HYDROGÈNE

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 tous les composés organiques hydrogénés sont des composés covalents.

L'hydrogène est probablement l'élément le plus abondant de l'univers, mais il ne représente que 0,9 p. 100 en poids de la croûte terrestre en raison de la faiblesse de l'attraction de la Terre par rapport à d'autres astres.

La concentration de l'hydrogène dans l'atmosphère jusqu'à une altitude de 80 kilomètres (troposphère et stratosphère) est sensiblement constante (10^-5) ; elle augmente considérablement dans l'exosphère.

Isotopes et formes allotropiques

Trois isotopes sont connus. L'hydrogène (symbole H) léger, dont le noyau est formé uniquement d'un proton, est de loin le plus répandu. Le deutérium (symbole D), dont le noyau contient également un neutron, n'existe qu'à un taux de 0,015 p. 100 dans l'hydrogène naturel. Le tritium (symbole T), dont le noyau contient un second neutron, est un isotope artificiel.

Le deutérium est obtenu à partir de l' eau lourde D₂O, elle-même préparée par électrolyses successives de solutions aqueuses (l'électrolyse favorise le départ de l'hydrogène H₂, donc l'enrichissement en D₂O). Alors que pour les éléments plus lourds les propriétés physiques des isotopes et de leurs composés sont très voisines et les propriétés chimiques indiscernables, il n'en est pas de même pour H et D grâce à un rapport des masses atomiques sensiblement égal à 2. L'eau lourde bout à 101,4 ⁰C et se solidifie à 3,8 ⁰C, sa masse volumique à 25 ⁰C est 1,1046 g ( cm^-3 au lieu de 0,9970 g . cm^-3 pour l'eau ordinaire. La molécule de deutérium, dont l'énergie de vibration à 0 K est inférieure d'un facteur √2 à celle de l'hydrogène, possède une énergie de dissociation de 439,5 kJ . mole^-1 à cette température, au lieu de 431,9 kJ . mole^-1 pour H₂. Il en résulte une plus faible réactivité chimique pour D₂. Ce résultat peut être étendu aux liaisons C − D et C − H : la bromuration de l'acétone est environ sept fois plus lente dans le premier cas que dans le second. Le deutérium est utilisé pour marquer des groupements privilégiés en spectroscopie ou en cinétique organiques et les identifier ultérieurement.

Le tritium est généralement obtenu par bombardement neutronique du ⁶Li :

Il se désintègre, avec une période relativement courte (12,4 ans), en donnant une émission β.

Les isotopes lourds de l'hydrogène sont les principaux constituants des réactions de fusion au sein de la bombe H :

Une réaction analogue peut être obtenue sans passage par le tritium par bombardement aux neutrons du deutériure de lithium.

Les réactions de fusion mettent en jeu des énergies considérables, mille fois supérieures environ aux réactions de fission. Mais elles ne sont possibles que lorsque les noyaux ont franchi la barrière de potentiel qui les sépare ; ce franchissement exige pour le moment l'explosion préalable d'une bombe à ²³⁵U.

Les molécules d'hydrogène existent sous deux formes allotropiques : l'hydrogène ortho, dans lequel les spins des noyaux sont parallèles, et l'hydrogène para, où ils sont antiparallèles. À température élevée, la proportion d'ortho-hydrogène est de 75 p. 100, elle diminue graduellement avec la température. La transformation est totale à l'état liquide, mais elle exige un certain temps : comme elle est exothermique, elle pose des problèmes de conservation pour l'hydrogène liquide[...]

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Écrit par

Paul HAGENMULLER : professeur à la faculté des sciences de Bordeaux, directeur du Laboratoire de chimie du solide au C.N.R.S.

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Pour citer cet article

Paul HAGENMULLER. HYDROGÈNE [en ligne]. In Encyclopædia Universalis. Disponible sur : (consulté le )

HAGENMULLER, P.. HYDROGÈNE. Encyclopædia Universalis. (consulté le )

HAGENMULLER, Paul. « HYDROGÈNE ». Encyclopædia Universalis. Consulté le .

HAGENMULLER, Paul. « HYDROGÈNE ». Encyclopædia Universalis [en ligne], (consulté le )

Médias

Hydrures : différentes classes - crédits : Encyclopædia Universalis France — Hydrures : différentes classes

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Énergie de la liaison H-X - crédits : Encyclopædia Universalis France — Énergie de la liaison H-X

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Hydrures covalants : température d'ébullition - crédits : Encyclopædia Universalis France — Hydrures covalants : température d'ébullition

Encyclopædia Universalis France

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Autres références

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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
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