H

L'hydrogène brûle avec une flamme bleu pâle non lumineuse, mais ne supporte pas la combustion des combustibles ordinaires. Il forme un mélange hautement explosif avec l'air ou l'oxygène, surtout lorsqu'il est dans la proportion de deux volumes d'hydrogène pour un volume d'oxygène (mélange stoechiométrique).

Plusieurs isotopes existent. L'hydrogène proprement dit ou protium (¹H ou ¹H• dans le langage des chimistes et p⁺e¯, dans celui des physiciens des particules), dont le noyau ne possède pas de neutron, est le plus commun (99.98% de tout l'hydrogène présent dans l'univers);  masse atomique : 1,00794. Le seul autre isotope stable est le deutérium (²H, D ou d⁺e¯), aussi appelé hydrogène lourd, qui possède un noyau formé d'un proton et d'un neutron; masse atomique : 2,01410. L'eau fabriquée avec du deutérium (D2O), appelée eau lourde, est plus de 10 % plus dense que l'eau ordinaire. Le tritium (³H, T ou t⁺e¯) , quant à lui, a un noyau constitué d'un proton et de deux neutrons; masse atomique : 3,01605. Ce noyau est instable. Il se désintègre par désintégration bêta et a une période de 12,32 ans. 

Découverte de l'hydrogène. - L'hydrogène a été préparé accidentellement longtemps avant qu'on sût le distinguer comme une espèce gazeuse spéciale. 

Paracelse ,au XVI^e siècle, est le premier auteur qui signale l'apparition d'un gaz qui s'échappe comme un souffle lorsqu'on traite le fer par l'acide sulfurique dilué. Au commencement du XVIII^e siècle, Turquet de Mayerne insiste sur l'inflammabilité et l'odeur désagréable du gaz produit dans ces circonstances; en 1700, N. Lemery  a montré qu'un mélange d'hydrogène et d'air détonait à l'application d'une alumette. Boyle en parle également.

Les premières expériences précises concernant la nature de l'hydrogène ont été faites en 1766 par H. Cavendish, qui a montré qu'il se formait lorsque divers métaux étaient soumis à l'action d'acides sulfuriques ou chlorhydriques dilués. Cavendish l'appela air inflammable, et pendant quelque temps il fut confondu avec d'autres gaz inflammables, qui étaient tous censés contenir le même principe inflammable, le phlogistique, en combinaison avec des quantités variables d'autres substances. Cavendish finit par montrer en 1781 que l'eau était la seule substance produite lorsque l'hydrogène était brûlé dans l'air ou l'oxygène.

A la suite des travaux de Lavoisier (1792), le gaz de Cavendish prit le nom d'hydrogène (du grec hydrô = eau et gennaein = produire, en allusion au fait que l'eau est produite lorsque le gaz brûle dans l'air). 

Propriétés physiques

On peut mettre en évidence l'extrême légèreté de ce gaz par les expériences suivantes : une éprouvette remplie d'hydrogène peut être tenue verticalement sans que ce gaz s'échappe pourvu que l'ouverture soit tournée vers le bas; mais si l'on retourne l'éprouvette en dirigeant l'ouverture en haut, l'hydrogène plus léger que l'air s'élève et l'éprouvette n'en renferme bientôt plus. Si l'on plonge dans de l'eau de savon l'extrémité d'un tube par lequel se dégage de l'hydrogène, des bulles se forment et s'élèvent dans l'atmosphère. Au début du XX^e siècle, on utilisait la légèreté de l'hydrogène dans le gonflement des ballons; de fait, à volume égal, c'est le gaz qui donne la plus grande force ascensionnelle. 

L'hydrogène est très peu soluble dans l'eau qui n'en dissout que 0,19 de son volume environ. Cailletet a montré dès 1877 que l'hydrogène pouvait être liquéfié. Sa température de liquéfaction est de -259,14°C; son point d'ébullition de -252,87 °C. Il a également été solidifié, la fusion solide à - 264°C. Sa chaleur latente de fusion (enthalpie de fusion) est de 116,3 J/g; chaleur  spécifique : 14,30 J/g/°C (à 25 °C).

Les expériences de Magnus ont établi que l'hydrogène, contrairement à ce qui arrive pour les autres gaz, favorise le passage de la chaleur et cela d'autant mieux qu'il est plus comprimé; à 27°C, sous une pression d'une atmosphère, la conductibilité thermique de l'hydrogène est de 1,815 mW/cm/°C, une conductibilité qui rapproche l'hydrogène des métaux.

Ionisation de l'hydrogène.

Structure électronique.
L'atome d'hydrogène ne possédant, à l'état neutre qu'un seul électron e¯ dans le champ de son noyau, sa structure électronique est la plus simple possible. Cet électron appartient à la couche K, qui est aussi la couche de valence, et qui est définie par l'orbitale électronique s. La configuration électronique s'écrit dès lors : 1s¹; la valence de l'hydrogène est égale à 1.

Cela signifie qu'à l'état neutre, l'atome d'hydrogène est en meusure d'établir une liaison covalente avec un autre atome, qu'il peut aussi s'ioniser en perdant son électron pour devenir le cation H⁺, autrement dit un proton (dans le langage de la physique des particule on écrira : p⁺), mais qu'il peut aussi, puisque sa couche de valence n'est pas saturée, capter un deuxième électron pour former l'anion H¯, aussi appelé protide. Il a été montré en laboratoire que cet anion peut se trouver, entouré de molécules H2, au centre d'un édifice cristallin stable.

Le deutérium D et le tritium T (noms des formes neutres) peuvent aussi se rencontrer sous forme ionisée : l'ion D⁺ (aussi noté ²H⁺ ou d⁺) est appelé deutéron, D¯ (²H¯ ou d⁺(e¯)2 ) deutéride; T⁺ (³H⁺ ou t⁺) est appelé triton, T¯  (³H¯ ou t⁺(e¯)2 ) tritide.

• Un muon positif (µ⁺), analogue du point de vue électrique à un proton, peut jouer le même rôle en tant que noyau atomique en captant dans son champ un électron. On  voit alors se constituer une sorte d'hydrogène léger (µ⁺e¯), appelé muonium (Mu ou Mu•). L'ion négatif de muonium µ⁺(e¯)2 prend le nom de muonide. Exemples : Le chlorure de muonium (MuCl), est l'équivalent du chlorure de deutérium (²HCl ou DCl); le muoniométhane (CH3Mu), est le produit de la muonation du méthane; et le NaMu est appelé muonide de sodium.

• Un muon négatif (µ¯) peut, lui, remplacer un électron dans l'orbitale 1s d'un atome ordinaire. On parle alors d'atome muonique. Ainsi H⁺µ¯ correspond-il à l'hydrogène muonique. Le remplacement d'un électron par un muon dans d'autres atomes est possible, mais il n'est pas possible d'envisager une véritable chimie à base de muons négatifs à cause de l'extrême briéveté de leur vie. (D'après W.H. Koppenol, Pure Appl. Chem, vol. 73, N° 2, 2001).

Une catégorie particulière a été créée pour y ranger l'ion H⁺ et les autres éléments ionisés, qui ont perdu tous leurs électrons sauf un (He⁺, Li^{2 +}, Be³⁺ et B⁴⁺) : celle des [ions] hydrogénoïdes.

Quoi qu'il en soit, l'hydrogène est si différent des autres éléments de l'un ou l'autre groupe qu'il est généralement considéré comme occupant une place spéciale dans le monde des corps simples. 

L'hydrogène dans tous ses états.

L'histoire cosmique de l'hydrogène.
Parce qu'il est l'élément le plus simple, l'hydrogène a été le premier à se constituer au tout début de l'expansion de l'univers. L'histoire de l'univers depuis ses débuts est celle d'un refroidissement (corrélatif de son expansion). Les premiers nucléons - protons (noyaux d'hydrogène) et neutrons -, qui sont, avec les électrons, les constituants de tous les atomes ont pu se former quand la température est descendue au-dessus du point où les quarks, qui préexistaient (en même temps que les électrons), ont pu se lier entre eux trois par trois (Les particules élémentaires). Cela s'est produit dans les premières secondes de l'expansion.

Après quelques minutes, le refroidissement se poursuivant, les noyaux des éléments et de leurs isotopes les plus légers (deutérium, hélium, lithium, etc.) ont commencé à apparaître par la fusion de proton et de neutrons en nombres variables (nucléosynthèse primordiale). Il faut ensuite attendre quelques centaines de milliers d'années pour que, la température étant descendue au-dessous de 3000 K, les électrons, circulant jusque-là entre les noyaux atomiques, mais interagissant sans cesse avec les photons également présents, puissent enfin se combiner avec les noyaux atomiques et former les premiers atomes proprement dits. Cette étape est appelée le découplage de la matière et du rayonnement : la matière et le rayonnement vont connaître désormais des histoires distinctes. 

Les photons n'interagissant plus massivement avec les électrons, peuvent désormais se propager pendant des durées très longues et donc sur de très grandes distances (ceux qui sont parvenus jusqu'à nous constituent ce qu'on nomme le fond diffus cosmologique). Quant aux atomes, et plus spécialement les atomes d'hydrogène, qui représentent l'écrasante majorité des atomes issus de la nucléosynthèse primordiale, ils ne sont plus désormais soumis qu'à la gravitation. 

Des masses de plus en plus denses d'hydrogène atomique vont ainsi s'accumuler. Leur effondrement gravitationnel sur elles-mêmes fournit les conditions de température et de préssion auxquelles les noyaux d'hydrogène fusionnent en dégageant une grande quantité d'énergie et produisant ainsi l'allumage des premières étoiles, qui se rencontrent déjà dans ces immenses troupeaux que sont la galaxies.

Les étoiles, par leur rayonnement de haute énergie émis, soit pendant leur vie, soit au moment de leur explosion finale, sont responsables de l'ionisation autour d'elles de grandes quantités d'atomes d'hydrogène qu'elles ne sont pas accaparées en se formant et qui flottent encore en masse dans l'espace. On observe encore aujourd'hui de grands nuages de plasma d'hydrogène ainsi porté à très haute température dans le milieu intergalactique. A l'intérieur des galaxies, l'hydrogène a continué d'être la matière première avec laquelle de générations successives d'étoiles se sont formé et assuré leur production d'énergie . 

L'hydrogène dans les étoiles.
L'hydrogène est le principal constituant des étoiles. Celles-ci produisent leur énergie dans leur coeur, leur région la plus profonde, où où la densité est supérieure à cent fois celle de l'eau et où la température dépasse les 5 millions de kelvins. De telles conditions permettent la fusion de noyaux d'atomes d'hydrogène qui aboutit à la formation de noyaux d'hélium (He). C'est ce processus de fusion de l'hydrogène en hélium dans le Soleil qui est la source de lumière, de chaleur et, en dernier ressort, de pratiquement toute l'énergie disponible sur Terre.

• La chaîne proton-proton. - Entre 5 et 20 millions de kelvins, c'est la réaction de fusion proton-proton qui prédomine. Quatre noyaux noyaux d'hydrogène (protons) sont impliqués : 

1) ils fusionnent deux à deux pour former deux noyaux de deutérium, avec émission dans chaque cas d'un antiélectron et d'un neutrino (¹H +¹H  ²H + e⁺  + ); l'antiélectron est aussitôt annihilé en rencontrant un électron, produisant ainsi de l'énergie (e⁺ + e¯).

2) Chaque noyau de deutérium capte un noyau d'hydrogène (proton) et forme un noyau d'hélium-3, avec émission d'un rayon gamma (²H + p^+ 3He + );

3) les deux noyaux d'hélium-3 fusionnent ensuite pour donner naissance à un noyau d'hélium-4, tandis que deux noyaux d'hydrogène sont rendus disponibles pour un nouveau cycle (³He + ³He  ⁴He + ¹H + ¹H).

• Le cycle CNO. - Au-delà de 20.10⁶ K, température atteint au centre des étoiles dont la masse dépasse les 1,3 masses solaires, le processus est un peu plus complexe et fait intervenir des noyaux de carbone (C), d'azote (N) et d'oxygène (C), qui jouent un rôle de catalyseurs (leur abondance n'est pas modifiée par les réactions auxquelles ils participent). Ce processus, dit cycle CNO, aboutit à un résultat similaire :  production d'énergie  et de noyaux d'hélium à partir de la fusion de noyaux d'hydrogène. (la Nucléosynthèse stellaire).

L'hydrogène interstellaire.
L'hydrogène existe sous deux formes principales dans l'espace interstellaire. Dans de grands nuages froids, dans lesquels il se présente sous forme moléculaire (H2), mélangé à des poussières, et dans l'environnement des étoiles les plus chaudes, où, sous forme ionisée, il constitue de belles nébuleuses brillantes (régions HII).

• Les nuages moléculaires. - Les éléments chimiques lourds synthétisés par les étoiles, au moment du processus de nucléosynthèse à l'origine de leur production d'énergie ou dans les phases finales explosives de leur existence peuvent, dans l'espace interstellaire, froid, s'agglomérer de diverses manières et former des poussières dont la concentration constitue un milieu assez opaque pour les rayonnement ionisants rendant possible la formation de molécules d'hydrogène, c'est-à-dire d'édifices formés de deux atomes d'hydrogène reliés par une liaison covalente. Le rayonnement de ces molécules dans la domaine radio (raie à 21 cm) permet aux astronomes de localiser ces grandes masses froides. Les régions les plus denses de ces nuages peuvent s'effondrer sous leur propre poids et engendrer la formation d'étoiles nouvelles en concentrant et comprimant des masses d'hydrogène au point de déclencher les réactions nucléaires au coeur de ces étoiles. 

• Les régions HII. - Les étoiles naissent généralement par groupes ou l'on rencontre des étoiles de diverses masses. les plus massives de ces étoiles sont aussi les plus chaudes et  celles qui émettent du rayonnement dont l'énergie est suffisante pour briser les molécules d'hydrogène alentour et même ioniser les atomes présents. La région de nuage ainsi ionisée est appelée région HII. La recombinaison des ions hydrogène produit alors une belle lumière rose rougeâtre (raie H-alpha (656,3 nm) du spectre). La partie de nuage ainsi ionisée forme une nébuleuse brillante, qui peut aussi révéler d'autres couleurs engendrées celles-ci par d'autres ions présents (fer, azote, etc.). 

• Les planètes géantes. Dans les parties les plus extérieures des planètes géantes, l'hydrogène (mélangé avec de l'hélium) est à l'état gazeux (molécules H2). Il peut aussi lié, dans les nuages, à de l'azote pour former de la glace d'ammoniac (NH3) et à l'oxygène pour former de la glace d'eau. Au-dessous, dans les cas de Jupiter et de Saturne, les pressions extrêmes (au-dessus de quelques centaines de GPa) qui règnent font passer l'hydrogène dans une phase liquide (peut-être partiellement solide formant alors un édifice cristallin hexagonal compact), dans laquelle il est conducteur d'électricité à l'image d'un métal. Dans les régions les plus centrales, au dessous de l'hydrogène métallique ou, dans le cas d'Uranus et de Neptune, directement sous l'hydrogène moléculaire, l'hydrogène doit se trouver mélangé ou en combinaison avec d'autres composés (silicates, etc.) dans un noyau solide. 

• La Terre. - L'hydrogène moléculaire est présent sur Terre à l'état libre dans certaines météorites et dans certains gaz volcaniques, dans les fumerolles, dans la carnallite des mines de potasse de Stassfurt. Sa concentration dans l'atmosphère extrêmement faible à basse altitude (moins d'un millionième de l'atmosphère), augmente au fur et à mesure que l'on s'élève, pour des raisons hydrostatiques mais aussi à cause de l'arrivée du protons portés par le vents solaire et capturés par la Terre. En combinaison avec d'autres éléments, l'hydrogène se rencontre comme constituant des gaz de certaines sources minérales, dans l'atmosphère où il est le constituant du méthane (CH4) en concentration très faible ou d'ammoniac sous forme de traces. Les combustibles fossiles, tels que le pétrole et le gaz naturel, sont principalement constitués d'hydrocarbures, c'est-à-dire de molécules ne contenant que du carbone et de l'hydrogène. Combiné avec l'oxygène dans la proportion de 1/9 pour 8/9 d'oxygène, il forme l'eau si abondante sur notre planète (malgré la très faible masse atomique de l'hydogène, plus de 10% de la masse des océans est constituée par cet élément). Les matières organiques d'origine animale ou végétale renferment toutes de l'hydrogène uni à du carbone ou à du carbone et de l'oxygène.

• Au bouchon de liège qui ferme un vase poreux renversé (vase de pile), on adapte par une de ses extrémités un tube recourbé tandis que l'autre extrémité reste libre dans l'atmosphère; un liquide coloré contenu dans ce tube s'élève au même niveau dans les deux branches quand la pression de l'air est la même à l'intérieur du vase qu'à l'extérieur; mais si l'on vient à recouvrir le vase poreux d'une cloche remplie d'hydrogène, on voit aussitôt le liquide baisser du côté du vase et s'élever dans la branche libre, accusant ainsi une augmentation de pression à l'intérieur du vase poreux. L'hydrogène a pénétré plus rapidement à l'intérieur du vase que l'air n'en est sorti. 

L'hydrogène traverse aussi les métaux chauffés au rouge. L'appareil de Deville et Troost décrit ci-dessous permet de montrer la perméabilité du fer (Fe) pour l'hydrogène à haute température. 

• Un tube en acier fondu communique par l'une de ses extrémités avec un appareil à hydrogène, par l'autre avec un tube en verre recourbé à angle droit dont la grande branche verticale de 80 cm de longueur plonge dans une cuvette à mercure. Le tube d'acier protégé par un manchon en porcelaine est porté au rouge vif en même temps qu'on le fait traverser par un courant d'hydrogène pur. Si l'on interrompt l'arrivée de l'hydrogène, on voit aussitôt le mercure monter dans la branche verticale à une hauteur qui atteint presque la pression barométrique. L'hydrogène a donc traversé les parois du tube de fer en laissant un vide presque complet à l'intérieur. 

Absorption de l'hydrogène par les métaux.
Le passage de l'hydrogène à travers les parois métalliques est en relation avec l'absorption de ce gaz par les métaux (occlusion de Graham), absorption qui peut être considérée tantôt comme une combinaison, tantôt comme une dissolution. Troost et Hautefeuille ont établi que l'hydrogène se dissout en proportion notable dans la fonte, l'acier et le fer à une température élevée. 

Le palladium (Pd) présente le même phénomène, mais avec un degré bien plus marqué; sous la forme de poudre spongieuse, le métal absorbe 665 fois son volume d'hydrogène et ne laisse alors rien échapper dans le vide à la température ordinaire, mais seulement à 100°C; cette absorption  (observable aussi lorsque le métal est utilisé comme cathode dans une cellule d'électrolyse de l'eau) est assimilable à une véritable combinaison tant que le volume de gaz absorbé ne dépasse pas 600 volumes, car l'alliage possède à une température donnée une tension fixe de dissociation; si le volume absorbé est supérieur à 600 volumes (Pd2H), la tension à température constante décroît lorsqu'on enlève du gaz et ne reste stationnaire que pour la composition Pd2H. Le potassium (K) et le sodium (Na) forment aussi de véritables composés avec l'hydrogène (K2H, Na2H), caractérisés aussi par une tension de dissociation fixe à température constante. L'absorption du gaz commence au-dessus de 200°C avec le potassium et seulement vers 300°C avec le sodium.

La chimie de l'hydrogène

L'hydrogène se combine en particulier avec l'oxygène pour former deux composés, à savoir l'eau (H2O), et le peroxyde d'hydrogène ( H2O2, découvert par  L. J. Thénard en 1818, et composant actif de l'eau oxygénée).

Si l'on enflamme l'hydrogène contenu dans une éprouvette tenue verticalement l'orifice en bas, les parties en contact avec l'oxygène de l'air s'unissent à lui avec dégagement de chaleur et de lumière; un corps froid mis au contact de la flamme pendant un instant se recouvre d'une buée de vapeur d'eau.

La flamme de l'hydrogène est pâle et peu éclairante, car elle ne contient en suspension aucune parcelle soluble susceptible d'être portée à l'incandescence. On obtient une flamme blanche et très éclatante en plaçant à son intérieur un corps solide, un fragment de chaux, de zircone, de magnésie, ou bien en faisant barboter le gaz avant la combustion dans un carbure liquide (volatil et riche en carbone).

L'oxygène et l'hydrogène, dans la proportion de leur combinaison, constituent un mélange explosif puissant, capable de détoner soit à l'approche d'une flamme, soit sous l'influence d'une étincelle électrique ou même d'un morceau de platine poreux qui s'échauffe peu à peu dans le mélange jusqu'au point de provoquer la combinaison. 

Le brome et l'iode ne fournissent les acides bromhydrique et iodhydrique que lorsqu'ils sont chauffés avec l'hydrogène. Il en est de même pour le disulfure d'hydogène  H2S2 et du diséléniure d'hydrogène (H2Se2) dont la synthèse directe à partir des éléments ne peut avoir lieu qu'à des températures assez élevées.

Liaisons chimique de l'hydrogène.
L'hydrogène peut partager son électron unique pour former une liaison covalente; il peut aussi former liaison ionique par le transfert d'un électron (en perdant le sien ou en acquérant un supplémentaire). L'atome d'hydrogène est également en mesure de participer avec un autre atome à une liaison qui lui est propre, appelée la liaison hydrogène.

Liaison de covalence.
L'unique couche électronique de l'atome d'hydrogène, qui est aussi sa couche de valence, ne contient qu'un seul électron, mais possède la capacité d'en accueillir un second. En présence d'un autre atome dont la couche de valence  possède également un électron qui n'est pas associé à un autre dans un doublet, l'électron non apparié de chacun des atomes peut venir remplir la place libre de l'autre atome. Il se forme ainsi une liaison entre eux appelée liaison de covalence simple. Une telle liaison est assez forte pour que l'édifice constitué soit très stable (ce qui signifie que la briser requiert de l'énergie, alors que la créer en libère).

Deux atomes d'hydrogène H peuvent ainsi s'unir par liaison de covalence (liaison convalente) pour former une molécule d'hydrogène H2. On peut aussi donner l'exemple de la molécule d'eau H2O. Ici, l'oxygène, qui est l'atome auquel est lié chacun des deux atomes d'hydrogène, possède six électrons périphériques, soit deux électrons non-appariés (singlets) qui peuvent donc être mis en commun avec l'électron unique de chacun des atomes d'hydrogène.

Dans la molécule d'ammoniac (NH3), trois atomes d'hydrogène sont liés à un atome d'azote (N), qui possède un doublet et trois singlets dans sa couche de valence. 

L'hydrogène forme selon le même principe des liaisons avec quantité d'autres atomes, qu'ils soient libres ou déjà liés à d'autres atomes.

Liaison ionique. Acides et bases.
L'atome d'hydrogène peut aussi très facilement perdre son unique électron pour former un ion hydrogène positif : H⁺. Dans cet état, il peut se trouver attiré par un autre atome ou une molécule porteurs d'une charge électrique négative pour former un composé ionique. 

En solution aqueuse, des composés tels que HCI (chlorure d'hydrogène), HBr (bromure d'hydrogène) et HI (iodure d'hydrogène) se dissocient complètement en ions, de sorte qu'il se produit une libération de H⁺. Mais cet ion, qui n'est qu'un proton, ne peut rester sans attache : il se fixe aussitôt  à une molécule d'eau pour former un ion hydronium, H3O⁺.

D'autres substances peuvent aussi être présentes dans la solution aqueuse. Comme la solution reste électriquement neutre, l'apparition d'ions H3O⁺ (ou d'autres ions encore, plus à même que l'eau de se lier à l'ion H+) implique la présence d'ions négatifs dans la substance. Il apparaissent déjà lors de la formation de H+. Dans ce cas les ions H⁺  peuvent former, par liaison ionique, d'autres composés. Ce qui amène à définir deux catégories de corps en fonctions de leur comportement vis-à-vis de l'ion H⁺ : ce sont les acides et les bases. 

Un corps est un acide lorsqu'il peut céder un ion hydrogène H⁺ (proton) lors d'une réaction chimique. Par exemple, l'acide chlorhydrique (un acide fort) obtenu par dissolution dans l'eau de chlorure d'hydrogène : HCl + H2O  H3O⁺ + Cl¯ .

Un corps est une base lorsqu'il peut capter ce même ion H⁺. Par exemple : le gaz ammoniac (NH3) lorsqu'il est dissous dans l'eau produit une solution faiblement basique : NH3 + H2O  NH4⁺ + OH¯.

La concentration en ions H⁺ (ou, en pratique, d'ions hydronium) est utilisée pour mesurer l'acidité d'une solution. Cette concentration est appelée potentiel hydrogène (pH). Un pH inférieur à 7 définit une solution acide; un pH supérieur à 7 définit une solution basique. L'eau pure (neutre ou, si l'on veut, à la fois acide et base) a un pH égal à 7.

Les molécules d'eau peuvent facilement se séparer ou se dissocier en ions H⁺ et OH¯ (anion hydroxyde), et ces ions peuvent s'accrocher à d'autres ions par attraction électrostatique. Cela explique que l'eau soit un excellent solvant, capable de dissoudre à des degrés divers la plupart des substances.

Le terme d'hydrure s'étend également à tous les composés de l'hydrogène, et dans lesquels cet élément est le plus (ou aussi) électronégatif. Il existe des hydrures métalliques, des hydrures moléculaires, etc. 

Citons parmi les hydrures de métaux, l'hydrure de lithium (LiH) et l'hydrure de sodium (NaH), parmi les hydrures moléculaires, l'ammoniac (NH3). (Avec les métalloïdes et les non-métaux, les hydrures peuvent impliquer une liaison covalente ou la formation du cation H⁺). 

Ajoutons que l'ion hydrure peut également se lier à l'ion hydronium pour former une molécule de dihydrogène :  H¯ + H⁺ H2.

La liaison hydrogène.
L'atome d'hydrogène d'une molécule peut se lier par une liaison particulière, appelée liaison hydrogène, à un atome plus électronégatif que lui (oxygène, azote, etc.) appartenant à une autre molécule. Ce pont ainsi établi entre deux molécules est plus fragile que la liaison covalente, mais joue un rôle important en chimie.

La liaison hydrogène, par exemple, est responsable de nombreuses propriétés associées à l'eau. Deux molécules d'eau sont associées l'une à l'autre par l'atraction d'un atome d'hydrogène de l'une vers l'atome d'oxygène de l'autre autre. Ce mécanisme explique que l'eau dans les conditions ambiantes soit à l'état liquide. Sans liaison hydrogène pour maintenir les molécules ensemble plus fortement, l'eau n'existerait qu'à l'état gazeux; sans liaison hydrogène, l'eau bouillirait et gèlerait à des températures beaucoup plus basses. L'augmentation du volume de la glace d'eau par rapport à l'eau liquide est aussi due à la liaison hydrogène.

La liaison hydrogène assure par ailleurs la stabilité et le maintien de la structure des grosses molécules organiques. Ainsi, la double hélice de l'ADN (acide désoxyribonucléique) repose-t-elle sur des liaisons hydrogène, qui sont suffisamment fortes pour maintenir ensemble le deux brins de la double hélice, mais suffisamment fragiles pour que le les brins puissent se séparer lors de la réplication de l'ADN au cours du processus de reproduction cellulaire.

Production de l'hydrogène.
L'hydrogène se dégage dans un grand nombre de réactions, dont quelques-unes peuvent être utilisées avec avantage pour sa préparation. En pratique, on recours à l'action d'un acide sur un métal, à l'électrolyse de l'eau ou au reformage à haute température du méthane. 

Action d'un acide sur un métal.
On a vu plus haut que l'action d'un acide (acide sulfurique ou chlorhydrique dilués, par exemple) sur un métal (zinc ou fer, par exemple) produisait des ions hydrure et que ceux-ci, en se liant avec des ions hydronium produisaient de l'hydrogène moléculaire. C'est la base d'un procédé couramment utilisé en laboratoire pour produire de l'hydrogène. Le bilan final de la réaction de l'acide chlorhydrique avec le zinc peut ainsi s'écrire :  Zn + 2HCl  ZnCl2 + H2. 

En pratique, on introduit du zinc grenaillé ou en lames découpées dans un flacon à deux tubulures; l'une d'elles est munie d'un tube de dégagement et l'autre d'un tube droit plongeant jusqu'au fond et portant un entonnoir à son orifice supérieur. L'acide sulfurique étendu de cinq à six fois son volume d'eau ou l'acide chlorhydrique additionné de son volume d'eau sont versés sur le zinc et maintenus à une concentration constante par l'addition de petites quantités d'acide faite au moyen du tube à entonnoir. Le métal se substitue à l'hydrogène pour former du chlorure de zinc. On construit des appareils continus qui permettent d'obtenir l'hydrogène à volonté, sans qu'il soit nécessaire de les installer chaque fois. L'hydrogène préparé avec le zinc et le fer impurs est toujours doué d'une odeur désagréable qu'il doit à la présence de divers composés hydrogénés, les hydrogènes arséniuré, phosphoré, sulfuré, et les hydrogènes carboné et silicié dans le cas du fer. Pour obtenir le gaz pur on ne peut recourir au zinc pur qui n'est pas attaqué par l'acide; il est nécessaire de faire passer le gaz impur dans une longue colonne de cuivre chauffée au rouge sombre qui retient toutes les impuretés, ou plus simplement de faire barboter le gaz dans une dissolution alcaline de permanganate de potassium qui détruit les hydrures en les oxydant. 

Production d'hydrogène par divers procédés de décomposition de l'eau.
Les métaux alcalins et les métaux alcalino-terreux décomposent l'eau aux températures ordinaires; le magnésium commence à réagir au-dessus de 70°C, et le zinc à une chaleur rouge terne. 

La décomposition de la vapeur par le fer rouge a été étudiée par H. Sainte-Claire Deville (1870) et par H. Debray (1879), qui ont trouvé qu'à environ 1500°C une condition d'équilibre est atteinte. 

H. Moissan (1902) a montré que l'hydrure de potassium décompose l'eau froide, avec dégagement d'hydrogène, KH + H2O  KOH + H2.

L'hydrure de calcium ou hydrolite, préparé en faisant passer de l'hydrogène sur du calcium chauffé, décompose l'eau de la même manière, 1 gramme donnant 1 litre de gaz; il a été proposé comme source commerciale (1907), ainsi que des copeaux d'aluminium humidifiés avec du cyanure de potassium et du chlorure de mercure, qui décompose régulièrement l'eau à 70°C (Mauricheau-Beaupré, 1908). L'hydrure de strontium se comporte de manière similaire.

Electrolyse de l'eau.
La décomposition de l'eau par électrolyse peut aussi être utilisée pour produire de l'hydrogène. Dans une cellule électrolytique (contenant une solution acide ou alcaline étendue), deux bornes - une anode et une cathode, faites ordinairement d'un métal inerte comme le platine - sont connectées à une alimentation électrique. Lorsqu'un courant électrique est envoyé à travers la cellule, des bulles d'hydrogène gazeux se forment à la cathode et des bulles d'oxygène gazeux se forment à l'anode. 

La demi-réaction électronique qui s'observe à l'anode est une oxydation (perte d'électrons) : 2H2O  O2 + 4H⁺ + 4e¯ ; celle observée à la cathode est une réduction (acceptation d'électrons) : 2H⁺ +2e¯ H2. L'équation chimique nette est alors celle d'une oxydo-réduction :  2H2O  2H2  + O2.

L'emploi des solutions alcalines permet de remplacer les électrodes en platine par des électrodes en fer et d'obtenir un gaz plus pur. 

La production industrielle de l'hydrogène.
L'industrie peut recourir à l'électrolyse de l'eau (celle-ci était autrefois massivement utilisée pour le gonflement des ballons dirigeables et est toujours utile pour des applications nécessitant un hydrogène très pur). Mais c'est le gaz naturel qui est aujourd'hui la principale sa source d'hydrogène. Plusieurs procédés existent.

Dans le processus appelé reformage du méthane à la vapeur d'eau (vaporeformage), la vapeur surchauffée sépare, en présence d'un catalyseur, l'hydrogène des hydrocarbures tels que le méthane (CH4). Cette technologie produit aussi du CO2 (gaz à effet de serre, qui peut être capté et stocké pour éviter son rejet dans l'atmosphère) : 

CH4 + H2O  CO + 3 H2

CO + H2O  CO2 + H2 . 

On peut aussi, pour mémoire, signaler encore le reformage de l'heptane (C7H16), qui revient à la réaction nette suivante : C7H16 + 7H2O  7CO + 15 H2. 

Une autre piste, qui attire aujourd'hui l'attention, est celle de la pyrolyse  du méthane à haute température (2000 °C) dans un plasma électrique, qui produit de l'hydrogène et de noir de carbone (solide) : CH4 2H2 + C. Le principal avantage de cette méthode réside dans sa très faible empreinte carbone. De plus, les deux produits son valorisables par l'industrie.

Les utilisations de l'hydrogène.
L'hydrogène, autrefois utilisé pour gonfler les ballons dirigeables s'est avéré beaucoup trop dangereux, mais il est encore utilisé parfois, dans des situations particulières, pour gonfler des ballons-sondes. 

La chaleur dégagée dans la combinaison de l'hydrogène et de l'oxygène pour produire des températures élevées, peut aussi être utilisée pour fondre le platine, réaliser la soudure autogène des feuilles de plomb, de platine (utilisation du chalumeau de Sainte-Claire-Deville et Debray). 

L'hydrogène est également utilisé dans l'industrie spatiale comme combustible des fusées. Restent d'autres utilisations plus courantes de l'hydrogène :

Hydrogénisation des huiles végétales.
Depuis le début du XX^e siècle, l'hydrogène est utilisé pour produire des graisses destinées à l'industrie alimentaire, en hydrogénant des huiles végétales liquides bon marché. Les acides gras trans (Les lipides) qui en résultent, à l'exemple de la margarine, sont des solides à température ambiante et ont une durée de conservation plus longue que les huiles liquides. Cependant, les dangers pour la santé que représentent les graisses hydrogénées semblent diriger aujourd'hui l'industrie alimentaire vers un abandon progressif de leur production.

Utilisation dans l'industrie du pétrole.
Plus d'un quart de l'hydrogène produit industriellement est utilisée dans le traitement du pétrole brut. Il aide à briser les grosses molécules d'hydrocarbures afin de produire des molécules plus petites que l'on rencontre ensuite dans les carburants commerciaux. On utilise aussi l'hydrogène pour débarrasser les molécules d'hydrocarbures des atomes de soufre indésirables qu'elles contiennent.

Fabrication des engrais.
La plus grande partie de l'hydrogène est accaparée par la fabrication de l'ammoniac (NH3). Les neuf dixièmes de l'ammoniac étant ensuite utilisés dans la fabrication d'engrais. 

L'hydrogène dans la transition énergétique

On l'a vu, l'hydrogène se combine à l'oxygène de l'air pour produire de la vapeur d'eau avec avec une importante libération d'énergie. Une énergie qui peut répondre aux besoins de l'industrie et des transports. Il existe déjà plusieurs manières d'utiliser cette énergie. L'une d'entre elles consiste à brûler directement de l'hydrogène avec de l'oxygène en récupérant la chaleur produite. Ce principe est utilisé pour les moteurs à réaction (fusées, propulseurs de véhicules spatiaux), ainsi que pour les moteurs thermiques des véhicules roulants. Une autre option consiste à utiliser l'hydrogène dans des piles à combustible. Dans ces dispositifs (piles à hydrogène), l'hydrogène intervient dans un processus inverse de celui de l'électrolyse, associé à l'oxygène de l'air, pour produire directement de l'électricité alimentant ensuite un moteur électrique.

L'hydrogène libre n'est pas disponible sur Terre en quantité suffisante, et est de toute façon difficile à exploiter (les sources naturelles d’hydrogène, éventuellement envisageables, sont au fond des mers). Il faut d'abord le produire (par electrolyse de l'eau ou autre). Il est nécessaire de recourir pour celà à une source d'énergie déjà disponible (fossile, éolienne, solaire, hydraulique, nucléaire...). Si bien que si l'hydrogène, contrairement à l'essence, par exemple,  peut représenter un vecteur d'énergie propre (entendons que sa consommation n'est pas émettrice de CO2), il n'en va pas nécessairement de même pour les énergies auxquelles on recourt pour sa production.

Selon l'origine de l'énergie utilisée pour fabriquer de l'hydrogène, on lui attribue un qualificatif différent. Pour reprendre la terminologie introduite par l'Ademe (= Agence de l'environnement et de la maîtrise de l'énergie), on a ainsi :

• L'hydrogène renouvelable, produit  à partir de l'électrolyse de l’eau et en ne recourrant qu'à de l'électricité provenant d'une source renouvelable (éolienne, solaire, hydraulique).

• L'hydrogène fossile, issu du reformage d'hydrocarbures (sans captation du CO2). 

• L'hydrogène bas-carbone, produit par ce même procédé thermochique, mais accompagné de la captation du CO2 , produit par pyrolyse plasma du méthane, ou encore fabriqué (par électrolyse) à partir de l'électricité produite dans des centrales nucléaires.

Les diverses technologies mises en oeuvre pour la production, le stockage, le transport et l'utilisation finale de l'hyrogène définissent ce qu'il est convenu d'appeler la filière hydrogène. Pour l'instant, par delà les choix politiques dont dépend le développement de cette filière, des progrès techniques sont nécessaires à chaque étape, pour la rendre sûre et économiquement rentable. 

Le graal de la fusion de l'hydrogène.
La fusion nucléaire de l'hydrogène - celle-là même qui se produit dans le coeur du Soleil est des autres étoiles et qui est déjà la source primaire de toutes les énergies disponibles sur Terre -  pourrait, si elle était maîtrisée, fournir un approvisionnement énergétique pratiquement illimité à l'avenir. L'idée étant ici de provoquer, par des moyens industriels, la fusion de noyaux d'hydrogène (deutérium et tritium) et d'en utiliser l'énergie ainsi produite.

Une réaction chimique implique typiquement des énergies de l'ordre de 10³ kJ/mol. Une réaction de fusion implique des énergies plusieurs millions de fois supérieures. La première bombe reposant sur ce constat (bombe H ou bombe thermonucléaire) a explosé en 1952. L'enjeu aujourd'hui est la maîtrise de la fusion contrôlée (et non explosive, donc).

La bombe H. - La bombe thermonucléaire repose sur la fusion de noyaux d'hydrogène et génère un dégagement d'énergie bien supérieur à celui de la bombe atomique reposant sur la fission ou éclatement d'atomes lourds (uranium-238, par exemple). La réaction de base la plus simple correspond à la fusion de deux noyaux de deutérium (1p, 1n) pour former un noyau d'hélium-3 (2p,1n), ce qui libère de l'énergie et un neutron (n) qui est le moteur d'une réaction en chaîne. L'énergie requise pour le rapprochement des noyaux de deutérium est procurée par l'explosion une bombe à fission, dont le rôle est donc celui d'un détonateur.

Dans toutes les expériences menées jusqu'à présent, la quantité d'énergie utilisée pour démarrer la réaction dépasse la quantité produite. Mais il existe d'ores et déjà, à travers le monde, une dizaine de projets à grande échelle de développement d'une centrale expérimentale de production d'électricité  par fusion contrôlée. L'un de ces projets, nommé ITER (= International thermonuclear experimental reactor), et auquel participent 35 pays dont les 27 de l'Union Européenne, est implanté en France, à Saint-Paul-lez-Durance (Bouches-du-Rhône). 

La plupart des réacteurs à fusion envisagés aujourd'hui, visent à faire fusionner, à des températures extrêmement élevées, les noyaux de deutérium et les noyaux de tritium pour produire des noyaux d'hélium-4; un neutron est libéré à la suite de chaque noyau d'hélium créé. L'énorme quantité d'énergie produite par cette réaction, est ensuite utilisée, comme dans les centrales thermiques ou dans les centrales nucléaires à fission, pour produire de l'électricité. 

Les premières centrales à fusion contrôlée opérationnelles (techniquement maîtrisées et économiquement viables), susceptible de réduire enfin notre dépendance aux combustibles fossiles et à l'énergie nucléaire conventionnelle (de fission), ne sont cependant pas à espérer, au mieux, avant la fin du XXI^e siècle. 

En librairie. - Claude Béguin, Une chronique de l'hydrogène: Histoire des méthodes de production et des applications, PU Polytechnique, 2016. - Pierre-Étienne Franc et  Pascal Mateo, Hydrogène : la transition énergétique en marche! Alternatives, 2015. -  Thierry Alleau et Thomas Haessig, L'Hydrogène : énergie du futur?, EDP Sciences, 2007. John S. Ridgen, Hydrogen: The Essential Element, Harvard University Press, 2002. - G. K. Surya Prakash, Oleksandr V. Ostashko, Marshall Baker, Hydrogen Storage Technologies, New Materials, Transport, and Infrastructure, Academic Press, 2018. - Agata Godula-Jopek, Hydrogen Science and Engineering : Materials, Processes, Systems and Technology, Elsevier, 2016. - Philip J. A. Sallis, Hydrogen Production, Separation, and Purification for Energy, Elsevier, 2014. - John O'M. Bockris,  A. K. N. Reddy, Modern Electrochemistry: Volume 2A: Fundamentals of Electrodics, Springer, 2000.