L'hydrogène est l'élément chimique de numéro atomique 1, de symbole H. L'hydrogène présent sur Terre est presque entièrement constitué de l'isotope stable ¹H (un proton, zéro neutron), mais comporte environ 0,01 % de ²H (un proton, un neutron), stable également. Un troisième isotope ³H (un proton, deux neutrons), instable, est produit dans les explosions nucléaires. Ces trois isotopes sont respectivement appelés protium, deutérium et tritium.

L'hydrogène peut avoir les nombres d'oxydation 0 (dihydrogène H₂ ou hydrogène métallique), +I (dans la plupart de ses composés chimiques) et –I (dans les hydrures métalliques). L'hydrogène est un élément électropositif, fréquemment ionisé à l'état H⁺ ou H₃O⁺. Mais il forme aussi des liaisons covalentes, notamment dans l'eau et la matière organique.

L'hydrogène est le principal constituant du Soleil et de la plupart des étoiles (dont l'énergie provient de la fusion thermonucléaire de cet hydrogène), et de la matière interstellaire ou intergalactique. C'est un composant majeur des planètes géantes, sous forme métallique au cœur de Jupiter et de Saturne, et sous la forme de dihydrogène solide, liquide ou gazeux dans leurs couches plus externes et dans les autres planètes géantes. Sur Terre il est surtout présent à l'état d'eau liquide, solide (glace) ou gazeuse (vapeur d'eau), mais il se trouve aussi dans les émanations de certains volcans sous forme H₂ et de méthane CH₄.

Ce gaz a été mis en évidence par Cavendish en 1766, qui l'a appelé « air inflammable » parce qu'il brûle ou explose en présence de l'oxygène, où il forme de la vapeur d'eau. Lavoisier a désigné ce gaz par le nom hydrogène, composé du préfixe « hydro », du grec ὕδωρ (hudôr) signifiant « eau », et du suffixe « gène », du grec γεννᾰν (gennan), « engendrer »^[6]. Il s'agit du gaz de formule chimique H₂ dont le nom scientifique est désormais dihydrogène.

Le dihydrogène est toujours appelé « hydrogène » dans le langage courant.

Abondance

L'hydrogène est l'élément le plus abondant de l'Univers : 75 % en masse et 92 % en nombre d'atomes. Il est présent en grande quantité dans les étoiles et les planètes gazeuses ; il est également le composant principal des nébuleuses et du gaz interstellaire.

Dans la croûte terrestre, l'hydrogène ne représente que 0,22 % des atomes, loin derrière l'oxygène (47 %) et le silicium (27 %)^[7]. Il est rare également dans l'atmosphère terrestre, puisqu'il ne représente en volume que 0,55 ppm des gaz atmosphériques. Sur Terre, la source la plus commune d'hydrogène est l'eau, dont la molécule est constituée de deux atomes d'hydrogène et d'un atome d'oxygène ; l'hydrogène 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^[7].

Sous de très faibles pressions, comme celles qui existent dans l'espace, l'hydrogène a tendance à exister sous forme d'atomes individuels car il n'entre pas en collision avec d'autres atomes pour se combiner. Les nuages d'hydrogène sont à la base du processus de la formation des étoiles.

L'atome d'hydrogène

L'hydrogène est l'élément chimique le plus simple ; son isotope le plus commun est constitué seulement d'un proton et d'un électron. L'hydrogène est l'atome le plus léger. Comme il ne possède qu'un électron, il ne peut former qu'une liaison covalente : c'est un atome univalent.

Cependant, l'hydrogène solide peut être métallique lorsqu'il se trouve sous très haute pression. Il cristallise alors avec une liaison métallique (voir hydrogène métallique). Dans le tableau périodique des éléments, il se trouve dans la colonne des métaux alcalins. N'étant toutefois pas présent dans cet état sur Terre, il n'est pas considéré comme un métal en chimie.

La section efficace de capture de l'hydrogène (200 mb aux neutrons thermiques et 0,04 mb aux neutrons rapides)^[8] est suffisamment faible pour permettre l'utilisation de l'eau comme modérateur et réfrigérant des réacteurs nucléaires.

Mécanique quantique

L'atome d'hydrogène est l'atome le plus simple qui existe. C'est donc celui pour lequel la résolution de l'équation de Schrödinger, en mécanique quantique, est la plus simple. L'étude de ce cas est fondamentale, puisqu'elle a permis d'expliquer les orbitales atomiques, et ensuite les différentes liaisons chimiques avec la théorie des orbitales moléculaires.

Isotopes et propriétés nucléaires

Isotopes

L’hydrogène est le seul élément dont chaque isotope porte un nom spécifique, car leur différence de masse (comparativement à celle de l'atome d'hydrogène) est significative : du simple au double ou au triple, ce qui explique que, contrairement à ce qui vaut pour les isotopes en général, ces différences peuvent influencer les propriétés chimiques du deutérium ou du tritium par rapport au protium (effet isotopique). L'eau lourde (D₂O), qui contient des isotopes d'hydrogène lourds, est par exemple toxique (à forte dose) pour de nombreuses espèces. En effet, en raison de la grande différence de masse entre les isotopes la cinétique des réactions en solution aqueuse est considérablement ralentie.

Les isotopes les plus notables de l'hydrogène sont :

• l’hydrogène léger ou protium ¹H, le plus abondant (~99,98 % de l'hydrogène naturel). Le noyau est simplement constitué d'un proton et ne possède donc pas de neutron. C'est un isotope stable.
• le deutérium ²H (ou D), beaucoup moins abondant (de 0,0082 à 0,0184 % de l'hydrogène naturel, ~0,015 % en moyenne). Le noyau est constitué d'un proton et d'un neutron, c'est aussi un isotope stable. Sur Terre il est essentiellement présent sous forme d'eau deutérée HDO (eau semi-lourde).
• le tritium ³H (ou T), présent seulement en quantité infime dans l'hydrogène naturel (un atome de tritium pour 10¹⁸ atomes d’hydrogène). Le noyau est constitué d’un proton et de deux neutrons, il est radioactif et se transforme en ³He par émission d'un électron (radioactivité β⁻). ²H et ³H peuvent participer à des réactions de fusion nucléaire.

  La radiotoxicité du tritium est réputée très faible lorsqu'il est présent sous forme HTO (eau tritiée), elle est moins connue et moins bien comprise lorsqu'il est présent sous forme organique (les études présentent des résultats contradictoires ou très variables selon leurs protocoles expérimentaux^[9]). Dans l’environnement naturel, le tritium peut prendre la place du protium dans les molécules comprenant de l'hydrogène, y compris dans les molécules biologiques et jusque dans l'ADN où il peut être cause de cassures de l'information génétique, de mutations ou d'apoptoses cellulaires. Le tritium étant un isotope rare, sa concentration dans l'eau et les tissus est généralement très faible (hors contaminations accidentelles d’origine humaine).

• le quadrium ou tétradium ⁴H (ou Q), l'isotope le plus instable de l'hydrogène (sa demi-vie est ultracourte : 1,39 × 10⁻²² seconde^[10]). Il se décompose par émission de neutron^[11].
• l'hydrogène 7 (⁷H), l'isotope le plus riche en neutrons jamais observé. Sa demi-vie est de l'ordre de 10⁻²¹ seconde^[12].

Fusion nucléaire

L'hydrogène, présent en grandes quantités dans le cœur des étoiles, est une source d'énergie par les réactions de fusion nucléaire, qui combinent 2 noyaux d'atomes d'hydrogène (2 protons) pour former un noyau d'atome d'hélium. Les deux voies de cette fusion nucléaire naturelle sont la chaîne proton-proton, de Eddington, et le cycle carbone-azote-oxygène catalytique, de Bethe et von Weizsäcker.

La fusion nucléaire réalisée dans les bombes à hydrogène ou bombes H concerne des isotopes intermédiaires de la fusion (l'hydrogène se transforme en hélium), comme celle qui se déroule dans les étoiles : isotopes lourds de l'hydrogène, hélium 3, tritium... Mais, dans une bombe H, les réactions nucléaires ne durent que quelques dizaines de nanosecondes ce qui permet uniquement des réactions en une unique étape. Or, pour aboutir à la transformation de l'hydrogène en hélium il faut plusieurs étapes dont la première, la réaction d'un proton, est très lente.

Le corps simple hydrogène

Sauf aux pressions extrêmement basses (comme dans l'espace intergalactique) ou extrêmement hautes (comme dans les parties centrales de Jupiter et Saturne), le corps simple hydrogène est formé de molécules H₂ (dihydrogène).

Aux pressions extrêmement hautes, l'hydrogène est dans un état dit « sombre », intermédiaire entre un gaz et un métal. Il ne reflète pas la lumière et ne la transmet pas. Il devient aussi très faiblement conducteur d'électricité^[13]. Il s'apparente aux métaux alcalins qui le suivent dans le groupe 1 du tableau de Mendeleïev.

Aux pressions les plus basses, l'hydrogène est un gaz monoatomique.

Isomérie

La molécule de dihydrogène existe sous deux isomères de spin nucléaire: l'hydrogène ortho (spins parallèles) et l'hydrogène para (spins antiparallèles)^[14].

Hydrogène gazeux

Dans les conditions normales de température et de pression, comme dans la plupart des conditions qui intéressent la chimie et les sciences de la Terre, l'hydrogène est un gaz moléculaire de formule H₂, le dihydrogène. Le dihydrogène forme aussi de vastes « nuages moléculaires » dans les galaxies, qui sont à l'origine de la formation des étoiles.

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^[15].

Hydrogène liquide

Hydrogène solide

L'hydrogène solide est obtenu en abaissant la température en dessous du point de fusion du dihydrogène, situé à 14,01 K (−259,14 °C)^[16]. L'état solide fut obtenu pour la première fois en 1899 par James Dewar^[17],[18].

Hydrogène métallique

L'hydrogène métallique est une phase de l'hydrogène survenant lorsqu'il est soumis à une très forte pression et à de très basses températures. C'est un exemple de matière dégénérée. D'aucuns estiment qu'il y a un intervalle de pressions (autour de 400 GPa) sous lesquelles l'hydrogène métallique est liquide, même à de très basses températures^[19],[20].

Hydrogène triatomique

L'hydrogène triatomique est une forme allotropique très instable du corps simple hydrogène, de formule H₃ ^[21].

Propriétés chimiques et composés

Ions hydron H⁺, hydronium H₃O⁺ et hydrure H^–

L'atome d'hydrogène peut perdre son unique électron pour donner l'ion H⁺, désigné couramment par le nom de proton. En effet l'atome qui a perdu son seul électron est réduit à son noyau, et dans le cas de l'isotope le plus abondant ¹H, ce noyau n'est constitué que d'un proton. Cette appellation n'est pas rigoureusement correcte si l'on tient compte de la présence, certes discrète (inférieure à 0,02 %), des autres isotopes. L'appellation hydron est plus générale (on dit aussi ion hydrogène, malgré la confusion possible avec l'anion H^–). Son rayon est très petit : environ 1,5 × 10⁻¹⁵ m contre 5 × 10⁻¹¹ m pour l'atome.

En solution, le proton n'existe pas à l'état libre mais est toujours lié au nuage électronique d'une molécule. En solution aqueuse il est solvaté par des molécules d'eau ; on peut en simplifiant considérer qu'il est capté par une molécule d'eau H₂O, formant un ion hydronium H₃O⁺, aussi appelé oxonium ou hydroxonium.

L'atome d'hydrogène peut aussi acquérir un second électron pour donner l'ion hydrure H^–, ce qui lui confère le même cortège électronique stable que l'atome d'hélium.

Réactions acido-basiques

L'hydrogène joue un rôle primordial dans une réaction acido-basique (au sens de la théorie de Brønsted-Lowry) puisque cette dernière correspond formellement à l'échange d'un ion hydrogène H⁺ entre deux espèces, la première (l'acide) libérant H⁺ par rupture d'une liaison covalente, et la deuxième (la base) captant cet H⁺ par formation d'une nouvelle liaison covalente :

${\displaystyle {\begin{matrix}{\mbox{AH}}&+&{\mbox{B}}&=&{\mbox{A}}^{-}&+&{\mbox{BH}}^{+}\\{\mbox{acide1}}&&{\mbox{base2}}&&{\mbox{base1}}&&{\mbox{acide2}}\end{matrix}}}$

Liaison hydrogène

La liaison hydrogène est une interaction électrostatique entre un atome d'hydrogène, lié chimiquement à un atome électronégatif A, et un autre atome électronégatif B (A et B étant typiquement O, N ou F en chimie organique).

Cette liaison joue un rôle important en chimie organique, puisque les atomes d'oxygène O, d'azote N ou de fluor F sont susceptibles de créer des liaisons hydrogène, mais aussi en chimie inorganique, entre les alcools et les alcoolates métalliques.

Composés covalents

L'atome d'hydrogène peut engager son unique électron pour former une liaison covalente avec de nombreux atomes non-métalliques.

Les composés les plus connus sont :

• la molécule de dihydrogène H₂ ;
• la molécule d'eau H₂O ;
• les molécules d'hydrocarbures C_xH_y.

L'hydrogène est également présent dans toutes les molécules organiques, où il est lié principalement à des atomes de carbone, d'oxygène et d'azote.

Hydrures

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 composés qu'il forme avec les métaux sont appelés hydrures, dans lesquels il se trouve sous forme d'ions H⁻ qu'on trouve généralement en solution. Dans les composés avec les éléments non-métalliques, l'hydrogène forme des liaisons covalentes, car l'ion H⁺ a une trop forte tendance à s'associer avec les électrons. Dans les acides en solution aqueuse, il se forme des ions H₃O⁺ appelés ions hydronium ou encore oxonium, association du proton et d'une molécule d'eau.

Agressivité à l'égard des matériaux

L'hydrogène corrode de nombreux systèmes d'alliages, en les fragilisant^[22].

Ceci peut conduire à des défaillances catastrophiques, par exemple de piles à combustible ou de certains processus catalytiques. C'est un problème grave pour les industries qui produisent ou utilisent de l'hydrogène. C'est encore un frein à la production, au transport, au stockage et à un large usage de ce produit^[22].

La science des matériaux recherche des matériaux plus résistants à la fragilisation par l'hydrogène, et elle progresse, mais ce travail est rendu difficile par la difficulté de mesurer ou d'observer l'hydrogène de manière expérimentale et à l'échelle atomique^[22]. Récemment Chen et al.^[23] ont réussi à observer la répartition tridimensionnelle (3D) précise des atomes d'hydrogène dans la matière grâce à une nouvelle approche de la tomographie par sonde atomique basée sur la deutérisation, le transfert cryogénique et des algorithmes appropriés d'analyse de données^[22].

Production et usages

Production industrielle

Le processus industriel le plus économique pour produire de l'hydrogène est le reformage d'hydrocarbures. En pratique, la méthode la plus usuelle est le vaporeformage du gaz naturel, lequel est essentiellement composé de méthane. À une température comprise entre 700 et 1 100 °C, la vapeur d'eau réagit avec le méthane en donnant du monoxyde de carbone et de l'hydrogène. La purification de l'hydrogène étant plus facile sous forte pression, le reformage est réalisé sous une pression de vingt atmosphères. Le mélange hydrogène/monoxyde de carbone est communément appelé gaz de synthèse. Si la réaction est faite en présence d'un excès de vapeur d'eau, le monoxyde de carbone est oxydé au niveau d'oxydation supérieur, conduisant au dioxyde de carbone, ce qui augmente la production d'hydrogène.

La société Air liquide possède une maîtrise particulière de ce processus. En 2015, elle a mis en service en Arabie saoudite, sur le site de Yanbu, une unité ayant une capacité totale de production d'hydrogène de 340 000 m³/h aux CNTP^[24].

Filière hydrogène

C'est la filière qui produit, stocke, promeut et valorise l'hydrogène. Elle contribue aussi à la recherche sur l'hydrogène.

En 2015, il est encore « majoritairement produit à partir de gaz naturel et employé comme composant chimique dans des procédés industriels », mais cet élément est souvent présenté comme intéressant pour le développement durable (car si sa production produit des NO_x, il n'émet pas de CO₂), s'il est issu de ressources renouvelables et surtout s'il peut être produit assez près du lieu de consommation, car pouvant « apporter une contribution importante à la transition vers un modèle énergétique décarboné, notamment dans le secteurs du stockage d’énergie et pour accompagner l’électromobilité »^[25].

L'une des pistes de développement est l'injection dans le réseau de gaz^[25].

La filière cherche à industrialiser ses processus afin d'en permettre une baisse des coûts (pile à combustible notamment). Le développement d'une « mobilité hydrogène » est également freiné par un nombre encore très faible de stations de recharge (et de leur capacité encore faible : 10 à 80 kg H₂/j, 350 bars). L'hydrogène peut améliorer la puissance du véhicule, prolonger son autonomie, et améliorer la rapidité de recharge (par rapport aux batteries)^[25]. Des multinationales de l'énergie et des transports sont regroupées dans l'Hydrogen Council, créé en 2017, qui vise à soutenir le développement de la filière dans le cadre de la transition énergétique^[26].

Moteur à hydrogène

Fusion nucléaire : bombe H et réacteurs à fusion