HYDROGÈNE (physique)

L’hydrogène est l’élément le plus répandu dans l’Univers. Au début du xvii^e siècle, l’alchimiste genevois Turquet de Mayerne (1573-1655), poursuivant une observation de Paracelse (1493-1541), observe un dégagement de gaz lorsqu’un acide (esprit de vitriol) agit sur du fer ou du zinc. Le physicien britannique Henry Cavendish (1731-1810) est le premier à l’isoler grâce à une cloche à mercure et à l’étudier. Il le nomme « air inflammable » et, en 1766, dans un mémoire sur « les airs factices », il montre qu’il est dix fois plus léger que l’« air commun ». Le régisseur des poudres et chimiste Antoine de Lavoisier (1743-1794) lui donne son nom (issu du grec, « formeur d’eau ») en 1783, en établissant que l’eau est une combinaison de cet élément avec l’oxygène.

Élément le plus abondant, l’hydrogène est aussi le plus simple. Par cette simplicité – relativement à tous les autres éléments –, il permet de mettre en œuvre des expériences fondamentales pour comprendre la structure de la matière, et est devenu rapidement l’objet des tests nécessaires à l’établissement et la vérification de toute théorie physique : examiner la physique de l’hydrogène, c’est feuilleter les plus grandes pages de l’histoire de la physique moderne. Ainsi, la mécanique quantique naît et se développe dans le cadre des études du spectre de l’atome d’hydrogène. Plus tard, son déploiement en accord avec la relativité restreinte dans le cadre des théories quantiques des champs (approche théorique des interactions entre les particules) trouve certaines de ses plus brillantes confirmations dans l’étude fine de ce spectre. Enfin, la représentation des interactions nucléaires fortes par la chromodynamique quantique, introduite dans les années 1970, acquerra une reconnaissance consensuelle des physiciens des particules grâce à l’étude approfondie des interactions d’un faisceau d’électrons de haute énergie avec des noyaux d’hydrogène.

L’étude de l’hydrogène dans l’Univers est aussi un outil essentiel en astronomie. En effet, premier élément formé selon la cosmologie standard après l’explosion primordiale, il occupe des régions étendues de l’Univers sous la forme de « nuages », il initie toute l’épopée de la vie des étoiles et reste prédominant jusque dans le cœur des planètes géantes comme Jupiter. Combustible essentiel des étoiles jeunes – et du Soleil –, il permet les réactions de fusion nucléaire à l’origine de leur brillance et de toute l’énergie dispersée dans les systèmes planétaires – énergie recueillie sur Terre dans les processus de photosynthèse ou les générateurs photovoltaïques.

En physique appliquée, sous la forme de ses isotopes (deutérium et tritium), l’hydrogène participe au rêve de domestication de cette énergie de fusion auquel est dédié l’ambitieux projet ITER (fusion contrôlée) dont l’assemblage a débuté à la fin de 2020. Il est aussi un vecteur énergétique potentiellement révolutionnaire par l’intermédiaire des « piles à combustible » dont le développement industriel marque le début du xxi^e siècle. Enfin, son pouvoir destructeur comme charge des bombes thermonucléaires ne peut pas être passé sous silence.

Les isotopes naturels et artificiels de l’hydrogène

Il existe trois isotopes (atomes présentant le même nombre de protons et d’électrons mais pas le même nombre de neutrons) naturels de l’hydrogène. L’atome du plus fréquent (noté hydrogène ¹H) a un noyau composé d’un unique proton.

Le deutérium (²H ou D, de numéro atomique 2) a été découvert en 1931 par le chimiste américain Harold Urey (1893-1981). Son noyau est composé d’un proton et d’un neutron ; très peu toxique, il n’est pas radioactif. Son abondance atomique sur Terre varie de 20 à 150 ppm (parties par millions), selon les molécules qui le contiennent,[...]

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Écrit par

Bernard PIRE : directeur de recherche émérite au CNRS, centre de physique théorique de l'École polytechnique, Palaiseau

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Pour citer cet article

Bernard PIRE. HYDROGÈNE (physique) [en ligne]. In Encyclopædia Universalis. Disponible sur : (consulté le )

PIRE, B.. HYDROGÈNE (physique). Encyclopædia Universalis. (consulté le )

PIRE, Bernard. « HYDROGÈNE (physique) ». Encyclopædia Universalis. Consulté le .

PIRE, Bernard. « HYDROGÈNE (physique) ». Encyclopædia Universalis [en ligne], (consulté le )

Médias

Interprétation des raies du spectre de l’hydrogène - crédits : Encyclopædia Universalis France — Interprétation des raies du spectre de l’hydrogène

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Les modèles successifs de l’atome - crédits : Encyclopædia Universalis France — Les modèles successifs de l’atome

Encyclopædia Universalis France

Expérience de Rutherford - crédits : Encyclopædia Universalis France — Expérience de Rutherford

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Autres références

DÉCOUVERTE DE L'HYDROGÈNE PAR CAVENDISH
- Écrit par Bernard PIRE
- 728 mots
L’article envoyé en mai 1766 par l’honorable Henry Cavendish (1731-1810) à la Royal Society, dont il est membre, décrit de façon magistrale la découverte d’un gaz léger s’échappant de certaines réactions chimiques : l’hydrogène. Ces travaux, publiés dans la livraison datée du 1...
ACIDO-BASIQUE ÉQUILIBRE
- Écrit par Pierre KAMOUN
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L'apport alimentaire en ions hydrogène H⁺est essentiellement représenté par les amino-acides introduits par les protéines (10 g de protéines libèrent 6 à 7 milliéquivalents d'ions H⁺).
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- Écrit par Henri GUÉRIN
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L'action des sels d'ammonium sur les métaux dans l'ammoniac liquide est semblable à celle des acides en phase aqueuse : on obtient un sel du métal attaqué et un dégagement d'hydrogène :
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- Écrit par Patrick FORTERRE
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...avec une bactérie sulfato-réductrice du genre Desulfovibrio et une archée productrice du méthane du genre Methanogenium. L’archée Loki produit de l’hydrogène qui est utilisé par la bactérie pour produire du sulfure d’hydrogène et par Methanogenium pour produire du méthane. Hiroyuki Imachi...
ASTROCHIMIE
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- 3 médias
Avec ses 99,999 p. 100 d'hydrogène et d'hélium, le gaz interstellaire est une mixture fort homogène. L'essentiel des éléments chimiques, fabriqués par les étoiles – à commencer par le carbone, l'azote et l'oxygène –, n'y sont présents que dans un rapport d'au mieux 3 pour...
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