Sciences · Chimie
L’hydrogène
L’hydrogène est l’élément chimique le plus simple et le plus léger : symbole H, numéro atomique 1, un proton et un électron. Il forme environ les trois quarts de la masse de la matière ordinaire de l’Univers.
Mis à jour le 5 min de lecture
Premier élément du tableau périodique, premier formé après le Big Bang, combustible des étoiles, constituant de l’eau et de toutes les molécules du vivant : l'hydrogène est partout. Sur Terre, il n’existe presque jamais seul ; on doit le fabriquer, ce qui est au cœur des débats sur son rôle dans la transition énergétique.
Carte d’identité
| Propriété | Valeur |
|---|---|
| Symbole, numéro atomique | H, 1 |
| Masse atomique | 1,008 (le plus léger des éléments) |
| Structure | un proton, un électron (pas de neutron pour l’isotope principal) |
| Ébullition du dihydrogène | −252,9 °C (20,3 K) |
| Fusion du dihydrogène | −259,2 °C |
| Masse volumique du gaz (0 °C, 1 atm) | 0,09 g/L, environ 14 fois moins que l’air |
| Isotopes | protium ¹H, deutérium ²H (D), tritium ³H (T, radioactif) |
Le dihydrogène est un gaz incolore, inodore, non toxique, mais extrêmement inflammable : il brûle dans l’air sur une très large plage de concentrations (environ 4 à 75 %), avec une flamme presque invisible en plein jour.
Abondance
- Dans l’Univers, l’hydrogène représente environ 74 % de la masse de la matière ordinaire et environ 90 % des atomes. Les étoiles sont faites surtout d’hydrogène, qu’elles transforment en hélium par fusion (voir Soleil et fission et fusion nucléaires). Jupiter et Saturne en sont aussi principalement composées.
- Sur Terre, il est presque toujours lié à d’autres éléments : dans l'eau (H₂O, où il représente 11 % de la masse), les hydrocarbures et toutes les molécules organiques. Le dihydrogène libre est rarissime dans l’atmosphère, car ce gaz très léger s’échappe dans l’espace. Des gisements naturels souterrains (« hydrogène blanc ») sont étudiés, par exemple en Lorraine.
- Dans le corps humain, il représente environ 10 % de la masse et plus de 60 % des atomes.
La découverte
En 1766, le Britannique Henry Cavendish isole le gaz produit par l’action d’acides sur des métaux, qu’il appelle « air inflammable », et constate que sa combustion produit de l’eau. En 1783, Antoine Lavoisier le nomme hydrogène, du grec hudôr, « eau », et gennân, « engendrer » : « qui engendre l’eau ». La même année, Jacques Charles fait voler à Paris le premier ballon gonflé à l’hydrogène.
Les réactions de l’hydrogène
- Combustion :
2 H₂ + O₂ → 2 H₂O. Elle ne produit que de l’eau et libère beaucoup d’énergie. Test classique au laboratoire : une petite détonation (« jappement ») à l’approche d’une flamme. - Acides : un acide libère des ions H⁺ (voir acides, bases et pH).
- Synthèse de l’ammoniac :
N₂ + 3 H₂ ⇌ 2 NH₃, base des engrais (voir catalyseur). - Liaison hydrogène : attraction entre un atome d’hydrogène et un atome très électronégatif voisin (oxygène, azote). Elle explique les propriétés exceptionnelles de l'eau et tient ensemble les deux brins de l’ADN.
Comment produit-on l’hydrogène ?
On désigne souvent les modes de production par des couleurs, sans définition officielle unique.
| Appellation | Procédé | Émissions de CO₂ |
|---|---|---|
| Gris | vaporeformage du gaz naturel (méthane + vapeur d’eau à haute température) | élevées, environ 10 kg de CO₂ par kg d’hydrogène |
| Noir ou brun | gazéification du charbon | très élevées |
| Bleu | hydrogène gris avec captage et stockage du CO₂ | réduites |
| Vert (ou renouvelable) | électrolyse de l’eau avec de l’électricité renouvelable | quasi nulles |
| Bas carbone | électrolyse avec de l’électricité nucléaire | quasi nulles |
| Blanc (naturel) | extraction de gisements souterrains | faibles, filière en exploration |
Aujourd’hui, l’immense majorité de l’hydrogène mondial est produite à partir d’énergies fossiles, surtout de gaz naturel ; l’électrolyse reste très minoritaire, car elle est plus coûteuse.
À quoi sert l’hydrogène ?
Les usages actuels
Plus de 90 millions de tonnes d’hydrogène sont consommées chaque année dans le monde, principalement pour :
- le raffinage du pétrole (désulfuration des carburants) ;
- la production d'ammoniac pour les engrais ;
- la fabrication du méthanol et d’autres produits chimiques.
Un vecteur d’énergie
L’hydrogène n’est pas une source d’énergie primaire mais un vecteur, comme l’électricité : il faut de l’énergie pour le produire, qu’il restitue ensuite.
- Pile à combustible : elle combine hydrogène et oxygène pour produire de l’électricité, de la chaleur et de l’eau, sans combustion. Elle équipe des véhicules, des bus, des trains et des engins de manutention.
- Combustion : dans des turbines, des fours industriels ou des moteurs de fusée (l’hydrogène liquide associé à l’oxygène liquide propulse de nombreux lanceurs).
- Acier bas carbone : l’hydrogène peut remplacer le charbon pour réduire le minerai de fer.
Atouts et limites
| Atouts | Limites |
|---|---|
| Énergie massique très élevée : environ 120 MJ/kg, près de trois fois celle de l’essence | très faible densité : stockage sous 350 à 700 bars ou liquéfié à −253 °C |
| Aucune émission de CO₂ à l’utilisation (seulement de l’eau) | pertes d’énergie importantes entre production, stockage et utilisation |
| Stockage possible de l’électricité renouvelable excédentaire | inflammabilité et fuites (molécule très petite), fragilisation de certains métaux |
| production encore majoritairement fossile |
L’hydrogène et les ballons
Plus léger que l’air, il servit à gonfler les ballons et les dirigeables. L’incendie du dirigeable allemand Hindenburg à Lakehurst (États-Unis), le 6 mai 1937, qui fit 36 morts, mit fin à l’ère des grands dirigeables à hydrogène. On utilise aujourd’hui l’hélium, ininflammable (voir gaz nobles).
Questions fréquentes
Quelle est la différence entre hydrogène et dihydrogène ?
L’hydrogène est l’élément (atome H) ; le dihydrogène est la molécule H₂, le gaz. Dans l’usage courant, on parle d’hydrogène pour les deux.
L’hydrogène est-il une énergie propre ?
À l’utilisation, oui : il ne rejette que de l’eau. Mais son bilan dépend de sa production, aujourd’hui majoritairement issue du gaz naturel et émettrice de CO₂. Produit par électrolyse avec une électricité décarbonée, il devient bas carbone.
Pourquoi l’hydrogène est-il le premier élément du tableau périodique ?
Parce que son noyau ne compte qu’un seul proton : son numéro atomique est 1, le plus petit possible.
L’hydrogène est-il dangereux ?
Il n’est pas toxique, mais il est très inflammable et peut former des mélanges explosifs avec l’air. Son stockage et son transport obéissent à des règles de sécurité strictes.