HYDROGÈNE

Le dihydrogène, souvent appelé par abus de langage hydrogène, est une molécule constituée de 2 atomes d'hydrogène H reliés par une liaison covalente de formule brute H2.

I- Étymologie

Le nom hydrogène vient du chimiste français Antoine Lavoisier notamment célèbre pour la maxime "Rien ne se perd, rien se crée, tout se transforme". Il est formé par 2 mots grecs, hudôr signifiant eau et gennen signifiant engendrer. En effet, le mot hydrogène a été employé, avant de désigner l'atome, pour parler de quelque chose qui engendre l'eau. 

II- Production du dihydrogène

Il peut, sous certaines conditions, être utilisé comme carburant dans des véhicules. Pour cela, il doit d'abord être produit. Il est l'espèce chimique la plus abondante sur Terre et même dans l'Univers mais il n'est jamais sous forme de dihydrogène H2. Dans les faits, il n'existe actuellement qu'un seul gisement d'hydrogène naturel exploitable sur Terre. Ce gisement se situe au Mali dans un village du nom de Bourakébougou. C'est trop peu pour subvenir aux besoins actuels. C'est ainsi qu'il existe 2 méthodes principales pour produire du dihydrogène.

1- Reformage du méthane

En 2015, environ 96 % d'hydrogène était produit à partir du reformage du méthane. Le méthane est un hydrocarbure, c'est-à-dire que c'est une molécule organique composée exclusivement d'atomes d'hydrogène H et de carbone C. Dans ce cas précis, sa formule brute est CH4. Cette molécule compose notamment le gaz naturel. Le méthane est facilement extraite du sol.

Le méthane CH4 est donc chauffé dans des fours avec de l'eau H2O. Sous l'effet de la chaleur, les 2 espèces chimiques vont réagir ensemble pour former du dihydrogène H2 et du monoxyde de carbone CO. L'équation de la réaction est la suivante : CH4 + H2O → CO + 3H2. Le monoxyde de carbone produit réagit à son tour avec l'eau pour du dioxyde de carbone CO2. L'équation de la réaction est la suivante : CO + H2O → CO2 + H2. Au final, nous avons donc du méthane qui a réagit avec de l'eau pour former du dihydrogène qui sera stocké et du dioxyde de carbone qui sera rejeté dans l'air. L'équation globale de la réaction est la suivante : CH4 + 2H2O → CO2 + 4H2.

2- Électrolyse de l'eau 

L'eau H2O est constituée de 1 atome d'oxygène O et de 2 atomes d'hydrogène H. Il est donc possible de décomposer cette molécule dans le but de récupérer du dihydrogène H2. Ce processus est rendu possible grâce un procédé : l'électrolyse de l'eau.

On rempli 2 éprouvettes d'eau H2O (dans les faits on a, sous forme liquide, des ions OH- et H+) qu'on immerge dans un bac d'eau salée. Le sel est utilisé comme un électrolyte, c'est-à-dire que c'est un conducteur qui est utile car l'eau pure est très peu conductrice. On place 2 électrodes dans l'eau salée, une en dessous de chaque éprouvette. Nous avons 1 anode + et une cathode -. Lorsqu'on fait circuler de l'électricité entre les électrodes, on a, à la cathode, des électrons e- qui arrivent pour se combiner avec des ions H+ pour former des atomes H qui ensembles, forment des molécules de dihydrogène H2 qui se placent en haut de l'éprouvette située au-dessus de la cathode. De l'autre côté on a, à l'anode, des ions OH- qui cèdent leurs électrons supplémentaires pour former, des molécules de dioxygène O2 qui se regroupent en haut de l'éprouvette située au-dessus de l'anode, et des molécules d'eau H2O. L'équation globale de la réaction est donc : 2H2O → O2 + 2H2. Le dihydrogène est ensuite stocké pour être utilisé ultérieurement.

II- Utilisation dans un véhicule

Une fois l'hydrogène produit, il peut être exploité comme un carburant afin de faire rouler un véhicule. Il existe actuellement 2 principaux types de moteur capable de fonctionner avec de l'hydrogène.

1- Moteur à combustion

Ce moteur fonctionne de la même manière qu'un moteur sauf qu'au lieu d'être associé avec de l'essence, le dioxygène O2 de l'air réagit avec du dihydrogène afin d'actionner un piston capable de créer de l'énergie thermique qui devient ensuite de l'énergie mécanique tout en ne rejetant que de l'eau H2O. L'équation de la réaction est la suivante : 2H2 + O2 → 2H2O. Cette méthode est tout de même assez peu répandue car elle dispose d'un faible coût environ 2 fois inférieur à celui d'une pile à combustible et elle est dégage plus de pollution sonore, son seul avantage étant qu'elle est moins coûteuse.

2- Pile à combustible

Le dispositif le plus largement répandu est la pile à combustible qui est alimentée par de l'hydrogène. Elle est constituée de différentes cellules empilées les unes sur les autres qui produisent de l’électricité. Cette pile fonctionne presque comme une pile classique. Il y a 2 électrodes, 1 anode et 1 cathode séparées par une membrane électrolyte qui retient les électrons mais qui laisse passer les ions. L'anode reçoit des molécules de dihydrogène H2 qui sont décomposées : des électrons d'un côté et des ions H+ de l'autre. Les H+ traversent la membrane. L'équation de la réaction au sein de l'anode est la suivante : H2 → 2(H+) + 2e-. De l'autre côté, la cathode reçoit du dioxygène O2 de l'air. En plaçant un conducteur en les 2 électrodes, les électrons vont passer de l'anode à la cathode. Le mouvement de ces mêmes électrons créent donc de l'énergie électrique. À la fin du processus, les électrons se combinent avec les ions H+ pour redevenir des atomes d'hydrogène H qui se combinent à leur tour avec des atomes d'oxygène O pour former de l'eau H2O qui est ensuite rejetée dans l'air. L'équation de la réaction au sein de la cathode est la suivante : 4(H+) + 4(e-) + O2 → 2H2O. L'équation globale de la réaction est donc : 2H2 + O2 → 2H2O.