Hydrogène dans la nature (0,9% dans la croûte terrestre). Quel est l'élément chimique le plus courant et pourquoi ? L'hydrogène dans l'espace et sur terre
Les astrophysiciens savent que la formation des étoiles nécessite du carburant. La théorie actuelle est que les rivières d'hydrogène - connues sous le nom de "flux froids" - pourraient être une sorte de bac à hydrogène à travers l'espace intergalactique et donc alimenter la formation d'étoiles.
Les galaxies spirales, comme notre propre Voie lactée, ont tendance à avoir un taux de formation d'étoiles assez calme mais régulier. D'autres galaxies, comme NGC 6946, qui se trouve à environ 22 millions d'années-lumière de la Terre à la frontière des constellations Céphée et Cygne, sont beaucoup plus actives à cet égard. Cela soulève la question de savoir quel est le terrain fertile pour la formation soutenue d'étoiles dans cette galaxie spirale et dans d'autres similaires.
Des études antérieures de l'espace galactique immédiat autour de NGC 6946 du télescope WSRT aux Pays-Bas ont révélé un halo d'hydrogène étendu. Cependant, le flux froid pourrait être formé par de l'hydrogène provenant d'une source complètement différente - le gaz de l'espace intergalactique, qui n'a jamais été chauffé à des températures élevées par le processus de formation d'étoiles.
À l'aide du télescope Green Bank (GBT), Pisano a pu détecter la lueur émise par l'hydrogène neutre reliant NGC 6946 à ses voisins cosmiques. Ce signal était simplement en dessous du seuil de détection des autres télescopes, mais les capacités uniques du GBT ont permis au scientifique de détecter ce faible rayonnement.
Les astronomes suggèrent depuis longtemps que les grandes galaxies peuvent obtenir un approvisionnement constant en hydrogène froid en le pompant à partir d'autres compagnons moins massifs.
D'autres recherches permettront de confirmer la nature de cette observation et de faire la lumière sur le rôle possible que jouent les courants froids dans l'évolution des galaxies.
L'hydrogène (H) est très léger élément chimique, avec une teneur dans la croûte terrestre de 0,9% en poids et dans l'eau de 11,19%.
Caractérisation de l'hydrogène
En termes de légèreté, c'est le premier parmi les gaz. Dans des conditions normales, il est insipide, incolore et absolument inodore. Lorsqu'il entre dans la thermosphère, il s'envole dans l'espace en raison de son faible poids.
Dans tout l'univers, c'est l'élément chimique le plus nombreux (75% de la masse totale des substances). À tel point que de nombreuses étoiles dans l'espace en sont entièrement composées. Par exemple, le Soleil. Son composant principal est l'hydrogène. Et la chaleur et la lumière sont le résultat de la libération d'énergie lors de la fusion des noyaux de la matière. Il y a aussi dans l'espace des nuages entiers de ses molécules de différentes tailles, densités et températures.
Propriétés physiques
Une température et une pression élevées modifient considérablement ses qualités, mais dans des conditions normales, il :
Il a une conductivité thermique élevée par rapport aux autres gaz,
Non toxique et peu soluble dans l'eau
D'une densité de 0,0899 g/l à 0°C et 1 atm.,
Se transforme en liquide à -252,8°C
Devient solide à -259,1°C.,
La chaleur spécifique de combustion est de 120,9.106 J/kg.
Il nécessite une pression élevée et des températures très basses pour devenir liquide ou solide. Liquéfié, il est fluide et léger.
Propriétés chimiques
Sous pression et refroidissement (-252,87 gr. C), l'hydrogène acquiert un état liquide, plus léger que tout analogue. Il y prend moins de place que sous forme gazeuse.
Il est un non-métal typique. En laboratoire, il est obtenu en faisant réagir des métaux (tels que le zinc ou le fer) avec des acides dilués. Dans des conditions normales, il est inactif et ne réagit qu'avec les non-métaux actifs. L'hydrogène peut séparer l'oxygène des oxydes et réduire les métaux des composés. Lui et ses mélanges forment des liaisons hydrogène avec certains éléments.
Le gaz est très soluble dans l'éthanol et dans de nombreux métaux, en particulier le palladium. L'argent ne le dissout pas. L'hydrogène peut être oxydé lors de la combustion dans l'oxygène ou l'air, et lors de l'interaction avec les halogènes.
Lorsqu'il est combiné avec de l'oxygène, de l'eau se forme. Si la température est normale, la réaction est lente, si elle est supérieure à 550 ° C - avec une explosion (se transforme en gaz explosif).
Trouver de l'hydrogène dans la nature
Bien qu'il y ait beaucoup d'hydrogène sur notre planète, il n'est pas facile de le trouver sous sa forme pure. On en trouve peu lors des éruptions volcaniques, lors de l'extraction du pétrole et sur le lieu de décomposition de la matière organique.
Plus de la moitié de la quantité totale se trouve dans la composition avec de l'eau. Il est également inclus dans la structure du pétrole, de diverses argiles, des gaz combustibles, des animaux et des plantes (la présence dans chaque cellule vivante est de 50% par le nombre d'atomes).
Cycle de l'hydrogène dans la nature
Chaque année, une énorme quantité (des milliards de tonnes) de restes végétaux se décompose dans les masses d'eau et le sol, et cette décomposition éclabousse une énorme masse d'hydrogène dans l'atmosphère. Il est également libéré lors de toute fermentation causée par des bactéries, la combustion et, avec l'oxygène, participe au cycle de l'eau.
Applications pour l'hydrogène
L'élément est activement utilisé par l'humanité dans ses activités, nous avons donc appris à l'obtenir à l'échelle industrielle pour :
Météorologie, production chimique;
fabrication de margarine;
Comme carburant pour fusées (hydrogène liquide);
Industrie de l'énergie pour le refroidissement des générateurs électriques ;
Soudage et découpage des métaux.
La masse d'hydrogène est utilisée dans la production d'essence de synthèse (pour améliorer la qualité du carburant Basse qualité), ammoniac, chlorure d'hydrogène, alcools et autres matériaux. L'énergie nucléaire utilise activement ses isotopes.
La préparation "peroxyde d'hydrogène" est largement utilisée dans la métallurgie, l'industrie électronique, la production de pâtes et papiers, dans le blanchiment des tissus de lin et de coton, dans la fabrication de teintures capillaires et de cosmétiques, de polymères et en médecine pour le traitement des plaies.
La nature "explosive" de ce gaz peut devenir une arme mortelle - une bombe à hydrogène. Son explosion s'accompagne de la libération d'une énorme quantité de substances radioactives et est préjudiciable à tous les êtres vivants.
Le contact de l'hydrogène liquide et de la peau menace des engelures graves et douloureuses.
Sur Terre - oxygène, dans l'espace - hydrogène
L'univers contient le plus d'hydrogène (74% en masse). Il a été préservé depuis le Big Bang. Seule une partie insignifiante de l'hydrogène a réussi à se transformer en éléments plus lourds dans les étoiles. Sur Terre, l'élément le plus courant est l'oxygène (46-47%). La majeure partie est liée sous forme d'oxydes, principalement d'oxyde de silicium (SiO 2 ). Oxygène terrestre et le silicium est apparu dans les étoiles massives qui existaient avant la naissance du soleil. A la fin de leur vie, ces étoiles explosent en supernovae et projettent dans l'espace les éléments qui s'y sont formés. Bien sûr, les produits de l'explosion contenaient beaucoup d'hydrogène et d'hélium, ainsi que du carbone. Cependant, ces éléments et leurs composés sont très volatils. Près du jeune Soleil, ils se sont évaporés et ont été expulsés par la pression de radiation vers la périphérie du système solaire.
Les dix éléments les plus communs dans la galaxie de la Voie lactée*
* Fraction massique par million.
Les agences spatiales et les entreprises privées élaborent déjà des plans pour envoyer des gens sur Mars dans les prochaines années, ce qui conduira à terme à sa colonisation. Et avec l'augmentation du nombre de planètes semblables à la Terre découvertes autour d'étoiles proches, les voyages dans l'espace lointain deviennent de plus en plus pertinents.
Cependant, il n'est pas facile pour les humains de survivre dans l'espace pendant de longues périodes. L'un des principaux défis des vols spatiaux longue distance est de transporter suffisamment d'oxygène pour que les astronautes puissent respirer et suffisamment de carburant pour faire fonctionner des composants électroniques complexes. Malheureusement, il n'y a pratiquement pas d'oxygène dans l'espace, il doit donc être stocké sur Terre.
Mais une nouvelle recherche, publiée dans Nature Communications, montre qu'il est possible de produire de l'hydrogène (pour le carburant) et de l'oxygène (pour la respiration) à partir de l'eau en utilisant uniquement un matériau semi-conducteur, la lumière du soleil (ou la lumière des étoiles) et l'apesanteur, ce qui rend les voyages longue distance plus réels.
Utiliser la ressource illimitée du Soleil pour alimenter notre vie quotidienne est l'un des défis les plus mondiaux sur Terre. Alors que nous nous éloignons lentement du pétrole vers les énergies renouvelables, les chercheurs s'intéressent à la possibilité d'utiliser l'hydrogène comme carburant. le meilleur moyen cela serait la séparation de l'eau (H2O) en ses constituants : l'hydrogène et l'oxygène. Ceci est possible en utilisant un processus connu sous le nom d'électrolyse, qui consiste à faire passer du courant dans de l'eau contenant un électrolyte soluble (par exemple, du sel - environ. trad.). En conséquence, l'eau se décompose en atomes d'oxygène et d'hydrogène, qui sont libérés chacun à sa propre électrode.
Électrolyse de l'eau.
Bien que cette méthode soit techniquement possible et connue depuis des siècles, elle n'est toujours pas facilement disponible sur Terre car nous avons besoin de plus d'infrastructures liées à l'hydrogène, telles que les stations-service d'hydrogène.
L'hydrogène et l'oxygène ainsi obtenus à partir de l'eau peuvent également être utilisés comme carburant dans les engins spatiaux. Lancer une fusée avec de l'eau serait en fait beaucoup plus sûr qu'avec du propulseur et de l'oxygène supplémentaires à bord, car le mélange pourrait être explosif en cas de collision. Désormais, dans l'espace, une technologie spéciale sera capable de séparer l'eau en hydrogène et en oxygène, qui, à leur tour, pourront être utilisés pour maintenir la respiration et l'électronique (par exemple, en utilisant des piles à combustible).
Il y a deux options pour cela. L'une d'entre elles est l'électrolyse, comme sur Terre, utilisant des électrolytes et panneaux solaires pour être à jour. Mais, hélas, l'électrolyse est un processus très énergivore, et l'énergie dans l'espace "vaut déjà son pesant d'or".
Une alternative consiste à utiliser des photocatalyseurs, qui fonctionnent en absorbant les photons dans un matériau semi-conducteur placé dans l'eau. L'énergie d'un photon "élimine" un électron d'un matériau, laissant un "trou" dedans. Un électron libre peut interagir avec des protons dans l'eau pour former des atomes d'hydrogène. Pendant ce temps, le "trou" peut absorber les électrons de l'eau pour former des protons et des atomes d'oxygène. 
Le processus de photocatalyse en conditions terrestres et en microgravité (un million de fois moins que sur Terre). Comme on peut le voir, dans le second cas, le nombre de bulles de gaz émergentes est plus important.
Ce processus peut être inversé. L'hydrogène et l'oxygène peuvent être recombinés (combinés) à l'aide d'une pile à combustible, à la suite de quoi l'énergie solaire dépensée pour la photocatalyse "retourne" et de l'eau se forme. Ainsi, cette technologie est la véritable clé du voyage dans l'espace lointain.
Le procédé utilisant des photocatalyseurs est la meilleure option pour les voyages dans l'espace, car l'équipement pèse beaucoup moins que ce qui est nécessaire pour l'électrolyse. En théorie, travailler avec lui dans l'espace est également plus facile. Cela est dû en partie au fait que l'intensité de la lumière solaire en dehors de l'atmosphère terrestre est beaucoup plus élevée, car dans cette dernière il y a suffisamment la plupart de la lumière est absorbée ou réfléchie sur son chemin vers la surface.
Dans une nouvelle étude, les scientifiques ont abandonné une installation expérimentale de photocatalyse entièrement opérationnelle depuis une tour de 120 mètres de haut, créant un environnement appelé microgravité. Lorsque les objets tombent sur la Terre en chute libre, l'effet de la gravité diminue (mais il ne disparaît nulle part, c'est pourquoi on l'appelle la microgravité, et non l'absence de gravité - environ. trad.), car il n'y a pas de forces qui compensent l'attraction de la Terre - ainsi, lors de la chute, des conditions sont créées dans l'installation comme sur l'ISS.
Montage expérimental et processus d'expérimentation.
Les chercheurs ont pu montrer qu'il est en effet possible de scinder l'eau dans de telles conditions. Cependant, comme ce processus produit du gaz, des bulles se forment dans l'eau. Une tâche importante consiste à se débarrasser des bulles du matériau catalyseur, car elles interfèrent avec le processus de création de gaz. Sur Terre, la gravité fait flotter les bulles à la surface (l'eau près de la surface est plus dense que les bulles, ce qui leur permet de flotter à la surface), libérant de l'espace au niveau du catalyseur pour que davantage de bulles se forment.
En apesanteur, cela n'est pas possible et des bulles de gaz restent sur ou à proximité du catalyseur. Cependant, les scientifiques ont modifié la forme du catalyseur à l'échelle nanométrique, créant des zones pyramidales où une bulle pourrait facilement se détacher du sommet de la pyramide et pénétrer dans l'eau sans interférer avec le processus de formation de nouvelles bulles.
Mais un problème demeure. En l'absence de gravité, les bulles resteront dans le liquide même si elles ont été forcées de quitter le catalyseur. La gravité permet au gaz de s'échapper facilement du liquide, ce qui est essentiel à l'utilisation d'hydrogène et d'oxygène purs. Sans gravité, aucune bulle de gaz ne flotte à la surface et ne se sépare du liquide - à la place, un analogue de mousse se forme.
Cela réduit considérablement l'efficacité du processus en bloquant les catalyseurs ou les électrodes. Les solutions d'ingénierie autour de ce problème seront essentielles à la réussite de la mise en œuvre de la technologie dans l'espace - l'une des solutions possibles consiste en la rotation de l'installation : ainsi, les forces centrifuges vont créer une gravité artificielle. Mais néanmoins, grâce à ces nouvelles recherches, nous nous rapprochons un peu plus des vols spatiaux habités à long terme.