L'histoire et les utilisations de l'hydrogène

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)

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.

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.

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.

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!