Hydrogène

L’hydrogène est l'élément chimique portant le symbole H et le numéro atomique 1. Avec un poids atomique standard de 1,008, l’hydrogène est l'élément le plus léger du tableau périodique. L’hydrogène est la substance chimique la plus abondante dans l’Univers, constituant environ 75 % de toute la masse baryonique. Les étoiles non restantes sont principalement composées d’hydrogène à l'état de plasma. L’isotope le plus courant de l’hydrogène, appelé protium (nom rarement utilisé, symbole 1H), a un proton et aucun neutron.

L'émergence universelle de l’hydrogène atomique s’est produite pour la première fois à l'époque de la recombinaison (Big Bang). À température et pression normales, l’hydrogène est un gaz diatomique incolore, inodore, insipide, non toxique, non métallique, hautement combustible, de formule moléculaire H2. Comme l’hydrogène forme facilement des composés covalents avec la plupart des éléments non métalliques, la majeure partie de l’hydrogène sur Terre existe sous des formes moléculaires telles que l’eau ou les composés organiques.

Histoire

L’hydrogène gazeux a été produit artificiellement pour la première fois au début du XVIe siècle par la réaction d’acides sur 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, propriété pour laquelle il a été nommé par la suite : en grec, hydrogène signifie “eau-former”.

Présence naturelle

Occurrence dans l’univers

Peu après la création de l’univers, les protons et les neutrons étaient déjà présents en nombre impressionnant. Aux températures élevées qui prévalaient, ils se sont combinés pour former des noyaux atomiques légers, tels que D et 4He. Cependant, la plupart des protons sont restés inchangés et représentaient les futurs noyaux 1H. Après environ 380 000 ans, lorsque la densité de rayonnement de l’univers était devenue suffisamment faible, les atomes d’hydrogène pouvaient être formés simplement en combinant les noyaux avec les électrons, sans être à nouveau déchirés par un photon. Depuis lors, il y a le rayonnement de fond cosmique (non diffusé !) et l’univers est rempli d’hydrogène.

Avec la poursuite du refroidissement de l’univers, la masse s’est divisée de manière asymétrique et a formé des nuages d’hydrogène gazeux. Sous l’influence de la gravité, ces nuages se sont d’abord condensés en galaxies, puis le gaz des galaxies s’est condensé en protostars. Sous l'énorme pression de la gravité, la fusion des atomes H en atomes He a commencé. C’est ainsi que les premières étoiles et les premiers soleils se sont formés. Plus tard, cependant, surtout dans les très grandes étoiles, des éléments plus lourds tels que le carbone, l’azote et l’oxygène, qui sont les éléments de base de toutes les formes de vie connues, ont également été formés - également par fusion.

Occurrence sur terre

Sur terre, la fraction massique est beaucoup plus faible, environ 0,12 % du poids total et 2,9 % de la croûte terrestre. En outre, contrairement à ce qui se passe dans l’espace, l’hydrogène terrestre est principalement lié et presque jamais pur (c’est-à-dire sous forme de gaz non mélangé). Aucun autre élément n’est connu pour contenir autant de composés, le plus courant étant l’eau.

La croûte terrestre

Mais l'élément se trouve également dans tous les êtres vivants, dans le pétrole, le gaz naturel et de nombreux minéraux. Les autres éléments naturels sont les gaz naturels comme le méthane (CH4).

Eau salée et eau douce

La plus grande partie de l’hydrogène terrestre se trouve dans le composé eau. Sous cette forme, elle couvre plus des deux tiers de la surface terrestre. Les ressources totales en eau de la terre s'élèvent à environ 1386 milliards de km³. Sur ce total, 1338 milliards de km³ (96,5 %) sont constitués d’eau salée dans les océans. Les 3,5 % restants sont disponibles sous forme d’eau douce. La plus grande partie est à l'état solide : sous forme de glace dans l’Arctique et l’Antarctique ainsi que dans les sols du permafrost, en particulier en Sibérie. La petite partie restante est de l’eau douce liquide et se trouve principalement dans les lacs et les rivières, mais aussi dans les dépôts souterrains, par exemple sous forme d’eaux souterraines.

Atmosphère

Dans l’atmosphère terrestre, l’hydrogène est presque exclusivement lié chimiquement, principalement sous forme d’eau. Le pourcentage de fréquence de l’hydrogène moléculaire dans l’air n’est que de 0,55 ppm. La proportion de vapeur d’eau se situe entre 1 et 4 % environ. Cette valeur dépend fortement de l’humidité et de la température.

Le faible pourcentage d’hydrogène moléculaire dans l’atmosphère peut s’expliquer par la vitesse thermique élevée des molécules et le pourcentage élevé d’oxygène dans l’atmosphère. À la température moyenne de l’atmosphère, les particules d’H2 se déplacent à une vitesse moyenne de près de 7 000 km/h. Cela représente environ un sixième de la vitesse d'échappement sur Terre. Cependant, en raison de la distribution Maxwell-Boltzmann des vitesses des molécules d’H2, il y a encore un nombre considérable de molécules qui atteignent néanmoins la vitesse d'échappement. Cependant, les molécules n’ont qu’une longueur de trajet libre extrêmement faible, de sorte que seules les molécules des couches supérieures de l’atmosphère s'échappent réellement. D’autres molécules d’H2 proviennent des couches inférieures, et une certaine quantité s'échappe à nouveau jusqu'à ce qu’il ne reste finalement plus que des traces de l'élément dans l’atmosphère. On peut supposer que l’hydrogène des couches inférieures de l’atmosphère est en grande partie brûlé en eau. Dans une faible proportion, un équilibre est établi entre les inconvénients et les inconvénients.

Production

La production annuelle d’hydrogène est actuellement de plus de 500 milliards de mètres cubes standard. La majeure partie de cette production provient de sources fossiles (gaz naturel, pétrole brut), de l’industrie chimique, où elle est un sous-produit de la production de chlore, et des procédés de raffinage du pétrole brut.

Si l’hydrogène doit être utilisé à grande échelle pour la production ou le stockage d'énergie dans le sens d’une économie énergétique de l’hydrogène, la production par reformage à la vapeur conventionnelle n’est pas pratique. Toutefois, elle peut encore être possible comme point d’entrée, par exemple dans le secteur automobile.

Dans l’intervalle, certains procédés de production d’hydrogène ont été développés jusqu'à la production en série, d’autres sont encore en phase de développement :

  • Reformeur à vapeur (gaz naturel)
  • Oxydation partielle (gazéification du pétrole)
  • Réformateur autothermique (reformage du méthanol)
  • Électrolyse de l’eau
  • Biomasse (gazéification, fermentation)
  • Procédure Kværner
  • Hydrogène des algues vertes

Utilisation économique

Chaque année, plus de 600 milliards de mètres cubes d’hydrogène (environ 30 millions de tonnes) sont produits dans le monde pour d’innombrables applications industrielles et technologiques. Les principaux domaines d’application sont les suivants

  • Transporteurs d'énergie : Dans le soudage, comme carburant pour fusées. Son utilisation comme carburant pour les moteurs à réaction, dans les moteurs à combustion d’hydrogène ou via des piles à combustible devrait remplacer l’utilisation de produits pétroliers dans un avenir prévisible (voir propulsion à l’hydrogène), car la combustion produit principalement de l’eau, mais pas de suie ni de dioxyde de carbone. Cependant, contrairement au pétrole, l’hydrogène n’est pas une source d'énergie primaire.
  • Hydrogénération du charbon : Par diverses réactions chimiques, le charbon est transformé en hydrocarbures liquides avec H2. De cette façon, l’essence, le diesel et le mazout peuvent être produits artificiellement. Pour l’instant, les deux procédés mentionnés ci-dessus n’ont aucune importance économique en raison de leur coût élevé. Cependant, la situation pourrait changer radicalement dès que les réserves de pétrole de la terre seront épuisées.
  • Agent réducteur : H2 peut réagir avec les oxydes métalliques et en extraire l’oxygène. L’eau et le métal réduit se forment. Ce procédé est utilisé dans la fusion des minerais métalliques, notamment pour extraire des métaux aussi purs que possible.
  • Le procédé Haber-Bosch est utilisé pour produire de l’ammoniac à partir d’azote et d’hydrogène et à partir de cet ammoniac, on produit d’importants engrais et explosifs.
  • Durcissement des graisses : Les graisses durcies sont obtenues à partir d’huile végétale par hydrogénation. Au cours de ce processus, les doubles liaisons des résidus d’acides gras insaturés des glycérides sont saturées en hydrogène. Les graisses ainsi obtenues ont un point de fusion plus élevé, ce qui rend le produit solide. La margarine est produite de cette manière. Comme sous-produit, des graisses trans nocives pour la santé peuvent également être produites.
  • Additif alimentaire : L’hydrogène est approuvé sous la référence E 949 et est utilisé comme gaz propulseur, gaz d’emballage, etc.
  • Coolant : En raison de sa grande capacité calorifique, l’hydrogène (gazeux) est utilisé comme réfrigérant dans les centrales électriques et les turbogénérateurs qui y sont utilisés. En particulier, l’H2 est utilisé là où le refroidissement par liquide peut poser problème. La capacité calorifique entre en jeu lorsque le gaz ne peut pas circuler, ou seulement lentement. Comme la conductivité thermique est également élevée, l’H2 en circulation est également utilisé pour transporter l'énergie thermique vers de grands réservoirs (par exemple les rivières). Dans ces applications, l’hydrogène protège l'équipement contre la surchauffe et augmente son efficacité. L’avantage de l’hydrogène est que, en raison de sa faible densité, qui est incluse dans le nombre de Reynolds, il s'écoule de manière laminaire avec une faible résistance jusqu'à des vitesses plus élevées que les autres gaz.
  • Cryogénique : En raison de sa grande capacité calorifique et de son faible point d'ébullition, l’hydrogène liquide convient comme cryogène, c’est-à-dire comme réfrigérant pour des températures extrêmement basses. Même de plus grandes quantités de chaleur peuvent être bien absorbées par l’hydrogène liquide avant qu’une augmentation notable de sa température ne se produise. De cette façon, la basse température est maintenue même en cas de fluctuations externes.
  • Gaz porteur : L’hydrogène a trouvé l’une de ses premières utilisations dans les ballons et les dirigeables. Cependant, en raison de la nature hautement inflammable des mélanges H2-air, cela a conduit à plusieurs reprises à des accidents. La plus grande catastrophe dans ce contexte est probablement l’accident du “Dixmude” en 1923, le plus connu étant certainement la “catastrophe de Hindenburg” en 1937. Entre-temps, l’hydrogène en tant que gaz porteur a été remplacé par l’hélium et ne remplit cette fonction que dans des applications très particulières.

Les deux isotopes naturels de l’hydrogène, le deutérium et le tritium, ont des applications particulières:

Deutérium

Le deutérium est utilisé (sous forme d’eau lourde) dans les réacteurs à eau lourde comme modérateur, c’est-à-dire pour ralentir les neutrons rapides produits lors de la fission nucléaire jusqu'à la vitesse thermique.

Les solvants deutérés sont utilisés en spectroscopie de résonance magnétique nucléaire parce que le deutérium a un spin nucléaire de un et n’est pas visible dans le spectre RMN de l’isotope normal de l’hydrogène.

En chimie et en biologie, les composés de deutérium aident à étudier les processus de réaction et les voies métaboliques (marquage des isotopes), car les composés contenant du deutérium se comportent généralement chimiquement et biochimiquement presque de la même manière que les composés correspondants contenant de l’hydrogène. Les réactions ne sont pas perturbées par le marquage, mais le devenir du deutérium dans les produits finaux peut encore être déterminé.

En outre, la différence de masse considérable entre l’hydrogène et le deutérium permet d’obtenir un effet isotopique clair dans les propriétés dépendantes de la masse. Par exemple, l’eau lourde a un point d'ébullition nettement plus élevé que l’eau.

Tritium

Le tritium, un isotope radioactif, est produit dans les réacteurs nucléaires en quantités utilisables industriellement. Outre le deutérium, c’est aussi une matière première pour la fusion nucléaire à l’hélium. Dans l’usage civil, il sert de marqueur radioactif en biologie et en médecine. Par exemple, il peut être utilisé pour détecter les cellules tumorales. En physique, il est lui-même un objet de recherche, d’une part, tandis que d’autre part, les noyaux de tritium hautement accélérés sont utilisés pour étudier les noyaux lourds ou produire des isotopes artificiels.

La méthode du tritium permet de dater très précisément les échantillons d’eau. Avec une demi-vie d’environ douze ans, elle est particulièrement adaptée à la mesure de périodes de temps relativement courtes (jusqu'à plusieurs centaines d’années). Il peut notamment être utilisé pour déterminer l'âge d’un vin.

Il est utilisé comme source d'énergie durable et fiable pour les peintures lumineuses (en mélange avec un colorant fluorescent), principalement dans les applications militaires, mais aussi dans les montres-bracelets. L’isotope est également utilisé à des fins militaires dans la bombe à hydrogène et dans certains types d’armes nucléaires dont l’effet est basé sur la fission.

Biologie

L’hydrogène sous forme de divers composés est essentiel pour tous les organismes vivants connus. Le plus important d’entre eux est l’eau, qui sert de support à tous les processus cellulaires et à tous les transports de masse. Avec le carbone, l’oxygène, l’azote (et plus rarement aussi d’autres éléments), il est un composant de ces molécules de la chimie organique sans lequel toute forme de vie connue de nous est tout simplement impossible.

L’hydrogène joue également un rôle actif dans l’organisme, par exemple dans certaines coenzymes telles que le nicotinamide adénine dinucléotide (NAD/NADH), qui servent d'équivalents de réduction (ou “transporteurs de protons”) dans l’organisme et participent aux réactions d’oxydoréduction. Dans les mitochondries, les centrales électriques de la cellule, le transfert de cations d’hydrogène (protons) entre différentes molécules de la chaîne dite respiratoire sert à fournir un gradient de protons à travers la membrane chimiosmotique ; le potentiel de générer des composés riches en énergie tels que l’adénosine triphosphate (ATP). Au cours de la photosynthèse chez les plantes et les bactéries, l’hydrogène de l’eau est nécessaire pour convertir le dioxyde de carbone fixé en hydrates de carbone.

En termes de masse, l’hydrogène est le troisième élément le plus important dans le corps humain : Pour une personne de 70 kg, environ 7 kg (= 10 % en poids) peuvent être attribués à l’hydrogène contenu. Seuls le carbone (environ 20 % en poids) et l’oxygène (environ 63 % en poids) représentent une proportion encore plus importante du poids. Par rapport au nombre d’atomes, l’hydrogène très léger est de loin l’atome le plus courant dans le corps de tout être vivant. (Les 7 kg chez l’homme correspondent à 3,5-103 moles d’hydrogène avec 2-6-1023 atomes chacune, soit environ 4,2-1027 atomes d’hydrogène).

Sécurité

L’hydrogène est extrêmement inflammable. Il brûle avec de l’oxygène pur ou de l’air ainsi qu’avec d’autres oxydants gazeux tels que le chlore ou le fluor à la flamme chaude. Comme la flamme est à peine visible, on peut y pénétrer involontairement. Les mélanges avec le chlore ou le fluor sont inflammables même par rayonnement ultraviolet (voir le gaz oxyhydrogène-chlore). En plus de l'étiquetage prescrit par le SGH (voir encadré), les bouteilles de gaz comprimé H2 doivent être munies d’un épaulement de bouteille rouge et d’un corps de bouteille rouge conformément à la norme DIN EN 1089-3.

L’hydrogène est non toxique et ne nuit pas à l’environnement. C’est pourquoi aucune valeur MAK n’est spécifiée. La protection respiratoire ou cutanée n’est pas requise. Ce n’est que lorsque des concentrations élevées sont inhalées que des troubles du mouvement, une perte de conscience et une suffocation peuvent survenir en raison du manque d’oxygène d’environ 30 % en volume .

Les mélanges d’air et de 4 à 76 % en volume d’hydrogène sont combustibles. Au-delà d’une concentration de 18 % dans l’air, le mélange est explosif (gaz oxygéné). La température d’inflammation dans l’air est de 560 °C. Pendant la manipulation, l’hydrogène doit être tenu à l'écart des sources d’inflammation, y compris des décharges électrostatiques. Les conteneurs doivent être stockés à l'écart des gaz oxydants (oxygène, chlore) et d’autres substances oxydantes.

En raison de sa petite taille atomique, l’hydrogène peut se diffuser à travers de nombreux solides, c’est-à-dire que le gaz peut s'échapper lentement à travers des matériaux inadaptés (par exemple les plastiques). Les matériaux et les épaisseurs utilisés pour les réservoirs et les tuyaux de gaz en tiennent compte, de sorte qu’il n’y a pas de risques plus importants qu’avec l’essence, par exemple. Les véhicules à hydrogène équipés de réservoirs sous pression peuvent être garés sans problème dans des parkings à étages et souterrains. Il n’existe aucune disposition légale limitant cette possibilité.