L’histoire et les utilisations de l’hydrogène

L’hydrogène est le plus simple et le plus commun des éléments chimiques, qui sont les blocs de construction de toute matière. Les autres atomes sont constitués de protons, de neutrons et d’électrons. Mais l’hydrogène ne possède qu’un électron et un proton. C’est aussi l’élément le plus abondant. En fait, l’hydrogène constitue environ les trois quarts de toute la matière dans l’univers.

Le saviez-vous ?

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 à Toronto!

L’hydrogène est un non-métal incolore et inodore. Sous sa forme la plus courante, il est extrêmement combustible. En d’autres termes, il a tendance à s’enflammer. Cette tendance fait de l’hydrogène une ressource à la fois très dangereuse et très utile.

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

L’hydrogène a été découvert pour la première fois en 1671 par le scientifique britannique Robert Boyle. Il avait fait des expériences avec différents métaux en les plongeant dans de l’acide. Lorsqu’un métal pur est placé dans l’acide, un type de réaction appelé réaction à déplacement unique a lieu. Par exemple, l’ajout d’un morceau de potassium (K) à une solution d’acide chlorhydrique (HCl) entraîne la réaction suivante :

2K + 2HCl → 2KCl + H2

Le métal de potassium solide réagit avec l’acide pour former un sel appelé chlorure de potassium. Pendant ce temps, les atomes d’hydrogène restants se combinent pour former du gaz d’hydrogène.

Dans un article de 1776, un scientifique britannique nommé Henry Cavendish a confirmé que l’hydrogène est un élément distinct. Boyle et Cavendish ont tous deux remarqué que l’hydrogène gazeux est très inflammable. Plus précisément, il subit rapidement et violemment une réaction de combustion avec l’oxygène.

2H2 + O2 → 2H2O (+ chaleur)

La réaction prend des molécules d’hydrogène et d’oxygène et les combine ensemble pour former H2O (eau). Cette réaction est exothermique. Cela signifie qu’elle génère de l’énergie thermique – en d’autres termes, du feu. D’autres scientifiques découvriront plus tard que l’hydrogène fournit le combustible pour les réactions de fusion nucléaire qui se produisent à l’intérieur des étoiles. Ces réactions de fusion génèrent toute la lumière et la chaleur que le Soleil et les autres étoiles produisent.

Le saviez-vous ?

L’hydrogène fond à 14° au-dessus du zéro absolu (14° Kelvin ou -259 C

À quoi l’hydrogène a-t-il été utilisé dans le passé ?

En plus de son inflammabilité, Boyle et Cavendish ont également observé que l’hydrogène est moins dense (plus léger) que l’air. L’hydrogène est excellent pour soulever des choses comme des ballons. En ce sens, il est similaire au deuxième élément le plus simple, l’hélium. En fait, l’hydrogène est même meilleur que l’hélium pour soulever des objets. Ce n’était donc qu’une question de temps avant que les gens ne commencent à concevoir des ballons remplis d’hydrogène pour le transport. Au début des années 1900, les grands dirigeables qui utilisaient l’hydrogène comme gaz de sustentation étaient devenus une forme populaire de voyage aérien.

Cependant, l’engouement pour les dirigeables remplis d’hydrogène n’a pas duré longtemps. En 1937, une tragédie a frappé les États-Unis. Le dirigeable allemand Hindenburg prend feu et explose à Lakehurst, dans le New Jersey, tuant 36 personnes.

Les concepteurs du dirigeable savaient que l’hydrogène est inflammable et que l’hélium était un choix plus sûr. Cependant, l’hélium était rare et cher. Ils ont donc opté pour l’option la moins chère mais la moins sûre. Après la catastrophe du Hindenburg, l’hydrogène a rapidement été abandonné comme gaz de sustentation. Au même moment, les avions devenaient plus courants.

À quoi l’hydrogène a-t-il été utilisé plus récemment ?

Vous avez probablement vu des vidéos d’un lancement de navette spatiale depuis le Centre spatial Kennedy ou d’un amarrage à la Station spatiale internationale. Ce programme a été annulé en 2011. Mais jusque-là, la navette était le principal moyen pour les astronautes de la NASA d’aller dans l’espace. Vous vous êtes déjà demandé ce qui alimentait ces moteurs imposants ? C’était l’hydrogène!

Le moteur principal de la navette spatiale était alimenté par la combustion d’hydrogène liquide et d’oxygène liquide. Quelle quantité d’énergie la combustion de l’hydrogène fournit-elle ? Tellement que c’est difficile à imaginer ! Trois moteurs de la navette spatiale fonctionnant ensemble dégagent à peu près la même quantité d’énergie que 120 locomotives de chemin de fer.
Les ingénieurs de la NASA ont également compris à quel point l’hydrogène pouvait être dangereux. Cependant, ils ont décidé qu’ils pourraient profiter de toute cette puissance brute à condition d’être très prudents.

Ces derniers temps, les gens s’intéressent de plus en plus à la réduction de leur impact sur l’environnement. Une façon de le faire est d’arrêter de brûler du carburant pour alimenter les voitures. Le développement de voitures alimentées par des piles à hydrogène suscite un grand intérêt. L’avantage de l’utilisation de l’hydrogène pour alimenter les voitures est que, contrairement à l’essence, le produit résiduel n’est pas un gaz à effet de serre – c’est de l’eau!

Le saviez-vous ?

En 2018, il y a trois voitures à hydrogène en production. Honda, Hyundai et Toyota produisent chacun une voiture à hydrogène.

À la différence du Hindenburg, les voitures à hydrogène n’ont pas besoin d’être super légères comme des ballons, le carburant est donc comprimé et stocké dans des réservoirs très résistants pour éviter les fuites. La meilleure solution serait de stocker le carburant sous forme de solide plutôt que de gaz. Le matériau peut toujours brûler à la suite d’un accident. Toutefois, il est peu probable qu’il explose. Le risque d’incendie en cas d’accident est à peu près le même qu’avec une voiture à essence.

Mais l’un des principaux problèmes de l’utilisation de l’hydrogène comme source de carburant pour les voitures est le stockage. L’hydrogène a plus d’énergie que l’essence en poids, mais il a moins d’énergie en volume. Cela signifie que vous avez besoin d’un assez gros réservoir d’hydrogène pour conduire votre voiture sur une distance raisonnable avant de faire le plein. Les réservoirs d’essence de la plupart des voitures sont trop petits pour stocker suffisamment de gaz d’hydrogène pour se déplacer en ville !

Les scientifiques ont cherché à convertir l’hydrogène d’un gaz à un solide. La raison en est la faible densité énergétique. Lorsque l’hydrogène est absorbé dans un produit chimique solide, il peut gagner une densité énergétique plus élevée. Les chercheurs universitaires, industriels et gouvernementaux se penchent tous sur cette façon innovante de mettre l’hydrogène au premier plan de l’économie énergétique.