Les propriétés de l’hydrogène incluent que, dans son état naturel sur Terre, c’est un gaz incolore et inodore qui est extrêmement inflammable. C’est l’élément le plus léger connu dans la nature, occupant en moyenne 75% de toute la masse de l’univers dans les étoiles, les planètes et autres objets stellaires. L’hydrogène est également essentiel pour toute vie sur Terre, où il représente 14% de la matière vivante en poids, car il forme facilement des liaisons avec l’oxygène pour créer de l’eau et du carbone pour créer les molécules qui sont la base sur laquelle les structures vivantes et la plupart des molécules organiques sont construits.
Alors que la forme d’hydrogène la plus abondante est le protium, où il n’a qu’un seul proton dans son noyau atomique et un électron en orbite autour du noyau, il existe également deux autres isotopes de l’hydrogène. Le protium représente 99.985% de tout l’hydrogène naturel, et le deutérium représente près de 0.015% de plus ayant à la fois un proton et un neutron dans le noyau atomique, ce qui lui donne une masse deux fois supérieure à celle du protium. Le tritium est la troisième forme d’hydrogène, qui est extrêmement rare dans la nature, mais peut être produit artificiellement. Il est instable et présente une décroissance radioactive avec une demi-vie de 12.32 ans. Il a deux neutrons dans le noyau atomique pour un proton, et est un composé clé produit et utilisé dans les bombes à hydrogène pour améliorer leur rendement, ainsi que dans la production d’énergie de fission nucléaire et dans la recherche sur la fusion nucléaire.
Les propriétés chimiques de l’hydrogène, avec un seul électron en orbite, en font un élément hautement réactif qui forme des liaisons avec de nombreux autres éléments. Dans son état naturel dans l’atmosphère, il se lie à un autre atome d’hydrogène comme le fait l’oxygène, pour former H2. Les molécules H2 peuvent également être uniques en fonction du spin de leurs noyaux, avec des molécules de H2 où les deux noyaux tournent dans la même direction étant appelées orthohydrogène, et celles ayant des spins opposés appelées parahydrogène. L’orthohydrogène est la forme la plus courante de H2 à pression atmosphérique et température normales sous forme gazeuse, mais, lorsqu’il est refroidi sous forme liquide comme pour le carburant de fusée, l’orthohydrogène se transforme en parahydrogène.
Les propriétés physiques de l’hydrogène et son abondance généralisée sur terre et dans les océans de la Terre en font un domaine de recherche important en tant que source de carburant pratiquement illimitée. Toutes les formes de combustibles fossiles et d’alcools tels que l’essence, le gaz naturel et l’éthanol sont composées de chaînes d’hydrocarbures où l’hydrogène, le carbone et parfois l’oxygène sont liés ensemble. La séparation de l’hydrogène pur en tant que source de carburant abondante et propre est facile à réaliser, mais la force nécessaire pour séparer l’hydrogène des liaisons chimiques puis le refroidir pour le stockage prend souvent plus d’énergie que l’hydrogène pur lui-même ne peut en générer. Pour cette raison, les propriétés de l’hydrogène signifient que ses utilisations les plus courantes sont celles où il se trouve dans les liaisons chimiques avec d’autres éléments.
La recherche sur la production d’énergie de fusion s’appuie également sur les propriétés chimiques des composés hydrogénés deutérium et de tritium. Les propriétés de l’hydrogène utilisées par toutes les étoiles fusionnent des atomes d’hydrogène sous une pression intense pour libérer de l’hélium et de l’énergie sous forme de lumière et de chaleur. Des pressions similaires sont générées dans les installations de recherche utilisant des champs magnétiques puissants, des lasers à confinement inertiel ou des impulsions électriques aux États-Unis, en Europe et au Japon.
Au fur et à mesure de la fusion des atomes d’hydrogène, un atome d’hélium est créé qui transporte 20 % de l’excès d’énergie du processus, et 80 % de l’énergie est transportée par un neutron libre. Cette énergie neutronique ou chaleur est ensuite absorbée par un fluide pour créer de la vapeur et alimenter une turbine pour produire de l’électricité. Cependant, le processus reste encore expérimental à partir de 2011. Cela est dû aux pressions énormes qui doivent être maintenues pour fusionner les atomes d’hydrogène ensemble en continu et pour fabriquer des machines capables de supporter des températures produites en fusion atteignant 212,000,000 100,000,000 XNUMX ° Fahrenheit (XNUMX XNUMX XNUMX ° Celsius ).