Propriétés spécifiques de hydrogène ont conduit à une hypothèse dans le passé selon laquelle il s’agit probablement de métal. Son atome, par exemple, a une configuration électronique tout comme les métaux alcalins. Cependant, cet élément chimique n’est pas un métal.
Il s’agit d’un réservoir de carburant à hydrogène liquide utilisé dans la fusée SLS. Crédit image : NASA
Il y a 118 éléments connus de l’homme – en fonction de leurs propriétés, les scientifiques organisent tous les éléments du tableau périodique, en les regroupant en catégories que nous appelons métaux, non-métaux et métalloïdes.
L’hydrogène se trouve dans ce tableau juste au-dessus du lithium, qui est un métal alcalinet les deux ont leur électron le plus externe dans un s-orbitale. Mais la configuration électronique n’est pas la seule propriété séparant les métaux des non-métaux. Alors pourquoi l’hydrogène est-il placé dans le groupe des métaux alcalins du tableau périodique des éléments chimiques ?
Différences entre l’hydrogène et les métaux alcalins
Au moment où ce tableau d’éléments chimiques a été créé, cela semblait être le bon endroit pour mettre l’hydrogène. Après tout, il partage la même structure de base des orbitales d’électrons, connue sous le nom de ns1.
Il a également d’autres propriétés similaires – l’hydrogène, par exemple, peut réagir avec le mercure en combinaison avec l’azote, formant amalgame, comme la plupart des métaux. Cette similitude implicite avec les méthodes alcalines est la principale et probablement la seule raison pour laquelle l’hydrogène apparaît dans le même groupe que le lithium, le sodium, le potassium, le rubidium, le césium et le francium.
Il s’agit du tableau périodique des éléments chimiques, montrant les distributions théoriques de leurs orbitales électroniques. L’hydrogène est le premier dans ce tableau, et aussi la substance la plus courante dans l’Univers. Crédit image : Visualiser toutes les choses scientifiques via FlickrCC BY-NC 2.0
Mais si nous examinons les propriétés chimiques de cet élément, il se comporte différemment des métaux alcalins.
Par exemple, l’énergie d’ionisation de l’hydrogène est de 1312 kJ/mol, tandis que l’élément alcalin ayant la plus haute énergie d’ionisation, le lithium, n’a besoin que de 520 kJ/mol pour s’ioniser, c’est-à-dire pour retirer un électron de son atome.
Pourquoi l’hydrogène n’est-il pas un halogène ?
L’hydrogène peut également former des anions hydrure – des ions négatifs – tels que LiH. En raison de cette propriété, il appartient aux non-métaux. Parfois, il est même placé au-dessus des halogènes dans le tableau périodique des éléments chimiques.
C’est un halogène alors ?
Et bien non. Il peut former du dihydrogène H2, similaire aux éléments du groupe halogène, mais son affinité électronique est plus faible. Cela signifie que l’hydrogène est considérablement moins susceptible de gagner un électron supplémentaire et que la quantité d’énergie libérée au cours de ce processus est beaucoup plus faible.
L’hydrogène métallique – phase étrange de la matière
Fait intéressant, dans certaines conditions extrêmes – sous forte pression et haute température – les atomes d’hydrogène peuvent effectuer une transition vers un état dit « dégénéré » où il entre dans un phase métallique et commence à se comporter comme un conducteur électrique.
Ceci est un exemple de ce qu’on appelle cellule d’enclume de diamant (DAC) qui est utilisé pour atteindre des pressions comparables à celles au centre d’une planète. Crédit image : Université de Harvard
Nous n’avons pas une telle forme de matière ici sur Terre, mais on pense qu’elle existe en grandes quantités à l’intérieur des plus grandes planètes, telles que Jupiter et Saturne.
Est-il difficile de fabriquer de l’hydrogène métallique ? Dans le monde, il n’y a que très peu d’endroits où ce genre d’expériences pourrait être fait.
Pour forcer les atomes d’hydrogène à entrer dans la phase métallique, vous auriez besoin d’une pression d’environ 495 gigapascals ou plus. C’est près de 5 millions de fois plus par rapport à la pression atmosphérique standard ici sur Terre. Dans des conditions aussi infernales, toute matière régulière se comporte très différemment de ce à quoi nous sommes habitués.
Selon une expérience de laboratoire réalisée à l’Université de Harvard en 2016, l’hydrogène se solidifie à 495 gigapascals et devient noir et réfléchissant.
Dans ce diagramme, vous pouvez voir une structure interne théoriquement prédite de Jupiter – notez que l’hydrogène métallique est l’un des principaux constituants des planètes géantes. Crédit image : Kelvinsong via Wikimédia CommonsCC BY-SA 3.0
Emballer
L’hydrogène est l’élément chimique de base qui constitue la plus grande partie de l’univers. En même temps, il possède de nombreuses propriétés inexplorées et assez mystérieuses. En raison de son comportement inhabituel, il n’est pas possible de l’attribuer uniquement aux métaux ou aux non-métaux. Cependant, sous une pression extrême, l’hydrogène se transforme en une phase métallique solide que l’on pense exister à l’intérieur des planètes géantes telles que Jupiter.
