Atomes (11/2019)

L'hydrogène occupe la première case du tableau de Mendeleïev. Composé d'un seul proton et d'un électron, il est à la fois l'élément le plus léger et le plus abondant dans l'Univers, où il est le principal constituant de la matière interstellaire, du Soleil et de la plupart des étoiles. Sous la forme de dihydrogène solide, liquide ou gazeux, il est le composant des planètes géantes, comme Jupiter ou Saturne. Son point d'ébullition est de -252,87 °C et son point de fusion de -259,14 °C. En raison de sa réactivité, il existe principalement sous forme diatomique (H₂), bien que dans l'espace, sous de très faibles pressions, il se trouve souvent sous forme monoatomique. L'hydrogène triatomique (H₃) est une forme allotropique très instable, bien que le cation H₃⁺soit stable_.

Sur Terre, l'hydrogène est l'un des constituants de l'eau, ainsi que des matières organiques. On ne le trouve pratiquement pas sous forme mono ou diatomique. Dépourvu de son électron, il forme l'ion H⁺, caractéristique des acides. Présent dans l'eau selon une proportion [H⁺]/[H₂O] de 10^-7, il constitue la base de l'échelle d'acidité, selon la formule pH = -log₁₀[H⁺]. Dans l'eau et les composés organiques, il forme également des liaisons covalentes, dans lesquelles deux atomes se partagent deux électrons. Dans l'industrie, l'hydrogène est produit à partir de gaz naturel et de charbon, par reformage d'hydrocarbures, ainsi que par électrolyse de l'eau.

L'hydrogène possède deux isotopes principaux, le deutérium (²H), dont le noyau comporte un proton et un neutron et le tritium (³H), qui possède deux neutrons. Ces isotopes sont à la base des réactions de fusion nucléaire, aussi bien dans les étoiles que dans les réacteurs thermonucléaires ou encore dans la bombe H. Ils fusionnent en un noyau d'hélium, dégageant une énergie colossale. C'est cette réaction qui a lieu dans les tokamaksou les stellarators, des installations dans lesquelles on confine ces atomes au moyen d'un champ magnétique. À l'instar du projet ITER associant 35 pays, qui s'inscrit dans une démarche à long terme, visant à l'industrialisation de la fusion nucléaire.

Deux autres isotopes extrêmement instables ont été mis en évidence dans des accélérateurs de particules : le quadrium (⁴H), qui a une demi-vie de 1,39 × 10^-22 s, ainsi que l'hydrogène 7 (⁷H), dont la demi-vie est de l'ordre de 10^-21 s. Quant à l'antihydrogène, composé d'un positron gravitant autour d'un antiproton, il est le seul atome d'antimatière ayant jamais été synthétisé. Le premier atome d'antihydrogène a été produit en 1995 au CERNdans l'installation LEAR, un anneau à antiprotons de basse énergie.