HYDROGÈNE (physique)

Carte mentale

Élargissez votre recherche dans Universalis

Les phases de l’hydrogène

L’hydrogène a été jusqu’à ce point considéré dans le cadre de l’étude d’un atome simple et des particules qui le composent. Qu’en est-il dans l’interaction d’un atome avec d’autres atomes d’hydrogène, en d’autres termes quels peuvent être les états de l’hydrogène ? Comprendre le « diagramme de phase » de l’hydrogène, c’est-à-dire ses divers états lorsqu’un échantillon est soumis à des conditions variées de température ou de pression, s’est révélé un problème physique parmi les plus difficiles, tant du point de vue théorique que du point de vue expérimental. Il s’agit en effet d’un domaine où les interactions entre les atomes voisins se conjuguent à des effets collectifs subtils mettant en jeu des nombres considérables de particules. Le problème est particulièrement ardu dans le cas des phases solides. Même les puissantes ressources informatiques utilisées par les physiciens ne leur permettent pas de prédire avec un degré de précision suffisant l’ordonnancement des atomes et le comportement des électrons dans de nombreux solides. C’est encore plus difficile dans le cas de l’hydrogène car les effets spécifiquement quantiques – c’est-à-dire des changements par sauts quantifiés – y sont plus importants.

Les états « ordinaires » de l’hydrogène.

Dans les conditions habituelles, l’hydrogène apparaît surtout sous une forme moléculaire (H2) dans laquelle deux atomes mettent en commun leurs deux électrons. Sous la pression atmosphérique normale (1 013 hPa), cette forme moléculaire est dans l’état gazeux à température normale, dans l’état liquide en dessous de 20,3 kelvins (K) et dans l’état solide en dessous de 14 K. La densité de l’hydrogène solide est de l’ordre de 76 kg/m3 et son comportement électrique est celui d’un diélectrique, c’est-à-dire qu’il peut emmagasiner de l’énergie électrostatique mais qu’il est isolant : les charges électriques qu’il contient ne peuvent pas se déplacer sur de longues distances ; l’hydrogène solide n’est donc pas conducteur. Cela se comprend par le fait qu’à des pressions inférieures à quelques gigapascals (GPa) – soit des milliards de pascals, donc des dizaines de milliers de fois la pression atmosphérique – la distance typique entre molécules reste de l’ordre de 0,4 nm soit environ cinq fois supérieure à la longueur typique de la liaison H-H dans la molécule d’hydrogène : les électrons restent liés aux molécules. À plus haute pression, on a mis en évidence cinq phases solides différentes de l’hydrogène, dont on connaît mal les structures bien qu’il semble probable que la plus grande part de l’hydrogène y reste sous une forme moléculaire (H2).

Exemple de diagramme de phase de l’hydrogène

Dessin : Exemple de diagramme de phase de l’hydrogène

L'état du matériau dépend des conditions de température – en kelvins, sur l'axe vertical – et de pression – en gigapascals, sur l'axe horizontal. Les cinq phases notées avec des chiffres romains sont des états « mixtes » d'atomes et de molécules qui respectent diverses... 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

Afficher

L’hydrogène métallique

Au début des années 1930, le physicien britannique John Desmond Bernal (1901-1971) avait avancé l’idée que toutes les substances deviennent métalliques lorsqu’elles sont soumises à de très hautes pressions. En 1935, le physicien hongrois naturalisé américain Eugene Wigner (1902-1995), Prix Nobel de physique en 1963 pour ses contributions essentielles au développement de la mécanique quantique, détermine par le calcul, avec son étudiant Hillard Bell Huntington (1910-1992), les propriétés métalliques qu’aurait un ensemble d’atomes d’hydrogène occupant les sites d’un réseau régulier. En examinant comment varie l’énergie d’un tel système lorsque la taille de la maille du réseau décroît, ils montrent qu’un minimum est atteint lorsque le réseau est « à corps centré » – les atomes occupent les sommets et les centres des cubes élémentaires – et que la maille a une longueur correspondant à une densité beaucoup plus élevée que celle de l’hydrogène moléculaire solide habituel. Ils en déduisent que l’hydrogène solide doit devenir métallique lorsqu’il est soumis à une pression de l’ordre de 25 GPa, c’est à dire environ 250 000 fois la pression atmosphérique. Ces gigantesques pressions existent sans doute au cœur des planètes géantes gazeuses telles que Jupiter, dont on sait par ailleurs qu’elle est majoritairement composée d’hydrogène.

Étudier le comportement d’ensemble d’atomes comme ici de l’hydrogène, soumis à des ultrahautes pressions, vise à comprendre les types de relations qui s’établissent entre eux. Pour soumettre un solide à de très hautes pressions, l’instrument habituel des physiciens est la cellule à enclumes de diamant, dans laquelle l’échantillon est comprimé entre deux monocristaux de diamant et confiné radial [...]

Principe et dimensions caractéristiques d’une cellule à enclumes de diamant

Dessin : Principe et dimensions caractéristiques d’une cellule à enclumes de diamant

Les enclumes de diamant sont creusées d'une cavité microscopique dont la forme est déterminante pour l'obtention de hautes pressions. L'échantillon, ici l'hydrogène solide, est introduit dans la cellule ensuite scellée par un joint métallique. La pression est exercée sur la face externe... 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

Afficher

1  2  3  4  5
pour nos abonnés,
l’article se compose de 9 pages

Médias de l’article

Interprétation des raies du spectre de l’hydrogène

Interprétation des raies du spectre de l’hydrogène
Crédits : Encyclopædia Universalis France

dessin

Les modèles successifs de l’atome

Les modèles successifs de l’atome
Crédits : Encyclopædia Universalis France

dessin

Expérience de Rutherford

Expérience de Rutherford
Crédits : Encyclopædia Universalis France

dessin

Exemple de diagramme de phase de l’hydrogène

Exemple de diagramme de phase de l’hydrogène
Crédits : Encyclopædia Universalis France

dessin

Afficher les 9 médias de l'article


Écrit par :

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

Classification

Autres références

«  HYDROGÈNE  » est également traité dans :

HYDROGÈNE

  • Écrit par 
  • Paul HAGENMULLER
  •  • 3 569 mots
  •  • 6 médias

L'hydrogène est un gaz inodore et incolore ; c'est le plus léger de tous les éléments chimiques. Son numéro atomique est égal à 1. Il perd son électron unique dans ses combinaisons avec les éléments non-métalliques ; il s'unit également avec les métaux pour donner des hydrures dans lesquels il peut jouer le rôle d'anion (H-). Enfin les composés les plus nombreux et notamment […] Lire la suite

DÉCOUVERTE DE L'HYDROGÈNE PAR CAVENDISH

  • Écrit par 
  • Bernard PIRE
  •  • 727 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 1er janvier 1766 des Philosophical […] Lire la suite

ACIDO-BASIQUE ÉQUILIBRE

  • Écrit par 
  • Pierre KAMOUN
  •  • 2 973 mots
  •  • 1 média

Dans le chapitre « Le bilan des ions hydrogène H+ »  : […] Les entrées sont constituées par les apports alimentaires et métaboliques. 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 + ). Le métabolisme cellulaire est également une source d'ions H +  : acides cétoniques, acide lactique, et surtout acide carbonique, terme u […] Lire la suite

AMMONIAC

  • Écrit par 
  • Henri GUÉRIN
  •  • 5 053 mots
  •  • 5 médias

Dans le chapitre « Production d'ammoniac »  : […] L'ammoniac, fixé à l'état de sulfate ou de phosphate d'ammonium lors du traitement des gaz de fours à coke, ne représente qu'un faible pourcentage de l'ammoniac préparé par synthèse directe ; celui-ci constitue donc la base de l'industrie des engrais azotés. Il s'agit là d'une fabrication très importante et en pleine expansion ; sa production annuelle mondiale était en effet de l'ordre de 100 mil […] Lire la suite

ARCHÉES ASGARD

  • Écrit par 
  • Patrick FORTERRE
  •  • 3 796 mots
  •  • 3 médias

Dans le chapitre « Prometheoarchaeum synthrophicum : la première archée Asgard mise en culture »  : […] Ce scénario a été accueilli avec enthousiasme par de nombreux évolutionnistes. Réussir à cultiver une archée Asgard est donc devenu une priorité pour vérifier si ces organismes, dont les génomes sont désormais connus, correspondent bien à une étape intermédiaire entre procaryotes et Eucaryotes. Dans cette compétition entre équipes de recherche, celle de Ken Takai au Japon était particulièrement bi […] Lire la suite

ASTROCHIMIE

  • Écrit par 
  • David FOSSÉ, 
  • Maryvonne GERIN
  •  • 4 380 mots
  •  • 3 médias

Dans le chapitre « La chimie sur les grains de poussière interstellaire »  : […] En plus des PAH, il existe dans l'espace toute une gamme de particules solides contenant du carbone. Fullerènes, graphite, suies, nanotubes et même diamants (de quelques nanomètres) constituent probablement une partie des poussières interstellaires (cf. figure) . Les grains de silicates, formés dans les enveloppes d'étoiles en fin de vie, riches en oxygène, sont au moins aussi importants. Le rôle […] Lire la suite

ATMOSPHÈRE - Chimie

  • Écrit par 
  • Marcel NICOLET
  •  • 3 574 mots
  •  • 5 médias

Dans le chapitre « Les constituants hydrogénés et la chimie mésosphérique »  : […] Il y a quelque trente ans que l'on sait combien la chimie de la stratosphère dépend des réactions qui apparaissent dans une atmosphère d'oxygène et d'hydrogène. La présence de l'atome d'hydrogène donne lieu aux réactions : Le processus (15) a été reconnu comme une réaction d'une extrême importance, car elle donne lieu à une molécule OH* excitée qui retourne à son état normal par une suite d'émiss […] Lire la suite

ATOME

  • Écrit par 
  • José LEITE LOPES
  •  • 9 246 mots
  •  • 15 médias

Dans le chapitre « Atome et classification périodique »  : […] Le Hamiltonien d'un atome à Z électrons peut être écrit sous une forme approximative telle que ses fonctions propres – les orbitales atomiques – soient déterminées par les quatre nombres quantiques de chaque électron A : Si un tel atome se trouve à l'état fondamental, tous ses électrons doivent être dans un état dont l'énergie est la plus basse possible. La spectroscopie montre que l'état fondamen […] Lire la suite

BOHR ATOME DE

  • Écrit par 
  • Bernard PIRE
  •  • 370 mots
  •  • 1 média

Deux ans après avoir soutenu sa thèse sur la théorie électronique des métaux, le physicien danois Niels Bohr (1885-1962) écrit en 1913 trois articles fondamentaux qui révolutionnent la compréhension de la structure de la matière. Le premier, paru le 5 avril dans le Philosophical Magazine , est titré « Sur la constitution des atomes et des molécules ». Bohr prend pour point de départ la découvert […] Lire la suite

ATOMIQUE PHYSIQUE

  • Écrit par 
  • Philippe BOUYER, 
  • Georges LÉVI
  •  • 6 703 mots
  •  • 1 média

Dans le chapitre « Le modèle de Bohr »  : […] En 1913, Bohr développa une théorie très ingénieuse des atomes qui associait la mécanique classique et les idées de quantification. Un système atomique ne peut exister qu'à certaines valeurs discrètes de l'énergie, appelées niveaux d'énergie et notés E 1 , E 2 ,... , E i ,... Ces énergies sont déterminées en modifiant la mécanique classique par des conditions de quantification : seules les énerg […] Lire la suite

Voir aussi

Pour citer l’article

Bernard PIRE, « HYDROGÈNE (physique) », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 23 mai 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/hydrogene-physique/