Cet article concerne l'élément chimique. Pour le corps simple H2, voirDihydrogène. Pour la théorie quantique de l'atome d'hydrogène, voirAtome d'hydrogène.
Code Kemler : 23 : gaz inflammable Numéro ONU : 1049 : HYDROGÈNE COMPRIMÉ Classe : 2.1 Code de classification : 1F : Gaz comprimé, inflammable ; Étiquette : 2.1 : Gaz inflammables (correspond aux groupes désignés par un F majuscule);
Code Kemler : 223 : gaz liquéfié réfrigéré, inflammable Numéro ONU : 1966 : HYDROGÈNE LIQUIDE RÉFRIGÉRÉ Classe : 2.1 Code de classification : 3F : Gaz liquéfié réfrigéré, inflammable ; Étiquette : 2.1 : Gaz inflammables (correspond aux groupes désignés par un F majuscule);
Code Kemler : 23 : gaz inflammable Numéro ONU : 2034 : HYDROGÈNE ET MÉTHANE EN MÉLANGE COMPRIMÉ Classe : 2.1 Code de classification : 1F : Gaz comprimé, inflammable ; Étiquette : 2.1 : Gaz inflammables (correspond aux groupes désignés par un F majuscule);
L'hydrogène est le principal constituant duSoleil et de la plupart desétoiles (dont l'énergie provient de lafusion thermonucléaire de cet hydrogène), et de la matièreinterstellaire ouintergalactique. C'est un composant majeur desplanètes géantes, sous forme métallique au cœur deJupiter et deSaturne, et sous la forme de dihydrogène solide, liquide ou gazeux dans leurs couches plus externes et dans les autres planètes géantes. Sur Terre, il est surtout présent à l'état d'eau liquide, solide (glace) ou gazeuse (vapeur d'eau), mais on le trouve aussi dans lesémanations de certainsvolcans sous la forme de H2 et de CH4 (méthane).
Lecorps simple H2 est mis en évidence à l'étatgazeux parHenry Cavendish en1766, qui l'appelle « air inflammable » parce qu'il brûle ou explose en présence d'oxygène, produisant de la vapeur d'eau.Lavoisier désigne ce gaz sous le nom d'hydrogène, composé du préfixehydro-, dugrecὕδωρ /húdôr, « eau », et du suffixe-gène, du grecγεννάω /gennáô, « engendrer »[7]. Son nom correct est désormais « dihydrogène », mais dans la langue courante on continue à l'appeler « hydrogène ».
Dans la croûte terrestre, l'hydrogène ne représente que 0,22 % des atomes, loin derrière l'oxygène (47 %) et lesilicium (27 %)[9],[10]. Il est rare également dans l'atmosphère terrestre, dont il ne représente en volume que 0,55 ppm des gaz atmosphériques. Sur Terre, la source la plus commune d'hydrogène est l'eau, dontla molécule est constituée de deux atomes d'hydrogène et d'un atome d'oxygène ; l'hydrogène est surtout le principal constituant (en nombre d'atomes) de toute matière vivante, associé aucarbone dans tous lescomposés organiques. Par exemple, l'hydrogène représente 63 % des atomes et 10 % de la masse du corps humain[9],[11],[12].
Des accumulations dedihydrogène natif ont été détectées dans la croûte terrestre. L'une d'elles au Mali est quasiment pure (à 96 %) et est utilisée pour produire de l'électricité depuis les années 2010[13]. D'autres sont recherchées pourproduire du dihydrogène[14].
Sous de très faibles pressions, comme celles qui existent dans l'espace, l'hydrogène a tendance à exister sous forme d'atomes individuels car il n'entre pas en collision avec d'autres atomes pour se combiner. Lesnuages d'hydrogène sont à la base du processus de laformation des étoiles.
L’hydrogène est le seul élément dontchaque isotope porte un nom spécifique, car leur différence de masse (comparativement à celle de l'atome d'hydrogène) est significative : du simple au double ou au triple, ce qui explique que, contrairement à ce qui vaut pour lesisotopes en général, ces différences peuvent influencer les propriétés chimiques du deutérium ou du tritium par rapport au protium (effet isotopique). L'eau lourde (D2O), qui contient des isotopes d'hydrogène lourds, est par exemple toxique (à forte dose) pour de nombreuses espèces. En effet, en raison de la grande différence de masse entre les isotopes, lacinétique des réactions ensolution aqueuse est considérablement ralentie.
Les isotopes les plus notables de l'hydrogène sont :
l'hydrogène léger ouprotium1H, le plus abondant (~99,98 % de l'hydrogène naturel). Lenoyau atomique est simplement constitué d'un proton et ne possède donc pas deneutron. C'est unisotope stable ;
ledeutérium2H (ou D), beaucoup moins abondant (de 0,0082 à 0,0184 % de l'hydrogène naturel, ~0,015 % en moyenne). Le noyau est constitué d'un proton et d'un neutron, c'est aussi un isotope stable. Sur Terre, il est essentiellement présent sous forme d'eau deutérée HDO (eau semi-lourde) ;
letritium3H (ou T), présent seulement en quantité infime dans l'hydrogène naturel (un atome de tritium pour 1018 atomes d’hydrogène). Le noyau est constitué d’un proton et de deux neutrons, il est radioactif et se transforme en3He par émission d'un électron (radioactivité β−).2H et3H peuvent participer à des réactions defusion nucléaire. Laradiotoxicité du tritium est réputée très faible lorsqu'il est présent sous forme HTO (eau tritiée, ou eau lourde), elle est moins connue et moins bien comprise lorsqu'il est présent sous forme organique (les études présentent des résultats contradictoires ou très variables selon leurs protocoles expérimentaux[16]). Dans l’environnement naturel, le tritium peut prendre la place du protium dans les molécules comprenant de l'hydrogène, y compris dans les molécules biologiques et jusque dans l'ADN où il peut être cause de cassures de l'information génétique, de mutations ou d'apoptoses cellulaires. Le tritium étant un isotope rare, sa concentration dans l'eau et les tissus est généralement très faible (hors contaminations accidentelles d’origine humaine) ;
lequadrium ou tétradium4H (ou Q), l'isotope le plus instable de l'hydrogène (sademi-vie est ultracourte : 1,39 × 10−22 seconde[17]). Il se décompose par émission de neutron[18] ;
l'hydrogène 7 (7H), lenucléide le plus riche en neutrons jamais observé, relativement au nombre de protons (N/Z = 6). Sa demi-vie est de l'ordre de 10−21 seconde[19].
Aux pressions extrêmement hautes, l'hydrogène est dans un état dit « sombre », intermédiaire entre un gaz et un métal. Il ne reflète pas la lumière et ne la transmet pas. Il devient aussi très faiblement conducteur d'électricité[21]. Il s'apparente auxmétaux alcalins qui le suivent dans legroupe 1 dutableau de Mendeleïev.
Aux pressions les plus basses, l'hydrogène est ungaz monoatomique.
Lamolécule de dihydrogène existe sous deuxisomères de spin nucléaire : l'hydrogène ortho (spins parallèles) et l'hydrogène para (spins antiparallèles)[22].
À très basse pression et très haute température l'hydrogène est ungaz monoatomique (donc de formule H), c'est notamment le cas du gazinterstellaire ouintergalactique. En raison de l'immensité de ces espaces et malgré la très faible densité du gaz, l'hydrogène monoatomique constitue près de 75 % de lamasse baryonique de l'univers[23].
L'hydrogènesolide est obtenu en abaissant la température en dessous du point de fusion du dihydrogène, situé à14,01K (−259,14 °C)[24]. L'état solide fut obtenu pour la première fois en 1899 parJames Dewar[25],[26].
L'atome d'hydrogène peut perdre son unique électron pour donner l'ion H+, désigné couramment par le nom deproton. En effet l'atome qui a perdu son seul électron est réduit à son noyau, et dans le cas de l'isotope le plus abondant1H, ce noyau n'est constitué que d'un proton. Cette appellation n'est pas rigoureusement correcte si l'on tient compte de la présence, certes discrète (inférieure à 0,02 %), des autres isotopes. L'appellationhydron est plus générale (on dit aussiion hydrogène, malgré la confusion possible avec l'anion H−). Son rayon est très petit : environ 1,5 × 10−15m contre 5 × 10−11m pour l'atome.
En solution, le proton n'existe pas à l'état libre mais est toujours lié au nuage électronique d'une molécule. En solution aqueuse il estsolvaté par des molécules d'eau ; on peut en simplifiant considérer qu'il est capté par une molécule d'eau H2O, formant un ion« hydronium » H3O+, aussi appelé « oxonium » ou « hydroxonium ».
L'atome d'hydrogène peut aussi acquérir un second électron pour donner l'ion « hydrure » H−, ce qui lui confère le même cortège électronique stable que l'atome d'hélium.
L'hydrogène joue un rôle primordial dans une réaction acido-basique (au sens de lathéorie de Brønsted-Lowry) puisque cette dernière correspond formellement à l'échange d'un ion hydrogène H+ entre deux espèces, la première (l'acide) libérant H+ parrupture d'une liaison covalente, et la deuxième (labase) captant cet H+ par formation d'une nouvelle liaison covalente :
Laliaison hydrogène est une interaction électrostatique entre unatome d'hydrogène, lié chimiquement à un atome électronégatif A, et un autre atome électronégatif B (A et B étant typiquementO,N ouF en chimie organique).
Cette liaison joue un rôle important en chimie organique, puisque les atomes d'oxygène O, d'azote N ou defluor F sont susceptibles de créer des liaisons hydrogène, mais aussi en chimie inorganique, entre lesalcools et lesalcoolates métalliques.
L'hydrogène se combine avec la plupart des autres éléments car il possède uneélectronégativité moyenne (2,2) et peut ainsi former des composés avec des éléments métalliques ou non-métalliques. Les composés qu'il forme avec les métaux sont appelés « hydrures », dans lesquels il se trouve sous forme d'ions H− trouvés généralement en solution. Dans les composés avec les éléments non-métalliques, l'hydrogène forme desliaisons covalentes, car l'ion H+ a une forte tendance à s'associer avec les électrons. Dans les acides en solution aqueuse, il se forme des ions H3O+ appelés ions « hydronium » ou « oxonium », association du proton et d'unemolécule d'eau.
↑G. M. Ter-Akopianet al.,Hydrogen-4 and Hydrogen-5 from t+t and t+d transfer reactions studied with a 57.5-MeV triton beam,Nuclear Physics in the 21st Century: International Nuclear Physics Conference INPC 2001, American Institute of Physics Conference Proceedings, 610,p. 920-924,DOI10.1063/1.1470062.
