Hydrogène
GÉNÉRALITÉS :
L'hydrogène gazeux ou dihydrogène est le résultat de la combinaison de deux atomes d'hydrogène H, soit la molécule de formule H2 (aux conditions normales de température et de pression).
L'hydrogène est l'élément le plus abondant de l'Univers : 75 % en masse et 92 % en nombre d'atomes.
Les nuages d'hydrogène sont à la base du processus de la formation des étoiles.
Il a donc un rôle vital dans l'Univers par l'intermédiaire des réactions proton-proton et du "cycle de Bethe" (cycle catalytique CNO : carbone-azote-oxygène), qui sont deux voies de réactions de fusion thermonucléaire qui créent d'énormes quantités d'énergie en combinant quatre atomes d'hydrogène pour former un atome d'hélium. Il est le principal constituant du Soleil (75% en masse) et de la plupart des étoiles et nébuleuses.
Dans la croûte terrestre, l'hydrogène représente 0,22 % des atomes, loin derrière l'oxygène (47 %) et le silicium (27 %).
Par ailleurs, il représente 0,55 ppmv (en volume) des gaz atmosphériques.
Il est surtout le principal constituant (en nombre d'atomes) de toute matière vivante, associé au carbone dans tous les composés organiques. Par exemple, l'hydrogène représente 63 % des atomes et 10 % de la masse du corps humain.

Masse atomique de l'atome H : 1,00794 ± 0,00007 u
Masse molaire de 1H2 : 2,01588 ± 0,00014 g mol-1 (H 100 %).

Isotopes les plus connus de l'atome H :

Nota : un atome de tritium est présent pour 1018 atomes d’hydrogène; le quadrium est l'isotope le plus instable de l'hydrogène, à émission de neutron. Sa demi-vie est ultracourte : 1,39 × 10-22 secondes.

Sur Terre, il est généré à partir des hydrocarbures (pétrole et ses dérivés), et à partir de l'eau dont les molécules sont composées de deux atomes d'hydrogène et d'un atome d'oxygène [ H2O ] ; mais la plupart des matières organiques, comme celle qui constitue les êtres vivants, le pétrole et le gaz naturel, sont des sources d'hydrogène
(le méthane CH4 qui est un produit de la décomposition des matières organiques, est de plus en plus utilisé comme source d'hydrogène > lien interne sur le méthane).

Il est également présent dans de nombreuses molécules : sucre, protéines, hydrocarbures.

Nota : À très basse pression et très haute température l'hydrogène est un gaz monoatomique (donc de formule H), c'est notamment le cas du gaz interstellaire ou intergalactique. En raison de l'immensité de ces espaces et malgré la très faible densité du gaz, l'hydrogène monoatomique constitue près de 75 % de la masse baryonique de l'univers.

Chimie de l'hydrogène.
L'hydrogène se combine avec la plupart des autres éléments car il possède une électronégativité moyenne (2,2) et peut ainsi former des composés avec des éléments métalliques ou non-métalliques.
Les liaisons que l'atome d'hydrogène H peut établir peuvent être de trois sortes :

Propriétés de l'hydrogène diatomique H2.
L'hydrogène est un un gaz incolore, inodore et extrêmement inflammable.

Aux conditions "normales" de pression, c'est un gaz beaucoup plus léger que l'air : 0,08988 kg/m3 (CNTP, 1013,25 hPa et 0 °C).

Il se liquéfie à T = -252,87°C (20,28 K), sous P = 1atm. Masse volumique : 70,973 kg/m3.
C'est proche du point d'ébullition de l'hydrogène liquide > -252,8 °C (20,35 K)

Le point de fusion de H2 solide (hydrogène congelé "metallique") est de -259,14 °C (14.01 K), et donc c'est aussi le point de solidification de l'H2 liquide.

Le point triple se situe à T = -259,3°C (13,7 K) et P = 72,05 hPa (72 mbar), et se trouve bien inférieur à la pression atmosphérique ("normale" à 1013,25 hPa ou 1013 mbar), donc l'hydrogène liquide (et solide) ne peut exister aux pressions et températures classiques sur la Terre.

Le Point Critique se situe à Pc = 1, 298 MPa ( 12,98 bar ) et Tc = -240°C [33 K] .

La combustion de H2 avec l'oxygène O2, qui produit de l'eau, est particulièrement violente et très exothermique : son pouvoir calorifique est de 141,86 MJ kg-1 (39,41 kWh kg-1) contre, par exemple, seulement 49,51 MJ kg-1 (13,75 kWh kg-1) pour le butane C4H10.
Cette propriété en fait un carburant de choix pour les engins spatiaux mais rend son stockage dangereux. La même oxydation plus lente est utilisée pour produire du courant électrique dans les piles à combustible.

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Diagramme des phases
Gaz<>liquide


Diagramme de phases gaz/liquide/solide


(Pamb et Tamb : pression et température ambiante)

Quelques caractéristiques :

Utilisation.


Divers.
Température d'auto-inflammation dans l'air : 560 °C (833 K).
Limites d'inflammabilité dans l'air (conditions normales TPN) : 4 -75 % vol

Le stockage gazeux sous forme comprimé (actuellement 350 bars ou 35 MPa) permet d'atteindre une densité massique satisfaisante avec des réservoirs composites. La densité volumique de stockage reste faible: une pression de 700 bars (70 MPa) est nécessaire pour rendre la technologie compétitive.
Le stockage liquide à -253°C (20 K) sous 10 bars (1 MPa) permet d'atteindre des densités volumique et massique intéressantes mais nécessite des réservoirs à l'isolation thermique afin de minimiser l'évaporation.

Effet sur l'homme.
H2 n'est pas un gaz toxique mais asphyxiant.
Lien sur la sécurité (fichier pdf).

Téléchargement des Fiches Techniques de Sécurité - Air Liquide (fichiers pdf) : H2 comprimé et H2 liquide (réfrigéré).


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