Chapitre 76 – L`hydrogène – Partie 1

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Chapitre 76
INTRODUCTION
L’hydrogène occupe la place la plus importante de tous
les éléments dans les composés organiques. Il est présent
dans l’eau sous forme oxydée. Il suffit alors d’un agent réduc-
teur comme du charbon de bois ou du coke pour libérer l’hy-
drogène présent dans les vapeurs d’eau. Les réserves ainsi
disponibles dureront plus d’un million d’années et serviront
de combustible pour nos futurs moteurs à l’hydrogène. Qui
dit mieux ?
EN TÊTE DE LISTE
L’hydrogène est le plus petit des éléments et le plus im-
pliqué dans tous les processus vitaux et évolutifs de l’univers.
Il est le premier sur la liste des 115 éléments présentement
connus. Son atome n’a qu’un seul électron sur une seule
pelure et il est prêt à le donner ou à le partager avec tout élé-
ment qui l’entoure, pour se stabiliser sous une forme ressem-
blant au gaz inerte hélium (He).
L ‘IMPORTANCE DE L’HYDROGÈNE
Le gaz hydrogène ne représente que 0,5 ppm des gaz
de l’atmosphère terrestre. Il se trouve en quantité égale à
l’oxyde nitreux (NO2), un GES. Il représente une trace dans
notre atmosphère, qui contient 78 % d’azote (N), 21 % d’oxy-
gène (O) et 0,037 % de CO2. L’hydrogène est plus abondant
que l’ozone (74, 75) dont on ne trouve que des traces, tout
comme le monoxyde de carbone (CO) et le gaz ammoniac
(NH3). À 2 500 kilomètres de la terre, l’atmosphère contient
presque exclusivement des atomes d’hydrogène ionisés mais
très dispersés et sous très basse pression. Cependant, dans
tout l’univers solide, liquide et gazeux, l’hydrogène représen-
terait 90 % des atomes et 75 % de la masse.
Les humains ont découvert d’abord que les éléments ra-
dioactifs comme l’uranium contenait des particules équiva-
lentes à des atomes d’hydrogène que l’on pouvait libérer par
la fission ou libération. Ce fut le système utilisé pour produire
la première bombe atomique, qui laissait un environnement
radioactif pendant plusieurs années.
La totalité des 115 éléments identifiés jusqu’à présent
sont constitués d’atomes qui s’attirent les uns les autres pour
former des corps identifiables. Le principe d’attirance entre
chaque atome d’un même élément dépend de la présence
de trois constituants. Au centre, on trouve un noyau qui
contient les protons, avec charges positives, et des neutrons
sans charge. Le nombre de protons établit le nombre ato-
mique de l’élément. L’atome d’hydrogène possède un seul
proton et un seul neutron au centre. Son nombre atomique
est donc de un. Pour maintenir l’équilibre électrique dans cet
atome, il faut une charge électrique négative équivalente,
l’électron, qui est parfois 2 000 fois plus petit que le proton et
le neutron dans le noyau central.
Actuellement, seulement 6 % de toute l’énergie
produite dans le monde provient des centrales
nucléaires avec fusion contrôlée.
Figure 76.4
Figure 76.1
NOURRIR LES PLANTES
L’HYDROGÈNE
Partie 1
Légende :
e Électrons
présents
P Protons
N Neutrons
Pelure
Rapport Hydrogène vs Hélium
P
Ne+ e
Hydrogène (gaz)
(très actif)
Hélium (gaz)
(stable)
P
N
ee

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Par exemple, le nombre atomique est de 1 pour l’hydro-
gène mais de 8 pour l’oxygène. Chaque noyau contient autant
de neutrons sans charge électrique que de protons positifs
qui déterminent la masse ou le poids de l’atome. Donc, la
masse ou poids atomique de l’hydrogène est 2, celle de l’oxy-
gène 16. La plupart des éléments ont des variantes ato-
miques, dû au nombre de neutrons qui siègent avec les
protons dans le noyau central. Pour sa part, le carbone (C),
identifié comme l’atome standard de référence dans le
monde scientifique, possède 12 protons et 12 neutrons dans
son noyau central, avec 12 électrons répartis sur 3 pelures (68)
dont 4 sur la pelure extérieure. Il existe des atomes avec 13
ou 14 protons appelés carbone 13 ou carbone 14. Le carbone
12 représente 99 % des atomes de carbone, c’est pourquoi on
utilise le poids atomique de 12 pour calculer le poids ato-
mique des substances contenant du carbone.
Si on bombarde un élément avec des rayons électro-
niques, on peut changer son comportement naturel en celui
d’un autre élément. En bombardant ainsi un atome de H, on
a obtenu deux autres sortes d’hydrogène qui existent en très
petite quantité, c’est-à-dire le deutérium (hydrogène à 2 pro-
tons et neutrons) et le tritium (hydrogène lourd à 3 protons
et neutrons). Ces éléments enrichis sont appelés isotopes. Or,
il existe 3 isotopes d’hydrogène et 6 isotopes d’oxygène en
très petites quantités dans la nature. C’est à cause de ces phé-
nomènes que l’on connaît maintenant 26 isotopes de molé-
cules d’eau (H-O-H) ou H2O qui sont présents et qui agissent
ou réagissent différemment dans la nature.
LA FUSION
Si on fusionne un deutérium à un tritium, on libère un
atome d’hydrogène rempli d’énergie extraordinaire. C’est le
principe de la fusion contrôlée des atomes d’hydrogène, qui
libère l’énergie de source nucléaire que nous utilisons. Sans
contrôle, c’est la bombe atomique à l’hydrogène.
La fusion continue d’atomes d’hydrogène existerait
dans le plasma du soleil dont la température au centre serait
de 40 millions de degrés centigrades, où tous les éléments
connus seraient en fusion. Ce plasma a une densité élevée qui
permettrait la fusion continue d’atome de deutérium et de
tritium, qui est source de chaleur et d’énergie. Pour réussir
cette réaction sur terre, il faut accélérer énormément la vitesse
de déplacement des atomes d’hydrogène dans un champ
magnétique très puissant, dans un espace très limité, puis
chauffer le deutérium aux rayons laser pour obtenir du tritium
qui est alors relâché.
Dans les océans, un atome d’hydrogène sur 6 500 est du
deutérium. Il y en aurait suffisamment pour produire toute
l’énergie dont la terre aurait besoin pendant plus d’un million
d’années. Actuellement, 6 % de toute l’énergie produite dans
le monde proviendrait de centrales nucléaires avec fusion
contrôlée. On prévoit un léger ralentissement momentané
dans l’utilisation de ce système, à cause des craintes suscitées
par l’éclatement des usines de Three Mile Island et de Tcher-
nobyl.
La production d’énergie par la fusion contrôlée de l’hy-
drogène ne libère pas de radioactivité, de fumée, de CO2, etc.
Par contre, les déchets radioactifs durent 100 000 ans. On les
enterre. Une pluviométrie abondante et une augmentation
de température, dues au réchauffement atmosphérique, de
même qu’une acidification accélérée hâteraient la désactiva-
tion des déchets. La dégradation des déchets radioactifs est
à son minimum sous les conditions polaires. La présence de
sodium (Na) dans le sol accélère la décomposition de ces
déchets, mais ces sols existent sous des conditions de faible
pluviométrie (62, 63). La topographie joue aussi un rôle de mo-
dificateur parce qu’elle affecte les quantités d’eau et la tem-
pérature locale de l’eau qui délave le sol.
RÉACTIONS CHIMIQUES
Lorsqu’il est seul et isolé, l’hydrogène est peu actif ou
réactif. Il est soluble dans les matières grasses, ce qui permet
l’hydrogénation des huiles pour les solidifier en ce que l’on
appelle les gras trans, pour gras transformés. On retrouve l’hy-
drogène dans les polymères fabriqués en nature ou dans les
industries, parce qu’il s’associe à l’oxygène (O), au carbone (C),
au phosphore (P), au soufre (S), au potassium (K), à l’azote (N),
etc. Il aide les molécules ainsi formées à se regrouper sous la
forme de molécules organiques complexes comme les sucres,
les amidons, la cellulose, les protéines, fibres et plastiques, etc.
Dans les milieux privés d’oxygène, l’hydrogène cause la
putréfaction. Comme on l’a vu aux chapitres 16 et 17, l’hydro-
gène est le maître d’œuvre du pH. Si l’atome H+ est libre et
dominant, il cause l’acidité. S’il forme un complexe avec l’oxy-
gène, il s’y associe et cause l’alcalinité ou l’acidité. C’est ainsi
que l’eau de pluie attaque et décompose tous les types de roc,
qu’ils soient acides, neutres ou alcalins. Si l’hydrogène s’asso-
cie à l’azote (N), il fait partie des GES. Il peut être agent réduc-
teur ou aider l’oxydation d’autres éléments environnants. Il
peut faire partie des agents hydratants parce qu’il constitue
la molécule d’eau H-O-H. Dans l’eau, l’ion H+ n’existe pas parce
qu’il réagit instantanément avec la molécule d’eau de la façon
suivante pour former la molécule hydronium (((H2O) + (H+))
(eau) = H3O (hydronium)). Cet hydronium réagit avec d’autres
molécules d’eau qui s’attachent les unes aux autres et forment
des molécules complexes d’eau. Celles-ci peuvent lier ensem-
ble jusqu’à 8 molécules d’eau.
L’attrait entre les molécules d’eau est plus puissant que
l’attrait d’autres sortes de molécules. Ce phénomène crée la
tension de surface de l’eau que l’on observe dans un verre
d’eau propre. C’est pourquoi la surface de l’eau près de la paroi
du verre prend une forme convexe. Si le contenant contient
des molécules métalliques ou organiques, la force d’attraction
de ces composés envers les molécules complexes d’eau est
plus puissante que celle des molécules d’eau entre elles. Ceci
donne une forme concave à la surface de l’eau près de la paroi.

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Ces deux phénomènes expliquent en partie pourquoi
l’eau pénètre plus ou moins rapidement entre les particules
de deux sols ayant une texture identique. La présence d’un
vernis organique de composition variable peut agir d’une
façon variable sur l’hydronium. C’est pourquoi la quantité
d’eau appliquée par aspersion doit respecter la capacité des
grains de sol de laisser passer l’eau. Par exemple, un orage qui
apporte 20 mm d’eau en 30 minutes peut causer beaucoup
d’érosion, alors que 20 mm en 24 heures n’en causeront pas.
Le phénomène de la tension de surface explique la dif-
férence entre un rinçage à l’eau naturelle et un lavage avec
savon ou détergent. Ces deux substances réduisent la force
d’attraction entre les molécules d’eau, qui causent l’effet
convexe. Le savon ou le détergent permet aux molécules
d’eau avec hydronium de s’accoler aux substances étrangères
que contiennent les saletés, ce qui les rend solubles. Les chi-
mistes emploient fréquemment les termes réduction/oxyda-
tion ou « redox » pour décrire un type de réaction chimique
entre 2 éléments, dont l’un est réducteur, l’autre oxydant. Il
s’agit en fait d’un échange d’électrons entre ces 2 éléments,
où l’hydrogène joue un rôle prépondérant. Par exemple, le
gaz ammoniac NH3présent dans le sol dû à la décomposition
des déchets organiques a un déficit de 3 électrons pour at-
teindre le stade inerte du gaz néon.
L’hydrogène peut fournir à l’ammoniac les électrons né-
cessaires à cette oxydation en passant par 8 étapes, pour at-
teindre le stade de nitrate, qui allie exclusivement l’oxygène
à l’azote : (NH3(ammoniac)) = (NO3(nitrate)).
Si on mélange de l’hydrazine liquide (N2H4), qui possède
un stade réduit et est très actif, à un oxyde d’azote liquide oxy-
dant, on obtient une réaction violente qui génère beaucoup
de chaleur. C’est pourquoi on utilise cette réaction d’oxydation
comme agent propulseur pour le lancement des fusées. C’est
le genre de réactions qui se produisent lentement lors du
compostage de déchets organiques.
P
e
e
e
+3e
e
e
e
e-
-
-
Azote
P
e
e
e
e
e
e
e
e
e
e
Néon
Forme convexe Forme concave
Figure 76.2 Figure 76.3
L’énergie du futur se trouve-t-elle dans nos océans ? Peut-être, car ceux-ci contiennent
du deutérium en quantité, soit un atome sur 6 500. C’est suffisant pour produire toute
l’énergie dont la terre aurait besoin pendant un million d’années.
Figure 76.5
Légende :
e Électrons présents
P Protons
Pelure