Le dihydrogène est la forme moléculaire de l'élément hydrogène qui existe à l'état gazeux aux conditions normales de température et de pression. La molécule comporte deux atomes d'hydrogène ; sa formule chimique est . Le dihydrogène est également appelé « hydrogène moléculaire » ou, à l'état gazeux, « gaz (d')hydrogène ». Dans le langage courant, lorsqu'il n'y a pas d'ambiguïté avec l'élément chimique du même nom, il est très fréquemment désigné simplement par « hydrogène », et l'on parle parfois simplement de « molécule d'hydrogène » pour la molécule de dihydrogène.
Il fut employé dans les ballons dirigeables de type zeppelin, utilisant les propriétés de la poussée d'Archimède, avant d'être remplacé par l'hélium, moins dangereux car non combustible. En 2021, la consommation mondiale d’hydrogène atteint de tonnes. La majeure partie de la production de dihydrogène est consommée sur place, dans l’industrie chimique et pétrochimique principalement : synthèse de l'ammoniac (50 %), raffinage et désulfuration des hydrocarbures (37 %), synthèse du méthanol (12 %). Elle est réalisée à 99,9 % à partir d'hydrocarbures (méthane, pétrole, charbon) et pour 0,04 % par électrolyse de l'eau. Cette production s'accompagne en 2021 de l'émission de de tonnes de , soit environ 2 % des émissions mondiales.
C'est un gaz léger que la gravité terrestre ne peut retenir. Il brûle dans l'air en produisant de l'eau, d'où son nom composé par le préfixe « hydro », du grec (hudôr) signifiant « eau », et par le suffixe « gène », du grec , « engendrer ». Il a notamment été utilisé pour la conservation de la viande. Le dihydrogène possède une température de vaporisation de et une température de fusion de . Sous de très fortes pressions, comme celles qui existent au centre des géantes gazeuses, ces molécules se dissocient et l'hydrogène devient un métal liquide. Dans l'espace, les nuages de sont à la base du processus de formation des étoiles.
Historique Le premier scientifique connu à avoir décrit la production de dihydrogène est le Suisse Paracelse (1493-1541). Il fait cette découverte en versant de l'acide sulfurique sur de la poudre de fer, mais ne comprend pas la nature exacte du gaz dégagé au cours de l'expérience.
Le chimiste anglais Henry Cavendish (1731-1810), recommençant les expériences de Paracelse avec plusieurs métaux différents, découvre que le gaz ainsi produit est différent de l'air, est inflammable et a une faible densité. Il appelle ce gaz « air inflammable » () et s'aperçoit que sa combustion produit de l'eau. Le dioxygène étant lui nommé « air vital ».
Le chimiste français Antoine Lavoisier, ayant confirmé les expériences de Cavendish, propose le mot hydrogène pour remplacer l'expression « air inflammable ». Ce mot est formé avec le préfixe hydro (du grec , « eau ») et du suffixe gène (du grec , « engendrer »). Le mot « hydrogène » signifie donc qui engendre l'eau.
Par la suite, dans le domaine scientifique, le mot « hydrogène » sera utilisé pour nommer l'élément chimique H et le mot « dihydrogène » sera utilisé pour la molécule .
Propriétés chimiques Test de reconnaissance Afin de tester la présence de dihydrogène, on approche une bûchette enflammée d'un tube à essai contenant du dihydrogène. La réaction chimique de combustion du dihydrogène avec le dioxygène de l'air, amorcée par la source de chaleur, produit un bruit caractéristique appelé « jappement » ou « aboiement ».
Combustion La combustion du dihydrogène dans le dioxygène, qui produit de l'eau, est :
2 (g) + (g) → 2 (l)
Elle est particulièrement violente (voir test de reconnaissance) et très exothermique : son pouvoir calorifique est de [ou ] (à [ou ] sous ), soit une enthalpie de combustion standard, à , de , à , de ( gazeux, gazeux, mais liquide, comme pouvoir calorifique supérieur ou PCS), mais de [ou ], soit une enthalpie de combustion, à , de ( gazeux, gazeux, vapeur, comme pouvoir calorifique inférieur ou PCI, en comptant pour la vaporisation de l'eau à ), contre, par exemple, seulement pour le butane. 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.
Formes ortho et para
Le dihydrogène gazeux est un mélange de deux types de molécules isomériques qui diffèrent l'une de l'autre par le spin de leurs noyaux atomiques. Ces deux formes sont appelées ortho- et para-hydrogène, et la forme ortho (spins parallèles, état triplet) correspond à un état excité qui n'existe pas à l'état pur. Dans les conditions normales de température et de pression, par excitation thermique, l'hydrogène est composé à 75 % de la forme ortho et à 25 % de la forme para. À le mélange à l'équilibre (atteint spontanément en plusieurs jours, mais en quelques heures avec des catalyseurs) est à 50 %. À très basse température, la forme ortho se transforme entièrement en l'état para (spins antiparallèles, état singulet) avec le temps. Les deux formes ont des niveaux énergétiques légèrement différents et donc des propriétés physico-chimiques légèrement différentes. Par exemple, le point de fusion et le point d'ébullition du para-hydrogène sont environ plus bas que ceux de l'ortho-.
Sources Le dihydrogène est un gaz très léger. Comme la gravité terrestre ne peut le retenir, il s'échappe naturellement de l'atmosphère terrestre. Par conséquent, il n'est présent que sous forme de traces () dans l'air. Cette rareté atmosphérique fait que la totalité du dihydrogène utilisé est produit industriellement selon divers procédés, à partir de molécules où des atomes d'hydrogène sont chimiquement liés.
Cependant, il existe quelques contextes géologiques où le dihydrogène jaillit naturellement de la Terre.. L'on désigne le dihydrogène émanant de ces zones par le terme hydrogène naturel..
Hydrogène artificiel
La production d'hydrogène fait appel à de nombreux procédés distincts, l'atome d'hydrogène formant nombre de molécules (eau, hydrocarbures, sucres).
En 2021, l'hydrogène est produit industriellement par divers procédés. : pour 62 % par vaporeformage à partir de méthane (voir Reformage du méthane) ; pour 19 % par gazéification du charbon ; pour 18 % comme sous-produit du reformage de naphta dans les raffineries ; pour 0,7 % par oxydation partielle du pétrole ; pour 0,7 % à partir d'énergies fossiles avec CCUS (capture, stockage et utilisation de ) ; pour 0,04 % par électrolyse de l'eau.
D'autres procédés sont aussi à l'étude, à partir du craquage ou de l'oxydation partielle, qui a l'avantage d'être exothermique.
Méthode historique de production
Historiquement, au , le dihydrogène était obtenu par émission de vapeur d'eau () dans un tonneau rempli de limailles et copeaux de ferExpériences de lavoisier, sur lavoisier.cnrs.fr.. La vapeur d’eau oxydait le métal, créant d'un côté l’oxyde de fer, libérant du dihydrogène de l'autre. Ce dernier sortait ensuite du tonneau, où il était filtré dans un autre tonneau rempli d’eau, puis stocké directement dans un aérostat. Ce dispositif permettait à l’armée de gonfler n’importe où et en quelques heures un ballon d'observation.
Vaporeformage d'hydrocarbures vignette|redresse=1.2|Production d'hydrogène par vaporeformage. Le vaporeformage d'hydrocarbures est le procédé qui, au début du , est le plus utilisé au niveau industriel. Son principe repose sur la réaction d'hydrocarbures (méthane…) en présence de vapeur d'eau et de chaleur. La réaction globale s'écrit :
.
Le rendement énergétique est de l'ordre de 40 à 45 % dans certaines installations. En pratique industrielle, il est nécessaire d'accélérer la réaction au moyen de catalyseurs ou de brûleurs. Elle a l'inconvénient de produire du dioxyde de carbone, un gaz à effet de serre.
Des technologies catalytiques, ou plus novatrices telles que les reformeurs à plasma, sont actuellement à l'étude.
Électrolyse de l'eau L'électrolyse de l'eau est une technologie qui consiste à faire passer un courant électrique (continu) dans de l'eau (à laquelle on a préalablement ajouté un électrolyte comme la soude caustique) afin d'obtenir la dissociation des molécules d'eau en dihydrogène et dioxygène.
Réaction à l'anode : 2 (l) → (g) + 4 H (aq) + 4 e. Réaction à la cathode : 4 (l) + 4 e → 2 (g) + 4 HO (aq). Réaction dans l'eau : 4 H (aq) + 4 HO (aq) → 4 (l). Réaction globale : 2 (l) → 2 (g) + (g) où (l), (g) et (aq) signifient respectivement « en phase liquide », « en phase gazeuse » et « en solution aqueuse ».
Cette technologie nécessite de grandes quantités d'électricité. Selon l'Ademe en 2020, le rendement de la chaîne hydrogène en est de 25 %, tandis que celui des batteries électriques est de 70 %.. Elle est donc relativement peu utilisée.
Oxydation partielle d'hydrocarbures La réaction d'oxydation partielle d'hydrocarbures est une combustion « riche » dans le sens où l'on vise la production d'un gaz riche en dioxygène et monoxyde de carbone CO (gaz de synthèse) ; au lieu des produits « classiques » et .
La réaction s'écrit :
.
La plupart du temps, on utilise l'air comme comburant. On a alors :
.
La réaction est exothermique, elle émet de la chaleur : par exemple, l'enthalpie de la réaction avec le méthane est de .
Tout comme la réaction de vaporeformage, il est nécessaire de catalyser la réaction.
L'intérêt de la réaction d'oxydation partielle réside dans son caractère exothermique (contrairement à la réaction de vaporeformage) qui permet d'aider la catalyse (élévation de température).
L'inconvénient majeur réside dans le fait que les pourcentages de sont inférieurs à ceux obtenus par vaporeformage, à cause de la présence majoritaire de l'azote de l'air. De plus, il y a un risque d'obtenir des NO.
Action d'un acide sur un métal On produit du dihydrogène par action d'un acide sur un métal. Exemple : .
Action de l'hydroxyde de sodium sur l'aluminium On peut également produire du dihydrogène par la réaction d'hydroxyde de sodium avec de l'aluminium, selon la formule : .
Production par photosynthèse (cyanobactéries) Certaines cyanobactéries peuvent décomposer chimiquement l'eau en oxygène et hydrogène à l'aide de réactions photosynthétiques. Cela permettrait de produire de l'hydrogène à l'aide d'énergie solaire. Des recherches sont en cours dans ce domaine, notamment en génie génétique.
Hydrogène naturel
L'hydrogène produit sur Terre naturellement, par opposition à l'hydrogène produit artificiellement par reformage d'hydrocarbures ou par électrolyse, est dit hydrogène naturel, hydrogène natif ou hydrogène blanc .
La répartition, les capacités de production et les mécanismes physicochimiques de ses sources ou gisements font encore l'objet d'études exploratoires, au début du . Ainsi, en , le projet de recherche sen4H2 a été lancé et cofinancé par l'Agence spatiale européenne., il vise à détecter les émanations naturelles d'hydrogène grâce aux images satellites.
En 2020, le potentiel de production d'hydrogène naturel n'est pas quantifié précisément et, dans de nombreux pays, le droit minier ne prend pas en compte l'hydrogène. La détection d'hydrogène est en effet récente et les outils sont à affiner, bien que des détecteurs plus performants aient été mis au point.
Sources d'hydrogène naturel