Introduction to Chemistry

Term

• diatomicConsisting of two atoms

Physical Properties of Hydrogen

Hydrogen is the smallest chemical element because it consists of only one proton in its nucleus. Son symbole est H, et son numéro atomique est 1. Il a un poids atomique moyen de 1,0079 amu, ce qui en fait l’élément le plus léger. L’hydrogène est la substance chimique la plus abondante dans l’univers, notamment dans les étoiles et les planètes géantes gazeuses. Cependant, l’hydrogène monoatomique est rare sur Terre ; il est rare en raison de sa propension à former des liaisons covalentes avec la plupart des éléments. À température et pression normales, l’hydrogène est un gaz diatomique non toxique, non métallique, inodore, insipide, incolore et hautement combustible, dont la formule moléculaire est H2. L’hydrogène est également répandu sur Terre sous forme de composés chimiques tels que les hydrocarbures et l’eau.

L’hydrogène possède un proton et un électron ; l’isotope le plus courant, le protium (1H), ne possède pas de neutrons. L’hydrogène a un point de fusion de -259,14 °C et un point d’ébullition de -252,87 °C. L’hydrogène a une densité de 0,08988 g/L, ce qui le rend moins dense que l’air. Il possède deux états d’oxydation distincts, (+1, -1), ce qui lui permet d’agir à la fois comme agent oxydant et agent réducteur. Son rayon covalent est de 31,5 pm.

L’hydrogène existe sous la forme de deux isomères de spin différents de molécules diatomiques d’hydrogène qui diffèrent par le spin relatif de leurs noyaux. La forme orthohydrogène a des spins parallèles ; la forme parahydrogène a des spins antiparallèles. À température et pression normales, l’hydrogène gazeux se compose de 75 % d’orthohydrogène et de 25 % de parahydrogène. L’hydrogène est disponible sous différentes formes, comme l’hydrogène gazeux comprimé, l’hydrogène liquide et l’hydrogène slush (composé de liquide et de solide), ainsi que sous des formes solides et métalliques.

Propriétés chimiques de l’hydrogène

Le gaz hydrogène (H2) est hautement inflammable et brûle dans l’air à une très large gamme de concentrations comprises entre 4 % et 75 % en volume. L’enthalpie de combustion de l’hydrogène est de -286 kJ/mol, et est décrite par l’équation :

2 H_2(g) + O_2(g) \rightarrow 2 H_2O(l) + 572 kJ (286 kJ/mol H_2)

L’hydrogène gazeux peut également exploser dans un mélange de chlore (de 5 à 95 pour cent). Ces mélanges peuvent exploser en réponse à une étincelle, à la chaleur ou même à la lumière du soleil. La température d’auto-inflammation de l’hydrogène (température à laquelle une combustion spontanée se produit) est de 500 °C. Les flammes d’hydrogène et d’oxygène purs émettent une lumière ultraviolette et sont invisibles à l’œil nu. En tant que telle, la détection d’une fuite d’hydrogène en feu est dangereuse et nécessite un détecteur de flammes. L’hydrogène flottant dans l’air, les flammes d’hydrogène montent rapidement et causent moins de dégâts que les feux d’hydrocarbures. H2 réagit avec les éléments oxydants, qui réagissent à leur tour spontanément et violemment avec le chlore et le fluor pour former les halogénures d’hydrogène correspondants.

L’hydrogène forme des composés avec la plupart des éléments malgré sa stabilité. Lorsqu’il participe à des réactions, l’hydrogène peut avoir une charge positive partielle lorsqu’il réagit avec des éléments plus électronégatifs comme les halogènes ou l’oxygène, mais il peut avoir une charge négative partielle lorsqu’il réagit avec des éléments plus électropositifs comme les métaux alcalins. Lorsque l’hydrogène se lie au fluor, à l’oxygène ou à l’azote, il peut participer à une forme de liaison non covalente (intermoléculaire) de force moyenne appelée liaison hydrogène, qui est essentielle à la stabilité de nombreuses molécules biologiques. Les composés qui ont une liaison hydrogène avec les métaux et les métalloïdes sont connus sous le nom d’hydrures.

L’oxydation de l’hydrogène enlève son électron et donne l’ion H+. Souvent, le H+ dans les solutions aqueuses est désigné comme l’ion hydronium (H3O+). Cette espèce est essentielle en chimie acide-base.

Isotopes de l’hydrogène

L’hydrogène existe naturellement sous forme de trois isotopes, notés 1H, 2H et 3H. Le 1H existe à 99,98 % d’abondance et porte le nom officiel de protium. Le 2H est appelé deutérium et contient un électron, un proton et un neutron (nombre de masse = 2). Le deutérium et ses composés sont utilisés comme marqueurs non radioactifs dans les expériences chimiques et dans les solvants pour la spectroscopie 1H-RMN. Le 3H est connu sous le nom de tritium et contient un proton, deux neutrons et un électron (nombre de masse = 3). Il est radioactif et se désintègre en hélium 3 par désintégration bêta avec une demi-vie de 12,32 ans.