydrogène est le plus simple de tous les éléments. Son isotope principal (H-1) ne possède qu'un seul proton dans son noyau et un seul électron sur sa couche K.
La densité de l'hydrogène atomique est de 0,08988 g/L, et celle de l'air est de 1,0 g/L.
Le point de fusion de l'hydrogène est de -255,34 °C et son point d'ébullition de -252,87 °C (zéro absolu = -273,13 °C ou -459,4 °F).
L'hydrogène possède deux états d'oxydation : +1 et -1.

Utilisations
L'hydrogène est un excellent réducteur.
Production d'ammoniac (NH3).
Éthanol (alcool éthylique issu de céréales).
Hydrogénation des huiles végétales.

Utilisation dans les chalumeaux oxyacétyléniques (soudage) et à la chaux ; soudage autogène de l'acier et d'autres métaux ; fabrication d'ammoniac, de méthanol synthétique, d'HCl et de NH3 ; hydrogénation des huiles, des graisses, du naphtalène et du phénol ; utilisation dans les ballons et les dirigeables ; en métallurgie pour la réduction des oxydes en métaux ; dans le raffinage du pétrole ; dans les réactions thermonucléaires (ionisation pour former des protons, des deutérons (D) ou des tritons (T)).
L'hydrogène liquide est utilisé dans les chambres à bulles pour l'étude des particules subatomiques ; comme fluide caloporteur.
De grandes quantités d'hydrogène sont produites sur site ou acheminées par pipeline pour être utilisées par les raffineries, les installations pétrochimiques et chimiques de base pour l'hydrotraitement, le reformage catalytique et l'hydrocraquage. De plus petites quantités d'hydrogène sont produites sur site ou acheminées par pipeline pour être utilisées dans les industries chimique, métallurgique, des graisses et huiles, du verre et électronique.

Certains de ces petits utilisateurs reçoivent l'hydrogène sur leur site de production sous forme gazeuse, en bouteilles ou en semi-remorques, ou par un système de stockage en cascade dans des réservoirs installés sur site.
D'autres petits utilisateurs reçoivent de l'hydrogène liquide, stocké dans un système de stockage d'hydrogène liquide sur site.

Industrie pétrochimique
De grandes quantités d'H₂ sont utilisées pour la valorisation des combustibles fossiles.
Les principaux consommateurs d'H₂ sont l'hydrodésulfuration et l'hydrocraquage.
Nombre de ces réactions peuvent être classées comme des hydrogénolyses, c'est-à-dire la rupture de liaisons par l'hydrogène.
À titre d'exemple, citons la séparation du soufre des combustibles fossiles liquides :
R₂S + 2 H₂ → H₂S + 2 RH

Hydrogénation
L'hydrogénation, qui consiste à ajouter de l'H₂ à divers substrats, est réalisée à grande échelle. L'hydrogénation du diazote (N₂) produit de l'ammoniac par le procédé Haber :

N₂ + 3 H₂ → 2 NH₃

Ce procédé consomme quelques pourcents du budget énergétique total de l'industrie et représente la plus grande consommation d'hydrogène.
L'ammoniac ainsi produit est largement utilisé dans la production d'engrais, devenus des matières premières essentielles en agriculture moderne.
L'hydrogénation est également utilisée pour convertir les graisses et huiles insaturées en graisses et huiles saturées.
Sa principale application est la production de margarine.
Le méthanol est produit par hydrogénation du dioxyde de carbone ; le mélange d'hydrogène et de dioxyde de carbone utilisé pour ce procédé est appelé gaz de synthèse.
L'hydrogène est également utilisé comme source d'hydrogène dans la fabrication de l'acide chlorhydrique. Il sert aussi d'agent réducteur pour la conversion de certains minerais en métaux.

Combustible
Le potentiel d'utilisation de l'hydrogène (H₂) comme carburant a fait l'objet de nombreuses discussions. L'hydrogène peut être utilisé dans les piles à combustible pour produire de l'électricité, ou brûlé pour générer de la chaleur. Lorsqu'il est consommé dans des piles à combustible, l'hydrogène n'émet que de la vapeur d'eau au point d'utilisation.
Sa combustion génère relativement peu de pollution, mais peut entraîner la formation thermique d'oxydes d'azote nocifs.

Produit avec des émissions de gaz à effet de serre faibles ou nulles (hydrogène vert), l'hydrogène peut jouer un rôle important dans la décarbonation des systèmes énergétiques, notamment là où le remplacement des combustibles fossiles par l'électricité seule s'avère complexe et limité.
L'hydrogène peut produire la chaleur intense nécessaire à la production industrielle d'acier, de ciment, de verre et de produits chimiques, contribuant ainsi à la décarbonation de l'industrie, au même titre que d'autres technologies comme les fours à arc électrique pour la sidérurgie.
Cependant, l'hydrogène jouera probablement un rôle encore plus important en tant que matière première industrielle pour une production plus propre d'ammoniac et de produits chimiques organiques. Par exemple, dans la sidérurgie, l'hydrogène pourrait servir de combustible propre et de catalyseur à faible teneur en carbone, remplaçant ainsi le coke (carbone) issu du charbon :

2FeO + C → 2Fe + CO₂
contre
FeO + H₂ → Fe + H₂O

L'hydrogène utilisé pour décarboner les transports trouvera probablement ses principales applications dans le transport maritime, l'aviation et, dans une moindre mesure, les poids lourds, grâce à l'utilisation de carburants synthétiques dérivés de l'hydrogène, tels que l'ammoniac et le méthanol, et de la technologie des piles à combustible.
Pour les véhicules légers, y compris les voitures, l'hydrogène est loin derrière les autres carburants alternatifs, notamment par rapport au taux d'adoption des véhicules électriques à batterie, et pourrait ne pas jouer un rôle significatif à l'avenir.
L'hydrogène et l'oxygène liquides servent ensemble de propergols cryogéniques dans les fusées à propergol liquide, comme dans les moteurs principaux de la navette spatiale.
La NASA  étudié l'utilisation d'un propergol composé d'hydrogène atomique, de bore ou de carbone solidifié en particules d'hydrogène moléculaire en suspension dans de l'hélium liquide. Sous l'effet de la chaleur, le mélange se vaporise pour permettre aux espèces atomiques de se recombiner, ce qui porte le mélange à une température élevée.

L'hydrogène produit en cas de surplus d'électricité renouvelable variable pourrait en principe être stocké et utilisé ultérieurement pour produire de la chaleur ou régénérer de l'électricité.
L'hydrogène peut également être transformé en carburants synthétiques tels que l'ammoniac et le méthanol.
Les inconvénients de l'hydrogène comme carburant incluent les coûts élevés de stockage et de distribution dus à son explosivité, son volume important comparé à d'autres carburants et sa tendance à fragiliser les matériaux.
Le désavantage économique lié à la distribution peut être atténué par la proximité des installations utilisant l'hydrogène avec les pôles miniers.

Utilisations agricoles
L'hydrogène, élément non métallique, est un gaz incolore, inodore et insipide présent dans l'eau combinée à l'oxygène, ainsi que dans tous les composés organiques (par exemple, les hydrocarbures et les glucides).
L'hydrogène est produit par électrolyse de l'eau et est utilisé dans le procédé Haber-Bosch pour la production d'ammoniac, une matière première essentielle pour les engrais azotés.
De grandes quantités d'hydrogène sont utilisées dans l'hydrogénation catalytique des huiles végétales insaturées pour la production de graisses solides et dans le raffinage du pétrole. De grandes quantités d'hydrogène sont également utilisées comme carburant pour la propulsion des fusées, en combinaison avec de l'oxygène ou du fluor.

Inflammable, l'hydrogène est utilisé avec de l'hélium pour gonfler les ballons et les dirigeables.
L'hydrogène est l'élément le plus léger du groupe 1 du tableau périodique.
L'hydrogène est abondant dans l'univers.
Il existe trois isotopes de l'hydrogène : l'hydrogène-1, le deutérium et le tritium.
Les deux premiers sont des isotopes stables naturels, tandis que le troisième, radioactif, est produit artificiellement.

Matériaux et utilisations
L'hydrogène gazeux est non corrosif et peut être contenu à température ambiante par la plupart des métaux courants utilisés dans les installations conçues pour résister aux pressions de service en jeu.
Le choix des équipements et des tuyauteries destinés à l'utilisation d'hydrogène doit tenir compte du risque de fragilisation, notamment à des pressions et des températures élevées, supérieures à 232 °C (450 °F).
Il convient de consulter la courbe de Nelson pour sélectionner les alliages appropriés. Les métaux utilisés pour les équipements à hydrogène liquide doivent présenter des propriétés satisfaisantes à très basse température de fonctionnement.
Les aciers au carbone ordinaires perdent leur ductilité aux températures de l'hydrogène liquide et sont considérés comme trop fragiles pour cette application.
Parmi les matériaux appropriés figurent les aciers austénitiques au chrome-nickel (aciers inoxydables), le cuivre, les alliages cuivre-silicium, l'aluminium, le Monel, ainsi que certains laitons et bronzes.

Méthodes de production
L'hydrogène gazeux peut être produit par plusieurs méthodes.
L'hydrogène est obtenu industriellement par électrolyse de l'eau.
L'hydrogène est également produit industriellement par la réaction de la vapeur d'eau avec du méthane ou du coke :

CH₄ + H₂O → CO + 3H₂
C + H₂O → CO + H₂
CO + H₂O → CO₂ + H₂

Ces réactions sont réalisées à environ 900 à 1 000 °C et catalysées par des catalyseurs nickel-aluminium, nickel-alumine ou rhodium-alumine. En laboratoire, l'hydrogène peut être préparé par la réaction du zinc ou du fer avec de l'acide chlorhydrique ou sulfurique dilué :
Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂

Il peut également être préparé en faisant passer de la vapeur d'eau sur du fer chauffé :
H₂O + Fe → FeO + H₂

De plus, il peut être produit par la réaction d'hydrures métalliques avec de l'eau :
CaH₂ + 2H₂O → Ca(OH)₂ + 2H₂

Une autre méthode de préparation consiste à chauffer de l'aluminium, du zinc ou d'autres métaux actifs dans de l'hydroxyde de sodium ou de potassium dilué :

2Al + 6NaOH → 2Na₃AlO₃ + 3H₂
Zn + 2KOH → K₂ZnO₂ + H₂
Risque d'incendie
L'hydrogène est un gaz hautement inflammable qui brûle avec une flamme presque invisible et un faible rayonnement thermique.
L'hydrogène forme des mélanges explosifs avec l'air, de 4 à 75 % en volume. Ces mélanges explosifs d'hydrogène et d'air (ou d'oxygène) peuvent s'enflammer au contact de certains métaux finement divisés (comme les catalyseurs d'hydrogénation courants).
En cas d'incendie, coupez l'arrivée de gaz et utilisez un extincteur à dioxyde de carbone, à poudre chimique ou à halon.