Hydrogène

Sa configuration 1s¹ correspond à celle des métaux alcalins : il possède un seul électron de valence qu'il peut perdre pour former H⁺. Cependant, son électronégativité est beaucoup plus élevée et il peut également gagner un électron pour former H⁻, comme les halogènes du groupe 17. Il occupe donc la première position du groupe 1 en raison de sa configuration électronique, même si certains tableaux le placent aussi au-dessus du groupe 17.

Ces termes désignent les modes de production de l'hydrogène, et non des types de molécules différents. L'hydrogène gris est obtenu par reformage du gaz naturel et émet environ 9 kg de CO₂ par kilogramme de H₂. L'hydrogène bleu utilise le même procédé, mais une grande partie du CO₂ est captée. L'hydrogène vert est produit par électrolyse de l'eau avec de l'électricité renouvelable, sans émissions directes.

Parce que deux atomes d'hydrogène partagent leurs électrons dans une liaison covalente et complètent chacun leur couche électronique avec deux électrons, comme l'hélium. Cette association libère beaucoup d'énergie, si bien que la molécule H₂ est nettement plus stable que deux atomes séparés. La rupture de cette liaison nécessite 436 kJ par mole.

C'est une interaction attractive entre un atome d'hydrogène lié à un atome très électronégatif (oxygène, azote ou fluor) et une paire d'électrons d'une autre molécule. Elle est faible par rapport à une liaison chimique covalente, mais leur effet collectif permet à l'eau de rester liquide, stabilise la double hélice de l'ADN et contribue au repliement des protéines. Sans elle, la chimie de la vie serait profondément différente.

Parce que les molécules d'eau s'attirent mutuellement grâce aux liaisons hydrogène : l'hydrogène lié à l'oxygène porte une charge partielle positive et attire l'atome d'oxygène d'une molécule voisine. Ce réseau nécessite beaucoup d'énergie pour être rompu, ce qui élève le point d'ébullition à 100 °C. Sans ces interactions, l'eau bouillirait bien en dessous de 0 °C.

Ce sont les trois isotopes de l'hydrogène : ils possèdent tous un proton, mais diffèrent par leur nombre de neutrons. Le protium n'en possède aucun et représente 99.98 % de l'hydrogène naturel. Le deutérium possède un neutron, est stable et a une masse environ deux fois supérieure. Le tritium possède deux neutrons, est radioactif avec une période de 12.3 ans et est utilisé dans la recherche sur la fusion nucléaire.

Il présente des avantages importants : sa combustion ne produit que de l'eau et les piles à combustible génèrent de l'électricité sans émissions directes. Cependant, il pose de grands défis : il doit être comprimé à 700 bar ou liquéfié à −253 °C, ses fuites sont difficiles à éviter et, aujourd'hui, il est presque entièrement produit à partir du gaz naturel. Il pourrait jouer un rôle clé dans l'industrie et les transports lourds si le coût de l'hydrogène vert diminue.