Hydrogène
> NUMÉRO ATOMIQUE 1
> MASSE ATOMIQUE 1u
Groupe
1
Famille
Non-métaux
État physique naturel
Le dihydrogène est un gaz incolore et inodore. L’atome d’hydrogène est l’élément chimique le plus simple.
Étymologie
Lavoisier l’a nommé "hydrogène", du grec hydro qui veut dire eau et gennan, engendrer.
Découverte
Le gaz hydrogène, H2 ou dihydrogène, a été mis en évidence par le britannique Henry Cavendish en 1766. Celui-ci l’a appelé "air inflammable" car il brûle en présence d’oxygène et forme de la vapeur d’eau. Le dihydrogène est appelé "hydrogène" dans le langage courant.
Propriétés et généralités
L’hydrogène présent sur Terre est presque totalement constitué de l’isotope stable (protium) 1H comportant un proton et aucun neutron. Il existe un autre isotope stable (deutérium) 2H, comportant un proton et un neutron. Le troisième isotope (tritium), 3H, instable, de l’hydrogène est produit par des réactions nucléaires. Il comporte un proton et deux neutrons. Sur Terre, l’hydrogène est surtout présent sous forme d’eau, liquide, solide ou gazeuse.
Dans l’Univers, l’hydrogène est l’élément le plus léger et le plus abondant (75% de la masse de l’Univers) et le principal constituant de la plupart des étoiles, et donc du Soleil, mais aussi de la matière interstellaire et intergalactique. C’est également le composant primordial des planètes géantes.
Utilisations
Actuellement l’hydrogène est quasi-exclusivement utilisé pour des usages industriels – fabrication de fibres textiles, industrie du verre, circuits imprimés électroniques, métallurgie, production d’ammoniac – et le raffinage des produits pétroliers, en particulier pour obtenir des carburants plus propres par élimination du soufre. C’est également le carburant des lanceurs spatiaux.
Dans l’avenir, l’hydrogène pourrait devenir très utilisé dans le domaine des énergies renouvelables et propres. Dans le secteur des transports, l’hydrogène utilisé dans une pile à combustible permet de produire de l’électricité directement à bord d’un véhicule propulsé par un moteur électrique. Ces véhicules à « zéro émission locale » ne rejettent que de l’eau. Le principal problème demeure la production de l’hydrogène. Si l’on veut en faire une énergie vraiment « propre » il faut que sa production le soit également. Or, actuellement, la majeure partie de la production d’hydrogène se fait à partir de gaz naturel, dont le méthane principalement. Mais l’hydrogène pourrait aussi être produit par électrolyse de l’eau en utilisant par exemple l’électricité excédentaire issue des sources d’énergie alternatives comme l’éolien ou le solaire. L’hydrogène est très léger, donc très volumineux, et se pose alors la question de son stockage. La méthode la plus simple consiste à augmenter sa pression (habituellement 700 bar, soit 700 fois la pression atmosphérique) pour en diminuer le volume et ainsi pouvoir le transporter dans un véhicule. D’autres pistes pourraient être le stockage sous forme liquide, donc à très basses températures ou sous forme solide conservée dans un autre matériau comme dans les galettes d’alliages de magnésium.
Hydrogène au volant
Quoi de neuf dans les labos ?
Pour alimenter des sites en électricité en l’absence de réseau, la start-up fondée par des chercheurs de FCLab commercialise des générateurs électriques à hydrogène, qui associent une pile à combustible à un moyen de stockage. Une solution hybride optimisée, silencieuse et respectueuse de l’environnement.
Avec sa haute énergie par unité de masse, le dihydrogène est un vecteur idéal pour la production d’énergie. Il s’obtient par électrolyse de l’eau, une réaction qui réclame le passage d’un courant électrique entre deux électrodes: une anode et une cathode. Les anodes en silicium présentent de nombreux avantages, mais ont besoin de lumière et s’usent particulièrement vite. Des chercheurs ont développé une nouvelle technique pour les rendre plus efficaces, plus résistantes et moins chères.
Concevoir à l’échelle atomique des dispositifs quantiques dont on contrôle les propriétés est un enjeu important des nanosciences. A partir d’une surface de silicium hydrogénée, des chercheurs du CNRS ont façonné un dispositif de boîtes quantiques et, à l’aide de simulations numériques, ont pu comprendre et analyser les couplages entre ces boîtes qui sont à l’origine des propriétés du dispositif.
Une équipe franco-chilienne vient de mettre en évidence l’existence probable, dans le manteau terrestre profond, d’une réaction s’accompagnant de la production d’eau. Ce nouveau mécanisme de production d’hydrogène sous la forme d’eau pourrait être à l’origine de phénomènes de magmatisme dans le manteau inférieur et de modifications de l’état mécanique et d’oxydo-réduction du manteau très profond. Cette réaction conduit en outre à la formation de substances carbonées qui pourraient être à même de transporter du dioxyde de carbone superficiel jusqu’au au noyau de la Terre.
En simulant sur ordinateur le piégeage de la molécule d’ammoniac dans des clathrates hydrates, une équipe de physiciens hongrois et d’astrophysiciens français ont montré que le clathrate hydrate d’ammoniac pouvait être stable à basse température (jusqu’à 200K) dans des conditions typiques de certains environnements planétaires ou du milieu interstellaire, confirmant ainsi les résultats d’une étude expérimentale, pourtant contre intuitive, publiée quelques années auparavant.
La production de bio-hydrogène, un biocarburant de 3e génération, à partir de la dégradation de la biomasse constitue une opportunité pour la production d’énergie renouvelable sans émission de gaz à effet de serre. Des chercheurs ont mis en évidence des interactions physiques et métaboliques au sein d’un consortium bactérien impliqué dans la dégradation de la biomasse. Ces interactions permettent aux bactéries de se développer dans des conditions de stress nutritionnel, et augmentent la production de bio-hydrogène. Ces travaux ouvrent la voie à de nouvelles approches pour la production contrôlée de bio-hydrogène à partir de la biomasse.
Les piles à combustible offrent une alternative aux énergies fossiles pour la production d’électricité. La nécessité d’utiliser des métaux rares et trop facilement contaminés pour accélérer les réactions de conversion de l’énergie chimique en énergie électrique reste néanmoins un frein à un développement à large échelle. Pourquoi ne pas s’inspirer de la nature pour trouver des solutions moins coûteuses et plus durables ?
Au cours de la photosynthèse, certaines microalgues produisent de l’hydrogène, via une enzyme, l’hydrogénase, qui utilise l’énergie photosynthétique. Toutefois, l’hydrogénase est inhibée par l’oxygène produit par la photosynthèse, ce qui limite fortement les potentielles applications biotechnologiques. Des enzymes utilisant l’énergie photosynthétique pour capter l’oxygène semblaient pouvoir protéger l’hydrogénase d’une telle inhibition. Des chercheurs ont mis en évidence que ces enzymes sont en fait un frein à la production d’hydrogène.
La voiture à hydrogène, c’est la promesse de véhicules « zéro émission ». Appelée plus précisément « véhicule électrique à pile à combustible », elle fonctionne à l’électricité. Comme la voiture électrique classique, dont le nom exact est « voiture électrique à batterie ». La différence étant que, dans un véhicule à hydrogène, l’électricité est produite directement à bord, à partir d’hydrogène, par une pile à combustible (PAC).
Le projet européen MobyPost /FCH JU- AAP 2009 prend en considération toute la chaîne de la production à la consommation à travers la solution « du soleil à la roue ». Ceci est réalisé à travers le développement de deux stations de production d’hydrogène, grâce à l’électrolyse de l’eau à partir de l’énergie solaire photovoltaïque.