L'histoire et les utilisations de l'hydrogène

Aaron Granger et Parlons sciences
Lisibilité
8.12

Quels sont les liens avec mon programme d'études?

La facilité de combustion de l’hydrogène est ce qui en fait à la fois un élément chimique dangereux et une source d’énergie efficace.

Nom : hydrogène
Symbole : H
Numéro atomique : 1
Masse atomique : 1,008
Catégorie : non-métal réactif
Apparence : gaz incolore et inodore

L’hydrogène est le plus simple et le plus commun des éléments chimiques, ces composants de base de tout ce qui nous entoure. Si d’autres atomes se composent de protons, de neutrons et d’électrons, l’hydrogène ne comprend qu’un seul proton et qu’un seul électron. Il s’agit aussi de l’élément le plus répandu, puisqu’il compte pour environ trois quarts de toute la matière dans l’Univers.
 

Le savais-tu? 

Les États-Unis produisent environ 85 millions de mètres cubes d’hydrogène chaque année. Cela équivaut à plus de 50 fois le volume du Centre Rogers de Toronto!

L’hydrogène est un non-métal incolore et inodore. Dans sa forme la plus courante, il est extrêmement combustible. En d’autres mots, il tend à s’enflammer rapidement. Cela fait de lui une ressource fort dangereuse, mais aussi fort utile.

Quand l’hydrogène a-t-il été découvert?

L’hydrogène a été découvert en 1671 par le chercheur britannique Robert Boyle qui réalisait alors des expériences dans le cadre desquelles il plongeait divers métaux dans de l’acide. Quand on trempe un métal pur dans de l’acide, il se produit un phénomène appelé réaction de déplacement simple. Par exemple, si on laisse tomber un morceau de potassium (K) dans une solution d’acide chlorhydrique (HCI), on provoque la réaction suivante :

2K + 2HCl → 2KCl + H2

Le potassium solide — un métal — réagit avec l’acide et forme un sel appelé chlorure de potassium. Les atomes d’hydrogène restants se combinent alors pour former de l’hydrogène gazeux.  
Dans un article de 1776, Henry Cavendish, un autre chercheur britannique, a confirmé que l’hydrogène était un élément distinct. Comme Boyle avant lui, il a remarqué que cet élément était très inflammable. Plus précisément, il donne rapidement et violemment lieu à une réaction de combustion avec l’oxygène.

 

2H2 + O2 → 2H2O (+ chaleur)

 

L’histoire de l’hydrogène (2019) de CEA Recherche (6 min 04 sec).

La réaction fait en sorte que les molécules d’hydrogène et d’oxygène se combinent pour former de l’eau (H2O). Il s’agit d’une réaction exothermique, c’est-à-dire qu’elle génère de l’énergie calorifique (du feu). D’autres chercheurs allaient plus tard découvrir que c’est l’hydrogène qui alimente les réactions de fusion nucléaire au cœur de toutes les étoiles. Or, ce sont ces réactions qui produisent la lumière et la chaleur émises par ces dernières, dont le Soleil.

Le savais-tu? 

L’hydrogène fond à 14 K, soit -259,16 °C.

Comment s’est-on servi de l’hydrogène dans le passé?

Boyle et Cavendish avaient signalé non seulement l’inflammabilité de l’hydrogène, mais aussi le fait qu’il est moins dense (plus léger) que l’air. Il est donc idéal pour faire lever des choses comme des ballons de baudruche. Sur ce plan, il ressemble au deuxième plus répandu et plus simple élément : l’hélium. En fait, l’hydrogène soulève mieux les choses que ce dernier. Ce n’était donc qu’une question de temps avant qu’on se mette à concevoir des ballons remplis d’hydrogène à des fins de transport. Dès le début des années 1900, de gros dirigeables avaient déjà la cote pour se déplacer d’un endroit à l’autre.

L’engouement pour les dirigeables utilisant de l’hydrogène a cependant été bref. En 1937, une tragédie a eu lieu aux États-Unis; le dirigeable allemand Hindenburg a pris feu et explosé à Lakehurst, au New Jersey, tuant 36 personnes. 


Les concepteurs de dirigeables savaient que l’hydrogène était inflammable et que l’hélium aurait été plus sécuritaire. Mais l’hélium était rare et coûteux. Ils ont donc opté pour une solution plus économique, mais aussi plus risquée. Après le désastre du Hindenburg, l’hydrogène a rapidement été abandonné comme gaz de sustentation. C’est aussi à cette époque que les avions sont devenus plus populaires.

L’explosion du zeppelin Hindenburg
L’explosion du zeppelin Hindenburg démontre la combustibilité de l’hydrogène (Gus Pasquerella via Wikimedia Commons).

Comment s’est-on servi de l’hydrogène plus récemment?

Tu as probablement déjà vu des vidéos de la navette spatiale décollant du Kennedy Space Center ou s’arrivant à la Station spatiale internationale. Ce programme a été annulé en 2011, mais jusqu’à lors, la navette était le moyen principal pour les astronautes de la NASA d’aller dans l’espace. T’es-tu déjà demandé ce qui alimentait ses gigantesques moteurs? De l’hydrogène!

Le moteur principal de la navette fonctionnait en effet en brûlant de l’hydrogène et de l’oxygène liquides. Quelle puissance peut produire la combustion de l’hydrogène? Tellement qu’il est difficile de se l’imaginer! Ensemble, les trois moteurs de la navette produisaient à peu près la même quantité d’énergie que 120 locomotives! 

Les ingénieurs de la NASA connaissaient les dangers associés à l’hydrogène. Ils ont choisi de tirer parti de la puissance brute que cet élément pouvait produire en demeurant toutefois extrêmement prudents.

Mise à l’essai d’un moteur-fusée à hydrogène
Mise à l’essai d’un moteur-fusée à hydrogène J-2X prévu pour le système de lancement spatial (SLS) de la NASA. Cet engin est conçu pour envoyer des astronautes sur la Lune et sur Mars. L’hydrogène brûle très proprement, et les flammes produites sont presque invisibles (Source : NASA [domaine public], par le biais de ResearchGate).

Depuis peu, les gens souhaitent de plus en plus réduire l’impact qu’ils ont sur l’environnement. Une façon d’y arriver est d’arrêter de brûler des combustibles pour propulser nos voitures. On s’intéresse donc beaucoup au développement de véhicules alimentés par une pile à hydrogène. De plus, en brûlant, ce dernier ne produit pas de gaz à effet de serre comme l’essence, mais bien de l’eau! 

Le savais-tu? 

En 2018, les fabricants Honda, Hyundai et Toyota produisaient chacun un modèle de voiture alimenté par de l’hydrogène.

Contrairement au Hindenburg, les voitures à hydrogène le stockent sous une forme solide au lieu de gazeuse. Ce solide pourrait brûler à la suite d’un accident, mais il n’exploserait vraisemblablement pas. Les risques seraient à peu près les mêmes que ceux associés aux automobiles à essence. 

L’un des principaux problèmes liés à l’utilisation de l’hydrogène en guise de carburant automobile est son stockage. S’il procure plus d’énergie que l’essence en fonction de son poids, il en procure moins en fonction de son volume. Cela veut dire qu’il faut un réservoir relativement gros pour pouvoir parcourir une distance raisonnable avant de devoir se réapprovisionner. Les réservoirs à essence de la plupart des voitures sont trop petits pour contenir l’hydrogène gazeux requis pour se déplacer d’un point à l’autre, même en restant en ville! 

Les scientifiques cherchent donc des moyens de faire passer l’hydrogène de l’état gazeux à l’état solide. Ils veulent ainsi hausser sa faible densité énergétique. Quand l’hydrogène est absorbé dans un produit chimique solide, cette densité peut en effet augmenter. Les chercheurs des universités, des entreprises et des gouvernements se penchent tous sur cette solution novatrice qui pourrait mettre l’hydrogène à l’avant-plan de l’économie énergétique.

L’hydrogène, vecteur d’énergie du futur ? (2019) de CEA Recherche (4 min 56 sec).

Depuis sa découverte en 1671, l’hydrogène est de mieux en mieux compris. Nous nous en sommes servi pour faire voler des dirigeables et propulser des gens dans l’espace. Un jour, nous l’utiliserons peut-être pour alimenter nos voitures!
 

POINTS DE DÉPART

Connecter et Relier

  • Qu’est-ce qui te vient à l’esprit quand tu entends le terme « hydrogène »?  
  • Si tu achetais une nouvelle voiture, considérerais-tu un modèle doté d’une pile à hydrogène? Pourquoi, ou pourquoi pas? 
     

Connecter et Relier

  • Qu’est-ce qui te vient à l’esprit quand tu entends le terme « hydrogène »?  
  • Si tu achetais une nouvelle voiture, considérerais-tu un modèle doté d’une pile à hydrogène? Pourquoi, ou pourquoi pas? 
     

Relier la Science et la Technologie à la Société et à l'Environnement

  • Pourquoi importe-t-il de faire de la recherche et du développement dans le domaine des nouveaux carburants?
  • Quels moyens les gouvernements pourraient-ils employer pour limiter la quantité de gaz à effet de serre émis dans l’atmosphère? 
  • Les gouvernements devraient-ils offrir des incitatifs aux fabricants et aux consommateurs pour faire en sorte qu’il y ait davantage de voitures à hydrogène sur nos routes? Explique.
  • Initialement, le prix des modèles à hydrogène se situera dans la fourchette des voitures de luxe. Penses-tu que cela aura un effet négatif sur les ventes? Explique.
     

Relier la Science et la Technologie à la Société et à l'Environnement

  • Pourquoi importe-t-il de faire de la recherche et du développement dans le domaine des nouveaux carburants?
  • Quels moyens les gouvernements pourraient-ils employer pour limiter la quantité de gaz à effet de serre émis dans l’atmosphère? 
  • Les gouvernements devraient-ils offrir des incitatifs aux fabricants et aux consommateurs pour faire en sorte qu’il y ait davantage de voitures à hydrogène sur nos routes? Explique.
  • Initialement, le prix des modèles à hydrogène se situera dans la fourchette des voitures de luxe. Penses-tu que cela aura un effet négatif sur les ventes? Explique.
     

Explorer les Concepts

  • Quels autres carburants de remplacement sont-ils actuellement à l’étude?
  • Comment les piles à hydrogène produisent-elles de l’énergie?
  • Selon l’article, l’hydrogène solide pourrait brûler à la suite d’un accident, mais il n’exploserait vraisemblablement pas. Explique.
  • Nomme d’autres réactions de déplacement simple où de l’hydrogène gazeux est produit.
     

Explorer les Concepts

  • Quels autres carburants de remplacement sont-ils actuellement à l’étude?
  • Comment les piles à hydrogène produisent-elles de l’énergie?
  • Selon l’article, l’hydrogène solide pourrait brûler à la suite d’un accident, mais il n’exploserait vraisemblablement pas. Explique.
  • Nomme d’autres réactions de déplacement simple où de l’hydrogène gazeux est produit.
     

Nature de la Science / Nature de la Technologie

  • Comment nos opinions ont-elles évolué avec le temps sur ce qui pourrait être considéré comme un « bon » carburant?
  • Quel rôle la recherche scientifique joue-t-elle dans la production de technologies susceptibles de réduire les émissions de gaz à effet de serre?
     

Nature de la Science / Nature de la Technologie

  • Comment nos opinions ont-elles évolué avec le temps sur ce qui pourrait être considéré comme un « bon » carburant?
  • Quel rôle la recherche scientifique joue-t-elle dans la production de technologies susceptibles de réduire les émissions de gaz à effet de serre?
     

Littératie Médiatique

  • Nomme des stratégies employées par les annonceurs pour vendre des véhicules écoénergétiques.
  • Les reportages sur les avancées en matière d’énergies nouvelles créent-ils des attentes pour des produits qui pourraient ne pas se concrétiser dans un avenir rapproché? Explique.
  • Selon toi, de quelles façons une campagne publicitaire pour une voiture à hydrogène différerait-elle de celle pour une voiture ordinaire?
  • Crée une campagne médiatique pour une voiture à hydrogène.
     

Littératie Médiatique

  • Nomme des stratégies employées par les annonceurs pour vendre des véhicules écoénergétiques.
  • Les reportages sur les avancées en matière d’énergies nouvelles créent-ils des attentes pour des produits qui pourraient ne pas se concrétiser dans un avenir rapproché? Explique.
  • Selon toi, de quelles façons une campagne publicitaire pour une voiture à hydrogène différerait-elle de celle pour une voiture ordinaire?
  • Crée une campagne médiatique pour une voiture à hydrogène.
     

Suggestions d'enseignement

  • Cet article et les vidéos intégrées peuvent être utilisés pour l’enseignement et l’apprentissage de la chimie en ce qui a trait aux éléments chimiques, à la combustion, aux réactions endothermiques et exothermiques, aux piles à combustible et aux sources d’énergie. On y trouve des concepts liés aux électrons, aux protons, aux non-métaux, à la combustibilité, aux acides, aux réactions de déplacement simple, au chlorure de potassium, aux réactions de combustion, aux réactions exothermiques, à l’énergie calorique, à l’hélium, aux dirigeables, à la navette spatiale, aux piles à hydrogène et à la densité énergétique.
  • Avant de lire cet article, les enseignants peuvent fournir aux élèves un Aperçu du vocabulaire afin qu’ils accèdent à des connaissances antérieures et acquièrent une nouvelle terminologie. Les fiches reproductibles prêtes à l’emploi de cette stratégie d’apprentissage sont disponibles en formats [Google doc] et [.pdf].
  • Après avoir lu cet article et visionné les vidéos intégrées, les élèves peuvent explorer les avantages et les inconvénients des véhicules alimentés par l’hydrogène en se servant d’un Organisateur du pour et du contre. Les fiches reproductibles prêtes à l’emploi sur cette stratégie d’apprentissage sont disponibles en formats [Google doc] et [.pdf].

Suggestions d'enseignement

  • Cet article et les vidéos intégrées peuvent être utilisés pour l’enseignement et l’apprentissage de la chimie en ce qui a trait aux éléments chimiques, à la combustion, aux réactions endothermiques et exothermiques, aux piles à combustible et aux sources d’énergie. On y trouve des concepts liés aux électrons, aux protons, aux non-métaux, à la combustibilité, aux acides, aux réactions de déplacement simple, au chlorure de potassium, aux réactions de combustion, aux réactions exothermiques, à l’énergie calorique, à l’hélium, aux dirigeables, à la navette spatiale, aux piles à hydrogène et à la densité énergétique.
  • Avant de lire cet article, les enseignants peuvent fournir aux élèves un Aperçu du vocabulaire afin qu’ils accèdent à des connaissances antérieures et acquièrent une nouvelle terminologie. Les fiches reproductibles prêtes à l’emploi de cette stratégie d’apprentissage sont disponibles en formats [Google doc] et [.pdf].
  • Après avoir lu cet article et visionné les vidéos intégrées, les élèves peuvent explorer les avantages et les inconvénients des véhicules alimentés par l’hydrogène en se servant d’un Organisateur du pour et du contre. Les fiches reproductibles prêtes à l’emploi sur cette stratégie d’apprentissage sont disponibles en formats [Google doc] et [.pdf].

En savoir plus

  • Hydrogène L’Encyclopédie Canadienne (2014) Discute principalement la façon dont le Canada participe à la production d'hydrogène comme carburant
  • La catastrophe du Hindenburg (2017) L’Obs Description de la destruction de l'Hindenburg et de sa place dans l'histoire
  • Les piles à combustible - Futura Sciences Décrit plusieurs types de piles à combustible et leurs utilisations
  • Les piles à combustible - H2Sys Explique le fonctionnement des piles à combustible, y compris des formules chimiques et des diagrammes

Références

Aerojet Rocketdyne. (2019). RS-25 engine.

Barbir, F. (n.d.). Safety issues of hydrogen in vehicles. University of Illinois.

Cavendish, H. (1766). Three papers, containing experiments on factitious air. Philosophical Transactions of the Royal Society. 56,141-184. DOI: 10.1098/rstl.1766.0019

JLab Science Education. (n.d.). It's elemental - The element hydrogen.

Los Alamos National Laboratory. (n.d.). Periodic table of elements.

Royal Society of Chemistry. (n.d.). Hydrogen - Element information, properties and uses.