Le dihydrogène
Présentation brève de l'hydrogène
L’élément hydrogène, dit « né de l’eau» en grec, est l’élément le plus abondant dans l’Univers, environ 90 % des atomes déjà connus. L’hydrogène est aussi présent sur Terre mais en très faible quantité. Il n'est pas présent sous forme d'atome c'est pourquoi il est nécessaire de trouver des solutions pour le fabriquer mais aussi le stocker.
molécule de dihydrogène
L'hydrogène est l'élément le plus ancien de l'univers. Il est apparu il y a environ 13 milliards d'années mais celui ci a été découvert au XVIème siècle par un alchimiste suisse Paracelse en observant, après une réaction chimique, « un air explosif ». Mais c’est le français Lavoisier qui baptisera ce gaz explosif "hydrogène".
Dès les années 1840, le dihydrogène fournissait l'éclairage public et le gaz de ville. Mais il fut vite remplacé par le pétrole car moins couteux. Le dihydrogène trouva ensuite un nouvel élan dans la seconde moitié du XXe siècle, avec les recherches autour des programmes spatiaux.
L’hydrogène est l’élément chimique le plus simple dans le tableau périodique. Son numéro atomique est 1. Son isotope le plus commun possède un proton. C’est donc le plus léger atome existant. L'hydrogène se combine avec la plupart des autres éléments car il possède une électronégativité moyenne (2,2) et peut ainsi former des composés avec des éléments métalliques ou non-métalliques. Les composés qu'il forme avec les métaux sont appelés hydrures, dans lesquels il se trouve sous forme d'ions H- qui parfois n'existent qu'en solution. Dans les composés avec les éléments non-métalliques, l'hydrogène forme des liaisons covalentes, car l'ion H+ a une trop forte tendance à s'associer avec les électrons. La molécule de dihydrogène est la plus énergetique : 120 MJ.kg^-1, soit 2,5 fois plus que le gaz naturel.
Paracelse
Lavoisier
Aspect technique
Histoire
Différentes façons de produire du dihydrogène :
Les industries ont de plus en plus besoin de produire du dihydrogène,
compte tenu du prix du pétrole et des gaz naturels. Cependant, pour
produire du dihydrogène, il est nécessaire d'avoir recours pour certaines
méthodes, à des matériaux très polluants comme le méthane ou le charbon
de bois lorsqu'ils sont consumés:
1ère méthode : Reformage
Le principe du reformage est sans aucun doute le procédé le plus courant
de fabrication du dihydrogène. Il consiste à la conversion de molécules à
l’aide de réactions chimiques du gaz naturel par de la vapeur d’eau surchauffée
(jusqu’à 800 °C). Le méthane réagit alors avec l'eau :
CH4 + H2O → CO + 3H2
Puis le CO va de nouveau réagir avec l'eau:
CO + H2O → CO2 + H2
Le terme employé est alors de vaporeformage. Malgré cette technique il est
nécessaire d’avoir recours au gaz naturel pour obtenir du dihydrogène d’un
côté et de l’autre du dioxyde de carbone.
2ème méthode : Gazéification
La gazéification nécessite l’utilisation de matière carboné comme du bois.
Elle se décompose en plusieurs étapes:
La pyrolyse ou volatilisation : Cette étape va permettre, en l'absence de dioxygène
( pour qu'il n'y ait pas de combustion) de décomposer la matière en molécules légères
à de hautes températures ( entre 200 et 1000 °C ). Il se crée alors un gaz et une matrice
solide nommée "char". Pour le cas du bois, cette matrice est du charbon de bois.
La combustion : Elle va permettre en présence d'air cette fois-ci, d'assècher le char
et nous obtenons aussi la réaction :
2C + O2 → 2CO
Grâce à cette réaction, le monoxyde de carbone va pouvoir réagir avec l'eau présent dans
l'air, par le biais des fortes températures:
CO + H2O → CO2 + H2
Cette méthode de production engendre malheureusement encore du dioxyde de carbone.
3ème méthode : Électrolyse (présentation de l'éxpérience réalisée, à l'oral)
L’électrolyse consiste à décomposer l’eau à l’aide d’un courant électrique pour
obtenir du dioxygène et du dihydrogène, selon les équations d'oxydoréduction suivantes :
A l’anode : 2H2O → O2 + 4H+ + 4e-
A la cathode: 2H+ + 2e- → H2
Ainsi nous obtenons l'équation d'oxydoréduction: 2H2O → 2H2 + O2
Or, d’après l’équation de Nernst, on a :
E= E°+RT/nF ln(aox^x/ared^y)
Avec : n : nombre d'électrons transférés dans la demi-réaction
a : activité chimique de l'oxydant et du réducteur
F : constante de Faraday, égale à 96 485 C⋅mol-1 = 1 F
R : constante des gaz parfaits, égale à 8,3144621 J·mol-1·K-1
T : température absolue en Kelvin
Or à température ambiante à 25°C, on a :
RT/F ln 10 =0,059V car ln X = log X ln 10
Ainsi on obtient :
E= E°+ 0,059/n log ( [ox]x/[red]y) à 25°C
Ainsi, d'après l'équation de Nernst, à l'anode, on a
E(O2/H2O)=E°(O2/H2O)+ (0,059/4) log PO2 × [H+aq]^4
et à la cathode:
E(H+/H2)=E°(H+/H2) + (0,059/2) × log( [H+aq]²/P H2
or nous savons que l'énergie potentielle de E°(H+/H2) = 0,00V et E°(O2/H2O) = 1,23V
Alors E(O2/H2O)= 1,3×log PO2 × [H+aq]°4
et E(H+/H2)=0,030× log( [H+aq]²/P H2).
Stockage
Stockage gazeux à pression faible (<400 bars) : c’est la méthode la plus simple pour le stocker, mais il
nécessite un volume très important car les molécules de dihydrogènes ne sont pas concentrées.
Stockage gazeux à pression importante : Le volume de stockage est nettement plus petit
et sa quantité est souvent plus importante que le stockage gazeux à pression faible
mais cette technique nécessite de l’énergie pour pouvoir compresser l’hydrogène. Ce type de
stockage peut être utilisé pour une voiture à hydrogène. En effet la voiture peut être constitué
de deux réservoirs renforcés de fibres de carbone qui contiennent approximativement 60
litres de dihydrogène gazeux (pression de 700 bars), soit l'équivalent de 5 kg permettant de
parcourir une distance de 500 km.
Stockage liquide : Son volume est encore plus faible que les 2 autres techniques vues
auparavant. Mais elle nécessite une dépense d’énergie très importante pour le passage de
l’état gazeux à l’état liquide. C’est la technique utilisée dans le domaine spatial.
Cette technique demande d’énormes précautions car comme l’hydrogène est la molécule la plus petite, son stockage nécessite l’utilisation de matières qui empêchent les fuites. Sa création se fait à froid et avec une pression encore plus importante que le stockage gazeux à pression forte. Ces réservoirs à dihydrogène liquide ne pèsent que 60 kg et peuvent contenir 12 kg de dihydrogène à -253°C. Avec cette quantité, une voiture peut parcourir environ 1000 km.
Schéma de struture d'un réservoir d'hydrogène moléculaire.
Stockage moléculaire : C'est un des axes de recherche prometteurs qui pourrait permettre d'utiliser du dihydrogène pour nos voitures. Il est plus inflammable et explosif que l'essence et son stockage constitue donc un problème. Afin de le résoudre, quelques équipes à travers le monde étudient la piste des hydrures métalliques. Ces alliages sont, en effet, capables d'absorber et de stocker l'hydrogène, à l'image d'une éponge, de manière stable et sûre. L'alliage métallique LaMg2Ni (lanthane, magnésium, nickel) est un conducteur électrique. En présence de dihydrogène (H2), il forme l'hydrure métallique LaMg2NiH7 qui, lui, est un isolant (Un isolant est un matériau qui permet d'empêcher les échanges d'énergie entre deux systèmes. On distingue : les isolants électriques, les isolants thermiques, les isolants phoniques et les isolants mécaniques). De plus, les chercheurs ont enfin compris le mécanisme d'absorption pour ce type d'hydrures, qui peuvent contenir désormais une plus grande densité de dihydrogène. Pour conclure, cet hydrure est lourd, cher et complexe à créer.
schéma de structure d'un réservoir d'hydrogène liquide