Hydrogène

Hydrogène
1 H
- ↑ H ↓ Li Tableau périodique - ← → hydrogène hélium
Apparence
gaz incolore Lueur pourpre dans son état de plasma Raies spectrales de l'hydrogène
Propriétés générales
Nom, symbole, nombre	un atome d'hydrogène, H, 1
Prononciation	/ h aɪ ré r ə dʒ ə n / -Jən de HY
Élément Catégorie	non métalliques
Groupe, période, bloc	1 , 1, s
Poids atomique standard	1,008 (1)
Configuration électronique	1s une 1
Histoire
Découverte	Henry Cavendish (1766)
Nommé par	Antoine Lavoisier (1783)
Propriétés physiques
Couleur	incolore
Phase	gaz
Densité	(0 ° C, 101,325 kPa) 0,08988 g / L
Liquid densité au mp	0,07 (0,0763 solide) g · cm -3
Liquid densité à BP	0,07099 g · cm -3
Point de fusion	14,01 K , -259,14 ° C, -434,45 ° F
Point d'ébullition	20,28 K, -252,87 ° C, -423,17 ° F
Point triple	13,8033 K (-259 ° C), 7,042 kPa
Point critique	32,97 K, 1,293 MPa
La chaleur de fusion	(H 2) 0,117 kJ · mol -1
Chaleur de vaporisation	(H 2) 0,904 kJ · mol -1
Capacité thermique molaire	(H 2) 28,836 J · mol -1 · K -1
La pression de vapeur
P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k à T (K) 15 20
Propriétés atomiques
États d'oxydation	1, -1 (Oxyde amphotère)
Électronégativité	2,20 (échelle de Pauling)
énergies d'ionisation	1er: 1312,0 kJ · mol -1
Rayon covalente	31 ± 17 heures
Rayon de Van der Waals	120 h
Miscellanées
Crystal structure	hexagonal
Ordre magnétique	diamagnétique
Conductivité thermique	0,1805 W · m -1 · K -1
Vitesse du son	(Gaz, 27 ° C) 1310 m · s -1
Numéro de registre CAS	1333-74-0
La plupart des isotopes stables
Article détaillé: Isotopes de l'hydrogène
iso N / A demi-vie DM DE ( MeV) DP 1 H 99,985% 1 H est stable avec 0 neutrons 2 H 0,015% 2 H est stable avec une neutrons 3 H trace 12,32 y β - 0,01861 3 Il

L'hydrogène est un élément chimique avec symbole H et de numéro atomique 1. Avec un poids atomique de 1,007 9 4 u (1,007 8 25 u pour l'hydrogène-1 ), l'hydrogène est l'élément le plus léger et sa forme monoatomique (H ₁₎ est le plus substance chimique abondante, constituant environ 75% de l'Univers de masse baryonique. Non- résiduelles étoiles sont principalement composés d'hydrogène dans son plasma État.

À température et pression normales, est un atome d'hydrogène incolore, inodore, insipide, non-toxique, non métallique hautement combustible diatomic gaz avec le formule moléculaire H _2. Naturellement de l'hydrogène atomique est rare sur la Terre parce que l'hydrogène forme facilement composés covalentes avec la plupart des éléments non métalliques et est présent dans la molécule d'eau et dans la plupart des composés organiques . L'hydrogène joue un rôle particulièrement important dans la chimie acide-base avec de nombreuses réactions échange de protons entre les molécules solubles.

En composés ioniques, il peut prendre une charge négative (un anion connu comme un et écrit comme l'hydrure H ^-), ou comme une charge positive espèce H ^+. Cette dernière cation est écrit comme composé d'un proton nu, mais en réalité, les cations d'hydrogène dans composés ioniques se produisent toujours des espèces plus complexes.

Le plus commun des isotopes de l'hydrogène est protium (nom rarement utilisé, symbole ¹ H) avec un seul proton et aucun neutrons . Comme l'atome le plus simple connu, le un atome d'hydrogène a été de l'utilisation théorique. Par exemple, en tant que seul atome neutre avec une solution analytique pour la Équation de Schrödinger, l'étude de l'énergétique et la liaison de l'atome d'hydrogène a joué un rôle clé dans le développement de la mécanique quantique .

Le gaz hydrogène a été produit artificiellement dans le début du 16ème siècle, par le mélange des métaux avec des acides forts. En 1766-1781, Henry Cavendish était le premier à reconnaître que le gaz d'hydrogène était une substance discrète, et qu'il produit de l'eau lorsqu'il est brûlé, une propriété qui plus tard, il a donné son nom: en grec, l'hydrogène signifie «eau-ancien".

La production industrielle est principalement de reformage à la vapeur du gaz naturel, et moins souvent de plus forte intensité énergétique des méthodes de production d'hydrogène comme le électrolyse de l'eau. La plupart hydrogène est utilisé à proximité de son site de production, avec les deux plus grandes utilisations étant combustibles fossiles traitement (par exemple, hydrocraquage) et l'ammoniac production, principalement pour le marché des engrais.

L'hydrogène est une préoccupation dans la métallurgie comme il peut fragiliser de nombreux métaux, ce qui complique la conception des pipelines et des réservoirs de stockage.

Propriétés

Combustion

Le Navette spatiale Moteur principal brûlé hydrogène avec l'oxygène, produisant une flamme presque invisible à pleine poussée.

L'hydrogène gazeux (dihydrogène ou de l'hydrogène moléculaire) est hautement inflammable et brûlera dans l'air à une très large gamme de concentrations entre 4% et 75% en volume. Le enthalpie de combustion à l'hydrogène est -286 kJ / mol:

2 H ₂ (g) + O ₂ (g) → 2 H ₂ O (l) + 572 kJ (286 kJ / mole)

formes de gaz d'hydrogène des mélanges explosifs avec l'air si elle est de 4 à 74% avec du chlore concentré et si elle est 5-95% concentré. Les mélanges explosent spontanément par étincelle, chaleur ou au soleil. L'hydrogène température d'auto-allumage, la température de combustion spontanée dans l'air, est de 500 ° C (932 ° F). Pures flammes hydrogène-oxygène émettent ultraviolet lumière et sont presque invisibles à l'œil nu, comme illustré par le faible panache de la Navette spatiale Moteur principal par rapport au panache très visible d'un Navette spatiale Rocket Booster solide. La détection d'une fuite d'hydrogène brûlant peut nécessiter une détecteur de flamme; telles fuites peuvent être très dangereux. Le la destruction du dirigeable Hindenburg était un exemple tristement célèbre de la combustion de l'hydrogène; la cause est débattue, mais les flammes visibles étaient le résultat d'un mélange riche en hydrogène à l'oxygène qui produit une flamme visible.

H ₂ réagit avec chaque élément oxydant. L'hydrogène peut réagir spontanément et violemment à température ambiante avec du chlore et du fluor pour former les halogénures d'hydrogène correspondant, du chlorure d'hydrogène et le fluorure d'hydrogène, qui sont également potentiellement dangereux acides .

Les niveaux d'énergie d'électrons

Représentation d'un atome d'hydrogène, avec la taille de proton central représenté, et le diamètre atomiques représentés par environ deux fois la Rayon de Bohr modèle (image pas à l'échelle).

Le état fondamental niveau de l'électron dans un atome d'hydrogène de l'énergie est -13,6 eV, ce qui équivaut à un rayonnement ultraviolet photon d'environ 92 longueur d'onde nm.

Les niveaux d'hydrogène d'énergie peuvent être calculées en utilisant assez fidèlement la Modèle de Bohr de l'atome, qui conceptualise l'électron comme "orbite" du proton par analogie avec l'orbite de la Terre du Soleil Cependant, la force électromagnétique attire les électrons et de protons à l'autre, tandis que les planètes et les objets célestes sont attirés les uns aux autres par gravité . En raison de la discrétisation de moment angulaire postulé au début de la mécanique quantique par Bohr, l'électron dans le modèle de Bohr ne peut occuper certaines distances possibles à partir du proton, et donc que certaines énergies autorisés.

Une description plus précise de l'atome d'hydrogène provient d'un traitement mécanique purement quantique qui utilise le Équation de Schrödinger ou Feynman Intégrale de chemin pour calculer le densité de probabilité de l'électron autour du proton. Les traitements les plus complexes permettent pour les petits effets de la relativité restreinte et polarisation du vide. Dans le traitement de la mécanique quantique, l'électron dans un atome d'hydrogène à l'état du sol n'a pas de moment angulaire au All illustre à quel point le "orbite planétaire" conception de mouvement des électrons diffère de la réalité.

Formes moléculaires élémentaires

Premières traces observées dans un atome d'hydrogène liquide chambre à bulles à la Bevatron

Il existe deux différentes isomères de spin de l'hydrogène des molécules diatomiques qui diffèrent par le rapport rotation de leurs noyaux. Dans le orthohydrogène forme, les spins des deux protons sont parallèles et forment un état triplet avec un nombre quantique de spin moléculaire de 1 (½ + ½); dans le former parahydrogène les spins sont antiparallèles et forment un maillot avec un nombre quantique de spin moléculaire de 0 (½-½). À température et pression standard, de l'hydrogène gazeux contient environ 25% de la forme para et 75% de la forme ortho, aussi connu comme la "forme normale". Le ratio d'équilibre de orthohydrogène à parahydrogène dépend de la température, mais parce que la forme est un ortho état excité et a une énergie plus élevée que la forme de para, il est instable et ne peut être purifié. À très basse température, l'état d'équilibre est composé presque exclusivement de la forme para. Les liquides et en phase gazeuse propriétés thermiques de parahydrogène pur diffèrent considérablement de celles de la forme normale en raison des différences dans les capacités de chaleur de rotation, comme nous le verrons plus en détail dans isomères de spin d'hydrogène. L'ortho / para distinction se produit également dans d'autres molécules contenant de l'hydrogène ou des groupes fonctionnels, tels que l'eau et méthylène, mais est de peu d'importance pour leurs propriétés thermiques.

L'interconversion non catalysée entre para et ortho H ₂ augmente avec la température; H ainsi condensé rapidement ₂ contient de grandes quantités de la forme de l'ortho-haute énergie qui convertit la forme para très lentement. Le rapport ortho / para de H ₂ condensée est une considération importante dans la préparation et le stockage de l'hydrogène liquide: la conversion du para est ortho par rapport à exothermique et produit suffisamment de chaleur pour évaporer une partie du liquide d'hydrogène, conduisant à une perte de matière liquéfiée. Catalyseurs pour l'interconversion ortho-para, tels que l'oxyde ferrique, carbone platiné, l'amiante, les métaux des terres rares, des composés d'uranium activés, l'oxyde de chrome, ou des composés de nickel, sont utilisés pendant le refroidissement de l'hydrogène.

Phases

• Hydrogène comprimé
• L'hydrogène liquide
• Hydrogène pâteux
• Un atome d'hydrogène massif
• Hydrogène métallique

Composés

Covalente des composés organiques et

Alors que H ₂ ne est pas très réactif dans des conditions standard, elle forment des composés avec la plupart des éléments. L'hydrogène peut former des composés avec des éléments qui sont plus électronégatif, tel que des halogènes (par exemple, F, Cl, Br, I), ou l'oxygène ; dans ces composés donneurs d'hydrogène prend une charge positive partielle. Lorsque lié à un atome de fluor , de l'oxygène ou de l'azote , de l'hydrogène peut participer à une forme de moyenne force liaison non covalente appelée une liaison hydrogène, qui est essentielle à la stabilité de beaucoup de molécules biologiques. L'hydrogène se forme également des composés avec des éléments électronégatifs moins, comme les métaux et métalloïdes, dans lequel il prend une charge négative partielle. Ces composés sont souvent appelés hydrures.

L'hydrogène forme une vaste gamme de composés avec le carbone appelé hydrocarbures, et une gamme encore plus vaste avec hétéroatomes que, en raison de leur association générale avec les choses de la vie, sont appelés composés organiques . L'étude de leurs propriétés est connu comme la chimie organique et leur étude dans le contexte de la vie organismes est connu comme la biochimie . Selon certaines définitions, composés "organiques" ne sont tenus de contenir du carbone. Cependant, la plupart d'entre eux contiennent également de l'hydrogène, et parce que ce est la liaison carbone-hydrogène, qui donne à cette classe de composés la plupart de ses caractéristiques chimiques particulières, liaisons carbone-hydrogène sont nécessaires dans certaines définitions du mot «biologique» en chimie. Des millions de les hydrocarbures sont connus, et ils sont habituellement formés par des voies de synthèse complexes, qui impliquent rarement hydrogène élémentaire.

Hydrures

Composés d'hydrogène sont souvent appelés hydrures, un terme qui est utilisé assez lâche. Le terme «hydrure» indique que l'atome de H a acquis un caractère négatif ou anionique, notée H ^-, et est utilisé lors de l'hydrogène forme un composé avec une plus élément électropositif. L'existence de l'anion hydrure, suggérée par Gilbert Lewis en 1916 pour le groupe I et II hydrures de type sel, a été démontrée par Moers en 1920 par l'électrolyse fondu de l'hydrure de lithium (LiH), produisant un la quantité stoechiométrique d'hydrogène à l'anode. Pour hydrures autres que métaux du groupe I et II, le terme est assez trompeuse, compte tenu du faible électronégativité d'hydrogène. Une exception dans le groupe des hydrures II est BeH _2, qui est polymère. Dans l'hydrure de lithium aluminium , le AlH -
4 anion porte centres hydrurés fermement attachées à l'Al (III).

Bien que les hydrures peuvent être formés avec presque tous les éléments de groupe principal, le nombre et la combinaison de composés possibles varient considérablement; par exemple, il ya plus de 100 hydrures de borane binaires connus, mais seulement un hydrure d'aluminium binaire. Binary indium hydrure n'a pas encore été identifié, bien que de plus grands complexes existent.

En chimie inorganique , les hydrures peuvent également servir de ligands de pontage qui pointent deux centres métalliques dans un complexe de coordination. Cette fonction est particulièrement fréquente dans groupe 13 éléments, en particulier dans boranes ( bore hydrures) et aluminium complexes, ainsi que dans cluster carboranes.

Les protons et les acides

L'oxydation de l'hydrogène et supprime son électron donne H ^+, qui ne contient pas d'électrons et un noyau qui est généralement composé d'un proton. Ce est pourquoi H ⁺ est souvent appelé un proton. Cette espèce est au centre de la discussion des acides . Sous le La théorie de Bronsted-Lowry, acides sont donneurs de protons, tandis que les bases sont accepteurs de protons.

Un proton nu, H ^+, ne peut pas exister en solution ou en cristaux ioniques, en raison de son attraction irrésistible à d'autres atomes ou des molécules avec des électrons. Sauf à des températures élevées associées à des plasmas, ces protons ne peuvent pas être retirés de la nuages d'électrons des atomes et des molécules, et restera attaché à eux. Cependant, le terme «protons» est parfois utilisé de façon imprécise et métaphorique pour désigner chargé positivement ou cationique hydrogène attaché à d'autres espèces de cette façon, et comme tel est notée «H ^+» sans aucune implication que les protons simples existent librement comme une espèce .

Pour éviter l'implication de la nu "proton solvaté" en solution, les solutions aqueuses acides sont parfois considérés comme contenant une espèce fictifs moins improbables, appelés le " ion hydronium "(H ₃ O ^+). Cependant, même dans ce cas, ces cations hydrogène solvatées sont pensés de façon plus réaliste physiquement être organisés en groupes qui forment espèces près de ₉ H O +
4. Autres ions oxonium se trouvent quand l'eau est en solution avec d'autres solvants.

Bien exotique sur Terre, l'un des ions les plus courants dans l'univers est le H +
3 ions, connu sous le nom hydrogène moléculaire protoné ou le cation trihydrogen.

Isotopes

décharge d'hydrogène (spectre) Tube

décharge de deutérium (spectre) Tube

Protium, le plus commun isotope de l'hydrogène, a un proton et un électron. Unique parmi tous les isotopes stables, il n'a pas de neutrons (voir diproton pour une discussion sur pourquoi les autres ne existent pas).

L'hydrogène a trois isotopes naturels, notée ¹ H, ² H et ³ H. D'autres noyaux, très instables ⁽⁴ H à ⁷ H) ont été synthétisés en laboratoire mais pas observé dans la nature.

• ¹ H est isotope de l'hydrogène le plus commun avec une abondance de plus de 99,98%. Parce que le noyau de cet isotope est constitué d'un seul proton, on lui donne le descriptif, mais rarement utilisé nom officiel protium.
• ² H, l'autre isotope stable de l'hydrogène, est connu sous le nom deutérium et contient un proton et un neutron dans son noyau. Essentiellement, tous deutérium dans l'univers est pensé pour avoir été produite au moment du Big Bang , et a enduré depuis ce temps. Le deutérium est pas radioactif, et ne représente pas un risque de toxicité significative. L'eau enrichie en deutérium qui comprennent des molécules d'hydrogène à la place normale est appelée eau lourde. Deutérium et ses composés sont utilisés comme un marqueur non radioactif dans des expériences chimiques et dans des solvants pendant ¹ h - spectroscopie RMN . L'eau lourde est utilisée comme modérateur de neutrons et de refroidissement pour les réacteurs nucléaires. Le deutérium est aussi un carburant potentiel commercial la fusion nucléaire.
• ³ H est connu que tritium et contient un proton et deux neutrons dans son noyau. Il est radioactif, se désintégrant en hélium-3 par désintégration bêta avec une demi-vie de 12,32 années. Il est si radioactif qui peut être utilisé dans peinture lumineuse, ce qui est utile dans des choses telles que les montres. Le verre empêche la petite quantité de rayonnement de sortir. De petites quantités de tritium présents naturellement en raison de l'interaction des rayons cosmiques avec les gaz atmosphériques; tritium a également été libéré au cours de essais d'armes nucléaires. Il est utilisé dans les réactions de fusion nucléaire, en tant que traceur dans géochimie isotopique, et spécialisée dans appareils autoalimentés éclairage. Le tritium est également utilisé dans les expériences de marquage chimiques et biologiques en tant que radioactif.

L'hydrogène est le seul élément qui a des noms différents pour ses isotopes à usage commun aujourd'hui. Au cours de la première étude de la radioactivité, les différents isotopes radioactifs lourds ont reçu leur nom, mais ces noms ne sont plus utilisés, sauf pour le deutérium et le tritium. Les symboles D et T (au lieu de ² H et ³ H) sont parfois utilisés pour le deutérium et le tritium, mais le symbole correspondant pour protium, P, est déjà utilisé pour le phosphore et ne est donc pas disponible pour protium. Dans ses nomenclature des lignes directrices, le Union internationale de chimie pure et appliquée permet tout de D, T, H ^2, H ³ et à utiliser, bien que ² H ³ et H, sont préférés.

Histoire

Découverte et utilisation

En 1671, Robert Boyle découvert et décrit la réaction entre le fer et diluer les dépôts acides , ce qui résulte en la production d'hydrogène gazeux. En 1766, Henry Cavendish était le premier à reconnaître le gaz d'hydrogène comme une substance discrète, en nommant le gaz à partir d'une réaction acide-métal "air inflammable". Il a spéculé que «air inflammable» était en fait identique à la substance hypothétique appelé " phlogistique »et autre conclusion en 1781 que le gaz produit de l'eau lorsqu'il est brûlé. Il est habituellement donné crédit pour sa découverte comme un élément. En 1783, Antoine Lavoisier a donné l'élément le nom hydrogène (du grec ὕδρω hydro-dire les gènes d'eau et γενῆς intentionnés créateur) quand lui et Laplace reproduit la conclusion de Cavendish que l'eau est produite lorsque l'hydrogène est brûlé.

Antoine-Laurent de Lavoisier

Lavoisier produit l'hydrogène pour ses célèbres expériences sur la conservation de masse par réaction d'un flux de vapeur avec métallique de fer à travers un tube de fer à incandescence chauffé dans un incendie. Oxydation anaérobie de fer par les protons de l'eau à haute température peut être schématiquement représenté par l'ensemble des réactions suivantes:

Fe + H ₂ O → FeO + H ₂

2 Fe + 3 H ₂ O → Fe ₂ O ₃ + 3 H ₂

3 Fe + 4 H ₂ O → Fe ₃ O ₄ + 4 H ₂

De nombreux métaux tels que le zirconium subissent une réaction similaire avec de l'eau conduisant à la production d'hydrogène.

L'hydrogène était liquéfié pour la première fois par James Dewar en 1898 en utilisant refroidissement régénératif et son invention, le fiole à vide. Il produit hydrogène solide l'année suivante. Le deutérium a été découvert en Décembre 1931 par Harold Urey, et tritium a été préparé en 1934 par Ernest Rutherford , Mark Oliphant, et Paul Harteck. L'eau lourde, qui se compose de deutérium dans la place de l'hydrogène régulière, a été découvert par le groupe de Urey en 1932. François Isaac de Rivaz a construit le premier moteur à combustion interne alimenté par un mélange d'hydrogène et d'oxygène en 1806. Edward Daniel Clarke a inventé la sarbacane de gaz d'hydrogène en 1819. Le Briquet Döbereiner et projecteurs ont été inventés en 1823.

La première hydrogène remplis ballon a été inventé par Jacques Charles en 1783. hydrogène fourni l'ascenseur pour la première forme fiable de l'air-Voyage 1852 suite à l'invention du premier dirigeable à hydrogène soulevé par Henri Giffard. Comte allemand Ferdinand von Zeppelin a promu l'idée de dirigeables rigides levée par hydrogène qui plus tard ont été appelé Zeppelins; dont la première a eu son premier vol en 1900. Vols réguliers a commencé en 1910 et par le déclenchement de la Première Guerre mondiale en Août 1914, ils avaient réalisé 35 000 passagers sans incident grave. dirigeables à hydrogène levé ont été utilisés comme plates-formes d'observation et des bombardiers pendant la guerre.

La première traversée de l'Atlantique sans escale a été faite par le dirigeable britannique R34 en 1919. service régulier de passagers repris dans les années 1920 et la découverte de l'hélium réserves aux Etats-Unis ont promis une sécurité accrue, mais le gouvernement américain a refusé de vendre le gaz à cet effet. Par conséquent, H ₂ a été utilisé dans la Hindenburg dirigeable, qui a été détruit dans un incendie vol au-dessus New Jersey le 6 mai 1937. L'incident a été diffusé en direct à la radio et filmé. Inflammation d'une fuite d'hydrogène est largement supposé être la cause, mais les enquêtes ultérieures a souligné l'allumage de la aluminisé revêtement de tissus par électricité statique. Mais les dommages à la réputation de l'hydrogène comme gaz de gonflage était déjà fait.

Dans la même année le premier turbogénérateur d'hydrogène refroidi est entré en service avec de l'hydrogène gazeux comme liquide de refroidissement dans le rotor et le stator en 1937 à Dayton, Ohio, par le Power & Light Co Dayton, en raison de la conductivité thermique de gaz d'hydrogène ce est le type le plus commun dans son domaine aujourd'hui.

Le la batterie nickel-hydrogène a été utilisé pour la première fois en 1977 à bord de la technologie de navigation du satellite-2 de l'US Navy (NTS-2). Par exemple, l' ISS , Mars Odyssey et de la Mars Global Surveyor sont équipés de batteries nickel-hydrogène. Dans la partie sombre de son orbite, le télescope spatial Hubble est également alimenté par des batteries nickel-hydrogène, qui ont finalement été remplacés en mai 2009, plus de 19 ans après son lancement, et 13 ans au cours de leur durée de vie.

Rôle dans la théorie quantique

raies du spectre d'émission de l'hydrogène dans la gamme visible. Ce sont les quatre lignes visibles de la Série de Balmer

En raison de sa structure atomique relativement simple, ne comportant que l'un proton et un électron, la atome d'hydrogène, ainsi que le spectre de la lumière produite à partir de ce ou absorbé par celui-ci, est au centre de l'élaboration de la théorie de atomique structure. En outre, la simplicité correspondant de la molécule d'hydrogène et le cation correspondant H ₂ ⁺ a permis une compréhension plus approfondie de la nature de la liaison chimique , qui a suivi peu de temps après le traitement mécanique quantique de l'atome d'hydrogène a été développé au milieu des années 1920.

Un des premiers effets quantiques à explicitement remarqué (mais pas compris à l'époque) était une observation Maxwell impliquant l'hydrogène, un demi-siècle avant la pleine théorie quantique mécanique arrivé. Observer que la Maxwell la capacité thermique spécifique de H ₂ se écarte inexplicable de celle d'un gaz diatomique dessous de la température ambiante et on commence à ressembler de plus en plus celui d'un gaz monoatomique à des températures cryogéniques. Selon la théorie quantique, ce comportement résulte de l'écartement des (quantifiées) les niveaux d'énergie de rotation, qui sont particulièrement large-espacés dans H ₂ en raison de sa faible masse. Ces niveaux largement espacés inhibent partage égal de l'énergie de la chaleur en mouvement de rotation dans l'hydrogène à basse température. Gaz diatomiques composées d'atomes plus lourds ne ont pas de tels niveaux largement espacées et ne présentent pas le même effet.

Occurrence naturelle

NGC 604, un géant région d'hydrogène ionisé dans le Galaxie du Triangle

L'hydrogène, sous forme de H atomique, est la plus abondant élément chimique dans l'univers, constituant 75% du la matière normale par la masse et plus de 90% en nombre d'atomes (plus de la masse de l'univers, cependant, ne est pas sous la forme de produits chimiques de type élément question, mais plutôt de se produire est postulé formes encore-non détectés de masse tels que matière noire et énergie sombre). Cet élément se trouve en abondance dans les étoiles et les géantes gazeuses planètes. Les nuages moléculaires de H ₂ sont associés à la formation des étoiles. L'hydrogène joue un rôle essentiel dans la mise sous tension étoiles grâce réaction proton-proton et Cycle CNO la fusion nucléaire.

Tout au long de l'univers, l'hydrogène se trouve principalement dans les atomiques et plasma Etats dont les propriétés sont tout à fait différent de l'hydrogène moléculaire. Comme un plasma, l'électron et du proton de l'hydrogène ne sont pas liés entre eux, ce qui entraîne une conductivité électrique très haute et haute émissivité (production de la lumière du Soleil et d'autres étoiles). Les particules chargées sont fortement influencés par les champs magnétiques et électriques. Par exemple, dans le vent solaire dont ils interagissent avec la Terre magnétosphère donnant lieu à Courants de Birkeland et la aurora. L'hydrogène se trouve dans l'état atomique neutre dans le milieu interstellaire. La grande quantité d'hydrogène neutre trouvés dans les systèmes Lyman-alpha amorties est pensé pour dominer la densité baryonique cosmologique de l' Univers jusqu'à redshift z = 4.

Dans les conditions ordinaires de la Terre, l'hydrogène élémentaire existe que le gaz diatomique, H ₂ (voir les données de la table). Cependant, le gaz d'hydrogène est très rare dans l'atmosphère de la Terre (une ppm par volume) en raison de son poids léger, ce qui lui permet de échapper à la gravité terrestre plus facilement que les gaz plus lourds. Cependant, l'hydrogène est le troisième élément le plus abondant sur la surface de la Terre, la plupart du temps sous la forme de composés chimiques tels que hydrocarbures et de l'eau. De l'hydrogène gazeux est produit par des bactéries et des algues et est un composant naturel de flatulences, comme ce est le méthane , elle-même une source d'importance croissante d'hydrogène.

Une forme moléculaire appelé hydrogène moléculaire protonée (H ⁺ ₃₎ se trouve dans le milieu interstellaire, où il est généré par l'ionisation de l'hydrogène moléculaire à partir de les rayons cosmiques. Ce ion chargé a également été observé dans la haute atmosphère de la planète Jupiter . L'ion est relativement stable dans l'environnement de l'espace en raison de la basse température et de la densité. H ₃ ⁺ est l'un des ions les plus abondants dans l'Univers, et il joue un rôle notable dans la chimie du milieu interstellaire. Neutre triatomique hydrogène H ₃ ne peut exister que sous une forme excité et est instable. En revanche, le positif ion moléculaire de l'hydrogène (H ₂ ⁺⁾ est une molécule rare dans l'univers.

Production

H ₂ est produit dans la chimie et de biologie, souvent comme un sous-produit d'autres réactions; dans l'industrie pour l' hydrogénation de substrats insaturés; et dans la nature en tant que moyens d'expulsion réduire équivalents dans les réactions biochimiques.

Laboratoire

Dans le laboratoire, H ₂ est habituellement préparé par la réaction d'diluée acides non oxydant sur certains métaux réactifs tels que le zinc avec L'appareil de Kipp.

Zn + 2 H ⁺ → Zn ²⁺ + H ₂

Aluminium peut également produire H ₂ lors d'un traitement avec des bases:

2 Al + 6 H ₂ O + 2 OH ^- → 2 Al (OH) -
4 + 3 H ₂

Le électrolyse de l'eau est une méthode simple de production d'hydrogène. Un courant de faible tension est exécutée à travers l'eau, et les formes de l'oxygène gazeux à la anode tandis que les formes de l'hydrogène gazeux à la cathode. Typiquement, la cathode est faite de platine ou autre métal inerte lors de la production de l'hydrogène pour le stockage. Si, cependant, le gaz doit être brûlé sur place, l'oxygène est souhaitable pour aider la combustion, et donc les deux électrodes serait faite à partir de métaux inertes. (Fer, par exemple, serait se oxyder, et ainsi diminuer la quantité d'oxygène qui se dégage.) L'efficacité théorique maximale (de l'électricité utilisée par rapport à la valeur énergétique de l'hydrogène produit) est de l'ordre de 80 à 94%.

2 H ₂ O (l) → 2 H ₂ (g) + O ₂ (g)

En 2007, il a été découvert que l'alliage d'aluminium et de gallium sous forme de granulés ajouté à l'eau pourrait être utilisée pour produire de l'hydrogène. Le procédé crée aussi de l'alumine , mais le gallium coûteux, ce qui empêche la formation d'une pellicule d'oxyde sur les pastilles, peut être réutilisé. Ceci a des implications potentielles importantes pour une économie de l'hydrogène, que l'hydrogène peut être produit sur place et n'a pas besoin d'être transportés.

Industriel

L'hydrogène peut être préparé de plusieurs manières différentes, mais économiquement processus les plus importants impliquent l'élimination de l'hydrogène à partir d'hydrocarbures. L'hydrogène en vrac commerciale est généralement produit par la reformage à la vapeur du gaz naturel . A des températures élevées (1000-1400 K, 700-1100 ou 1300-2000 ° C ° F), la vapeur (vapeur d'eau) réagit avec le méthane pour donner du monoxyde de carbone et de H _2.

CH ₄ + H ₂ O → CO + 3 H ₂

Cette réaction est favorisée à basse pression, mais est néanmoins mené à des pressions élevées (2,0 MPa, 20 atm ou 600 inHg). Ce est parce que haute pression H ₂ est le produit le plus commercialisable et Pressure Swing Adsorption (PSA) systèmes de purification fonctionnent mieux à des pressions supérieures. Le mélange de produit est connu comme " gaz de synthèse ", car elle est souvent utilisée directement pour la production de méthanol et de composés apparentés. Les hydrocarbures autres que le méthane peuvent être utilisées pour produire du gaz de synthèse avec des rapports variables de produits. L'une des nombreuses complications à cette technologie hautement optimisé est la formation de coke ou de carbone:

CH ₄ → C + ₂ H 2

Par conséquent, reformage à la vapeur généralement emploie un excès de H ₂ O. Hydrogène supplémentaire peut être récupéré à partir de la vapeur par utilisation d'oxyde de carbone à travers le réaction de déplacement du gaz à l'eau, surtout avec un catalyseur d'oxyde de fer. Cette réaction est également une source industrielle commune de dioxyde de carbone :

CO + H ₂ O → CO ₂ + H ₂

Autres méthodes importantes pour H ₂ production comprennent l'oxydation partielle d'hydrocarbures:

2 CH ₄ + O ₂ → 2 CO + 4 H ₂

et la réaction de charbon, qui peut servir de prélude à la réaction de déplacement ci-dessus:

C + H ₂ O → CO + H ₂

L'hydrogène est parfois produite et consommée dans le même processus industriel, sans être séparés. Dans le Procédé Haber pour la la production de l'ammoniac, de l'hydrogène est généré à partir du gaz naturel. L'électrolyse de de la saumure pour donner du chlore produit également de l'hydrogène en tant que co-produit.

Thermochimique

Il existe plus de 200 cycles thermochimiques qui peuvent être utilisés pour décomposition de l'eau, autour d'une douzaine de ces cycles comme le cycle de l'oxyde de fer, cycle de cérium (IV) oxyde de cérium (III) de l'oxyde, cycle de zinc-oxyde de zinc, cycle de soufre-iode, cuivre-chlore et le cycle cycle du soufre hybride sont l'objet de recherches et en essai de phase pour produire de l'hydrogène et l'oxygène de l'eau et de la chaleur sans utiliser l'électricité. Un certain nombre de laboratoires (y compris en France, Allemagne, Grèce, Japon et Etats-Unis) sont au point des méthodes thermochimiques de production d'hydrogène à partir de l'énergie solaire et de l'eau.

Corrosion anaérobie

Dans des conditions anaérobies, le fer et les alliages d'acier sont lentement oxydés par les protons de l'eau de façon concomitante réduit à l'hydrogène moléculaire (H _2). Le corrosion anaérobie de fer conduit d'abord à la formation de hydroxyde ferreux (rouille verte) et peut être décrite par la réaction suivante:

Fe + 2 H ₂ O → Fe (OH) ₂ + H ₂

A son tour, dans des conditions anaérobies, la l'hydroxyde ferreux (Fe (OH) ₂₎ peut être oxydé par les protons de l'eau pour former la magnétite et de l'hydrogène moléculaire. Ce procédé est décrit par la Schikorr réaction:

3 Fe (OH) ₂ → Fe ₃ O ₄ + H 2 O ₂ + H ₂

hydroxyde ferreux → magnétite + eau + hydrogène

La magnetite ainsi cristallisé (Fe ₃ O ₄₎ est thermodynamiquement plus stable que l'hydroxyde ferreux (Fe (OH) _2).

Ce processus se produit au cours de la corrosion anaérobie de fer et de l'acier en sans oxygène et l'eau souterraine dans la réduction de sols en dessous de la nappe phréatique.

Occurrence géologique: la réaction de serpentinisation

En l'absence d'oxygène atmosphérique (O _2), dans des conditions qui prévalent en couches géologiques profondes loin de l'atmosphère terrestre, de l'hydrogène (H ₂₎ est produit au cours du processus de serpentinisation par l'oxydation anaérobie par les protons de l'eau (H ⁺⁾ de la ferreux (Fe ²⁺⁾ de silicate présente dans le réseau cristallin du fayalite (Fe ₂ SiO _4, le olivine fer poles). La réaction correspondant conduisant à la formation de la magnétite (Fe ₃ O _4), le quartz (SiO ₂₎ et d'hydrogène (H ₂₎ est le suivant:

3 Fe ₂ SiO ₄ + 2 H ₂ O → 2 Fe ₃ O ₄ + 3 SiO ₂ + 3 H ₂

fayalite + eau → magnétite + quartz + hydrogène

Cette réaction ressemble étroitement à la réaction de Schikorr observé dans l'oxydation anaérobie de la hydroxyde ferreux en contact avec de l'eau.

Formation dans les transformateurs

De tous les gaz de défaut formés au pouvoir transformateurs, de l'hydrogène est le plus courant et est générée sous la plupart des conditions de défaut; Ainsi, la formation d'hydrogène est une indication précoce de problèmes graves dans le cycle de vie du transformateur.

Applications

Consommation dans les processus

De grandes quantités de H ₂ sont nécessaires dans les industries pétrolières et chimiques. L'application la plus importante de H ₂ est de traitement ("mise à jour") de combustibles fossiles, et dans la production de l'ammoniac . Les principaux consommateurs de H ₂ dans l'usine pétrochimique comprennent hydrodésalkylation, hydrodésulfuration, et hydrocraquage. H ₂ a plusieurs autres utilisations importantes. H ₂ est utilisé comme un agent d'hydrogénation, en particulier en augmentant le niveau de saturation des graisses insaturées et huiles (trouvé dans des articles tels que la margarine), et dans la production de methanol . Il est de même la source d'hydrogène dans la fabrication de l'acide chlorhydrique . H ₂ est également utilisé en tant que l'agent de réduction métallique minerais.

L'hydrogène est très soluble dans de nombreux terre rares et métaux de transition et est soluble à la fois dans et nanocristallin métaux amorphes. Hydrogène solubilité dans les métaux est influencée par des distorsions locales ou impuretés dans le réseau cristallin.Ces propriétés peuvent être utiles lorsque l'hydrogène est purifié par passage à travers chaudespalladiumdisques, mais forte solubilité du gaz est un problème métallurgique, de contribuer à lafragilisation de nombreux métaux, ce qui complique la conception des pipelines et des réservoirs de stockage.

En dehors de son utilisation en tant que réactif, H ₂ a de larges applications en physique et en ingénierie. Il est utilisé en tant que gaz de protection en soudage des méthodes telles que le soudage d'hydrogène atomique. H ₂ est utilisé comme liquide de refroidissement du rotor en générateurs électriques à des centrales électriques, car il a la plus grande conductivité thermique de tout gaz. Liquid H ₂ est utilisé dans la recherche cryogénique, y compris la supraconductivité études. Parce que H ₂ est plus léger que l'air, ayant un peu plus de ¹ / ₁₅ de la densité de l'air, il a été autrefois largement utilisé comme gaz de levage dans des ballons et dirigeables .

Dans les applications plus récentes, l'hydrogène est utilisé pur ou en mélange avec de l'azote (parfois appelé gaz de formation) en tant que gaz traceur pour la détection des fuites minute. Les applications peuvent être trouvés dans les industries automobile, chimique, production d'électricité, de l'aérospatiale et des télécommunications. L'hydrogène est un additif alimentaire autorisé (E 949) qui permet les tests de fuite de l'emballage alimentaire, entre autres propriétés anti-oxydant.

Isotopes rares de l'hydrogène sont également dotées d'applications spécifiques.deutérium (hydrogène-2) est utilisé dansdes applications de la fission nucléaire commemodérateur pour ralentirles neutrons, et les réactions de fusion nucléaire.de composés de deutérium avoir des applications dans la chimie et de la biologie dans les études de réactioneffets isotopiques.tritium (hydrogène-3 ), produit dansles réacteurs nucléaires, est utilisé dans la production debombes à hydrogène, comme un marqueur isotopique dans les sciences biologiques, et en tant quesource de rayonnement lumineux dans les peintures.

Le triple température du point d'équilibre de l'hydrogène est un point fixe sur la définitionéchelle de température ITS-90 à 13,8033kelvins.

Liquide de refroidissement

L'hydrogène est couramment utilisé dans les centrales électriques comme liquide de refroidissement dans les générateurs en raison d'un certain nombre de propriétés favorables qui sont une conséquence directe de ses molécules diatomiques lumière. Ceux-ci comprennent une faible densité , une faible viscosité, et la plus élevée chaleur spécifique et conductivité thermique de tous les gaz.

support de l'énergie

L'hydrogène est pas une ressource d'énergie, sauf dans le contexte hypothétique commerciales centrales de fusion nucléaire à l'aide de deutérium ou tritium, une technologie actuellement loin de développement. L'énergie du Soleil provient de la fusion nucléaire de l'hydrogène, mais ce processus est difficile à réaliser de manière contrôlée sur la Terre. Hydrogène élémentaire à partir de sources solaires, biologiques, ou électriques nécessitent plus d'énergie pour faire que ce qui est obtenue par la combustion, donc dans ces fonctions cas de l'hydrogène comme vecteur d'énergie, comme une batterie. L'hydrogène peut être obtenu à partir de sources fossiles (comme le méthane), mais ces sources ne sont pas viables.

Le la densité d'énergie par unité de volume à la fois de l'hydrogène liquide et l'hydrogène gazeux comprimé à une pression possible est significativement inférieure à celle des sources de carburant traditionnelles, bien que la densité d'énergie par unité de carburant de masse est plus élevé. Néanmoins, l'hydrogène élémentaire a été largement discuté dans le contexte de l'énergie, comme un possible futur support de l'énergie à l'échelle de l'économie. Par exemple, CO ₂ séquestration suivie de la capture et du stockage du carbone pourrait être menée au point de H ₂ production à partir de combustibles fossiles. L'hydrogène utilisé dans les transports brûlerait relativement propre, avec quelques NO _X émissions, mais sans émissions de carbone. Toutefois, les coûts d'infrastructure associés à la conversion complète vers une économie de l'hydrogène seraient considérables.

industrie des semi-conducteurs

Hydrogène est utilisé pour saturer cassées ("pendantes") des obligations de silicium amorphe et carbone amorphe qui permet de stabilisation des propriétés des matériaux. Il est également un potentiel donneur d'électrons dans divers matériaux d'oxydes, notamment ZnO, SnO ₂ , CdO, MgO, ZrO ₂ , HfO ₂ , La ₂ O ₃ , Y ₂ O ₃ , TiO ₂ , SrTiO ₃ , LaAlO ₃ , SiO ₂ , Al ₂ O ₃ , ZrSiO ₄ , HfSiO ₄ , et SrZrO ₃ .

Réactions biologiques

H ₂ est un produit de certains types de métabolisme anaérobie et est produite par plusieurs micro-organismes, le plus souvent par des réactions catalysées par le fer - ou nickel contenant enzymes appelés hydrogénases. Ces enzymes catalysent l'réversible réaction d'oxydoréduction entre H ₂ et ses composants deux protons et deux électrons. Création d'hydrogène gazeux se produit dans le transfert des équivalents réducteurs produits au cours de pyruvate fermentation à l'eau.

séparation de l'eau, dans lequel de l'eau est décomposée en ses composants protons, les électrons, et de l'oxygène, se produit dans les réactions claires dans toutes les photosynthétiques organismes. Certains de ces organismes, y compris l'algue Chlamydomonas reinhardtii et les cyanobactéries, ont évolué dans une deuxième étape, les réactions sombres, dans lequel les protons et les électrons sont réduits pour former H ₂ en gaz hydrogénases spécialisés dans le chloroplaste. Des efforts ont été entrepris pour modifier génétiquement des hydrogénases de cyanobactéries pour synthétiser efficacement H ₂ gaz, même en présence d'oxygène. Des efforts ont également été entrepris avec génétiquement modifié algue dans un bioréacteur.

Sécurité et précautions

Hydrogène pose un certain nombre de dangers pour la sécurité humaine, de potentiels détonations et les feux lorsqu'il est mélangé avec l'air d'être un asphyxiant dans son pur oxygène forme exempt. En outre, l'hydrogène liquide est un cryogène et présente des dangers (tels que des gelures) associés avec des liquides très froids. L'hydrogène se dissout dans de nombreux métaux, et, en plus de fuite, peuvent avoir des effets néfastes sur les, telles que la fragilisation par l'hydrogène, ce qui conduit à des fissures et des explosions. Hydrogène fuite de gaz dans l'air extérieur peut enflammer spontanément. En outre, le feu d'hydrogène, tout en étant extrêmement chaud, est presque invisible, et peut donc conduire à des brûlures accidentelles.

Même l'interprétation des données d'hydrogène (y compris les données de sécurité) est confondu par un certain nombre de phénomènes. De nombreuses propriétés physiques et chimiques de l'hydrogène dépend du rapport parahydrogène / de orthohydrogène (il faut souvent des jours ou des semaines à une température donnée pour atteindre le rapport d'équilibre, pour laquelle les données sont généralement mentionné). paramètres de détonation de l'hydrogène, tels que la pression et la température critique de détonation, dépendent fortement de la géométrie du récipient.