CHAPITRE PREMIER HYDROGÈNE

51. Propriétés physiques. — L'hydrogène est un gaz incolore, inodore et sans saveur, que l'on reconnaît à ce qu'il brûle avec une flamme jaunâtre, très peu éclairante, et forme avec l'air un mélange détonant. Il se distingue de l'oxyde de carbone et du méthane, qui se comportent presque de la même manière, en ce qu'il ne donne en brûlant que de la vapeur d'eau, sans trace d'anhydride carbonique.

L'hydrogène est le plus léger de tous les corps connus; sa densité est égale à 0,0695; aussi l'emploiet-on au gonflement des aérostats qui doivent avoir, sous un faible volume, une grande force ascensionnelle.

On peut faire voir expérimentalement la grande légèreté de l'hydrogène en gonflant avec ce gaz des bulles de savon, qui s'élèvent rapidement à de grandes hauteurs, ou bien encore en renversant une éprouvette pleine d'hydrogène sous une autre pleine d'air; en

quelques instants les deux gaz ont échangé leurs positions respectives, ce dont on s'assure au moyen d'une allumette enflammée.

L'hydrogène est fort peu soluble ; son coefficient de solubilité, égal seulement à 0,019 pour la température de 0^ est négligeable en pratique.

L'hydrogène est, après l'hélium, le plus difficile à liquéfier de tous les gaz connus. En 1877 et 1878, MM. Cailletet et Pictet ont montré qu'il donne quelques indices de changement d'état, notamment un léger brouillard, quand on le soumet à la détente après l'avoir fortement comprimé (350 atmosphères); MM. Wroblewski et Olszewski, en le refroidissant à 214 degrés au-dessous de 0° avec de l'azote liquide, en même temps qu'ils le comprimaient et le laissaient se détendre dans un appareil de Cailletet, ont pu le voir à l'état d'une sorte de mousse légère et très fugitive. Son point critique est voisin de — 220 degrés.

L'hydrogène est, de tous les gaz, celui qui conduit le mieux la chaleur et l'électricité.

52. Diffusion des gaz. — Th. Graham a appelé diffusion des gaz la propriété qu'ont ces corps de traverser plus ou moins facilement un orifice fin, percé dans une lame mince, ou une plaque poreuse. La vitesse de ce passage, qui est comparable à l'endosmose des liquides, est, d'après Graham, inversement proportionnelle à la racine carrée de la densité du gaz : il en résulte que l'hydrogène, plus léger que tous les autres gaz, doit être celui qui passe le plus vite à travers une cloison poreuse : c'est ce que l'on vérifie par une foule d'expériences.

On peut, par exemple, mettre une feuille de papier au-dessus d'un tube dégageant de l'hydrogène ; le gaz passe assez vite pour qu'il soit possible de l'enflammer

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sur la feuille même, aussi facilement que si elle n'existait pas.

On Deut aussi, à l'exemple de M. Debray, faire passer un rapide courant d'hydrogène dans un vase poreux, en porcelaine dégourdie, auquel on a adapté, par l'iniermédiaire d'un bouchon, un tube manométrique plongeant dans l'eau (fîg. 8). Dès qu'on ferme le robinet d'arrivée de l'hydrogène, le gaz qui rempht l'appareil s'échappe, et la diminution de pression qui en résulte force l'eau à monter dans le manomètre.

Enfin, on peut se servir d'un tube en terre de pipe, placé dans l'axe d'un autre tube à parois imperméables, en verre ou en porcelaine vernissée ; si l'on fait arriver lentement de l'hydrogène dans le tube poreux, on le voit se répandre presque entièrement dans l'espace annulaire qui entoure ce dernier.

M. H. Sainte-Claire-Deville a reconnu que certains métaux, tels que le platine et le fer, deviennent perméables à l'hydrogène quand on les chauffe au rouge; ce phénomène est dû, non à une véritable porosité du métal, mais à la formation d'un hydrure métallique dissociable, qui se produit sur la face qui est en contact avec l'hydrogène et se décompose sur l'autre.

L'hydrogène peut même traverser les matières colloïdales , c'est-à-dire dénuées de pores apparents, comme le caoutchouc ou la gutta-percha : c'est ce qui explique pourquoi un ballon de caoutchouc gonflé d'hydrogène diminue rapidement de volume dans l'air. Cette propriété donne lieu à des difficultés sérieuses dans la construction des aérostats.

Fig. 8.

Appareil Dcbray.

L'hydrogène pur est inerte sur l'organisme vivant ; un animal peut respirer et vivre aussi bien dans un mélange d'hydrogène et d'oxygène que dans l'air normal (Regnault).

A l'état impur il peut être toxique, par l'hydrogène arsénié qui l'accompagne fréquemment.

53. Propriétés chimiques. — L'hydrogène est doué d'affinités puissantes, mais celles-ci ne se manifestent ordinairement qu'à cljaud.

Le fluor seul peut s'y combiner à froid et dans l'obscurité : il se produit alors, avec explosion, de l'acide fluor-hydrique HFl.

Le chlore s'y combine à chaud, ou à froid sous l'action de la lumière, pour donner l'acide chlorhydrique HCl; il y a explosion quand on enflamme un mélange à volumes égaux d'hydrogène et de chlore, ou qu'on l'expose au rayonnement direct du soleil.

Avec le brome et l'iode, la combinaison n'a lieu qu'à chaud; dans le cas de l'iode elle reste même toujours incomplète, à cause de la facile dissociation de l'acide iodhydrique produit.

Un mélange renfermant deux volumes d'hydrogène pour un d'oxygène {gaz tonnant ou gaz de la pile) détone avec violence quand on en approche un corps enflammé ou qu'on y fait passer une étincelle élec trique ; la pression développée par la dilatation brusque des gaz peut atteindre 12 atmosphères, elle est suffisante pour déterminer la rupture des vases dans lesquels on fait brûler le mélange, s'ils ne sont pas très résistants. Le produit de la combustion est de la vapeur d'eau H^O.

La flamme qui se produit dans ces circonstances est très chaude; pour profiter sans danger de sa haute

température, M. Sainte-Claire-Deville a imaginé un petit appareil, connu sous le nom de chalumeau oxhydrique, dans lequel les deux gaz, hydrogène et oxygène, arrivent séparément et ne se rencontrent qu'au point même où ils doivent réagir (fig. 9). La flamme du chalumeau oxhydrique I 1 possède une température de 2500^

environ, elle fond instantanément le platine et communique aux corps réfractaires, tels que la chaux, la magnésie ou la zircone, un éclat éblouissant, que l'œil a peine à soutenir (lampe oxhydrique ou de Drummond).

Dans l'air, l'hydrogène brûle encore avec une flamme très chaude, malgré la présence de l'azote inerte qui tend à la refroidir, et on peut l'utiliser dans des chalumeaux semblables à celui de Sainte-Claire- Fig. 9.— Chalumeau DeviUc pour faire la soudure autooxhydrique. ^^^^ plomb (construction des

chambres de plomb).

La flamme de l'hydrogène, brûlant dans l'air à l'extrémité d'un tube effilé {lampe philosophique des anciens), a la propriété curieuse de produire un son quand on l'entoure d'un cylindre, formant cheminée, en verre ou en métal (fig. 10). C'est le phénomène de Vharmonlea chimique, qui n'a pas encore reçu d'explication satisfaisante.

En pratique, on peut presque toujours remplacer la flamme de l'hydrogène par celle du gaz d'éclairage ordinaire qui est presque aussi chaude. La lampe de Drummond fonctionne aussi bien dans les deux cas; le bec Auer est un simple brûleur à gaz dont la

HYDROGÈxNE

flamme porte à rincandescence un treillis d'oxyde de ^horium, mélangé de cérium.

L'hydrogène s'unit directement à chaud, mais d'une manière incomplète, au soufre; il se forme ainsi de l'acide sulfhydrique H2S.

Avec l'azote, en présence d'étincelles ou d'effluves électriques, il donne des traces d'ammoniaque AzH3.

Avec le carbone, à la température de l'arc voltaïque, il donne d'e l'acétylène C^H- (Berthelot) : jamais il ne se combine directement au phosphoz^e, ni à l'arsenic, ni au bore, ni au silicium.

Avec certains métaux, il donne des hydrures définis : le palladium, en particulier, l'absorbe énergiquement Harmonica chimique (Graham) pour former une combinaison à laquelle MM. Troost et Hautefeuille assignent la formule Pd^H.

La mousse de platine réagit aussi sur ce gaz, quoique moins vivement que le palladium, et s'échauffe à son contact au point d'enflammer un jet d'hydrogène s'échappant dans l'air ou de faire détoner spontanément un mélange d'oxygène et d'hydrogène. C'est sur ce principe qu'a été fondé le briquet à lnjdrorjène.

L'hydrogène s'unit également aux métaux alcalins, potassium et sodium (Troost et Hautefeuille).

L'hydrogène décompose, à chaud, un grand nombre de combinaisons oxygénées et de sels haloïdes.

C'est ainsi qu'il réduit^ c'est-à-dire ramène à l'état métallique, tous les oxydes des métaux lourds. Dans le cas du peroxyde de fer, on obtient d'abord de l'oxyde

Fig. 10.

HYDROGÈNE ET MÉTALLOÏDES

ferreux FeO, puis du fer pulvérulent, qui sont tous deux pyrophoriques (fig. 11).

CuO + 2Hr^Cu + H20.

Fe203 + 2H = 2(FeO) + H20 .

Fe203 4- 6H =: 2Fe + 3H^0.

Le peroxyde de manganèse et les bioxydes alcalinoterreux sont seulement changés en protoxydes.

Mn02 + 2H = MnO + H20 .

Ba02 + 2H =: BaO + R^O.

La dernière réaction s'effectue avec une vive incandescence et production d'une belle flamme verte.

Quant aux protoxydes alcalins et alcalino-terreux, ils sont rioroureusement irréductibles.

Yig. \i. — Réduction des oxydes ou des chlorures par l'hydrogène.

Les fluorures et chlorures de métaux lourds sont réduits par l'hydrogène, de même que les oxydes correspondants ; il se produit, dans ce cas, de l'acide fluorhydrique ou de l'acide chlorhydrique.

AgFl + H = Ag + HFl.

FoCi2 + 2H=iFe + 2HCl.

Le fer que Ton obtient ainsi, en réduisant le chlorure ferreux par riiydrogène, au rouge, est remarquablement bien cristallisé.

Hydrogène naissant. — On a remarqué depuis longtemps que certains corps réagissent niieux au moment même où ils prennent naissance que lorsqu'ils sont déjà libres; cette plus grande efficacité de Vétat naissant tient à ce que le corps qui le possède n'a pas eu le temps de constituer sa molécule et qu'il se trouve encore, au moment où il réagit, sous la forme d'atomes isolés, sans doute aussi à ce que la chaleur •produite par la réaction qui le met en liberté rend l'effet to:al plus fortement exothermique.

Parmi les actions spéciales à l'hydrogène naissant, on peut citer la réduction de l'acide azotique, celle de l'anhydride arsénieux, que l'on utilise dans l'appareil de Marsh, la transformation de l'mdigo bleu en indigo blanc ou du nitrobenzène en aniline, qui servent à l'industrie des matières colorantes, etc.

'As203 4- 12Hz=2AsH3 + 3H20.

Anhydride Hydrogène aisénieux. - arsénié.

C6H-^Az02 + 6H rzz: 2H20 + AzH2.

Nitrobenzène. Aniline.

Pour soumettre une matière à l'action de l'iiydrogène naissant, il suffit de la mettre au sein d'un milieu dégageant de l'hydrogène, par exemple, dans de l'eau où l'on a placé de l'amalgame de sodium ou du zinc, en présence d'acide sulfurique.

UNlVÉRSltY ÔF ILLINOIS LIBRARY

HYDROGÈNE ET METALLOÏDES

54. Préparations. — L'hydrogène s'extrait pratiquement de l'eau ou des acides :

1^ Par électrolyse de l'eau aeiclulèe. — L'hydrogène

se dégage sur l'électrode négative du voltamètre (fig. 12).

x\vec des voltamètres de grandes dimensions et un courant intense, on peut ainsi obtenir aisément de grandes quantités d'hydrogène.

2"" En décomposant l'eau par un métal alcalin^ à frokL — Il suffît de plonger sous l'eau un fragment de potassium ou de sodium pour voir se dégager de l'hydrogène en abondance, mais la méthode est coûteuse et ne peut être appliquée qu'en petit, à cause des explosions qui se

Fig. 12. — Voltamètre.

Fig. 13. — Décomposition de l'eau par le fer.

produisent fatalement dès qu'on opère sur une masse un peu considérable de métal.

Na + H20 = NaOH + H.

Sodium. Soude.

3^ En décomposant l'eau par le fer^ au rouge. —

HYDROGENE

On dirige un courant de vapeur d'eau dans un tube en porcelaine ou en fer, chauffé au rouge dans un fourneau à réverbère, et rempli de fils de fer ou de simples clous (fig. 13). L'hydrogène se dégage à l'extrémité du tube, mélangé avec un excès de vapeur d'eau ; le résidu est de Yoxijde salin ou oxyde magnétique de fer,

3Fe +4H20 = Fe30^ + 8H.

Oxyde salin.

En décomposant Veau acidulée par le fer ou le zinc^ à froid. — On emploie le plus souvent, pour aciduler l'eau, l'acide sulfurique ou l'acide chloj'hydrique ; le dégagement d'hydrogène est plus rapide

fi

Fig. 14. — Préparation de l'hydrogène.

avec le zinc qu'avec le fer. L'opération s'effectue, au laboratoire, dans un simple flacon à col droit ou à deux tubulures (fig. 14) ou dans des appareils continus, comme ceux de Deville ou de Kipp (fig. 15 et 16).

Le résidu est un sulfate ou un chlorure métallique, suivant l'acide employé.

S0^^H2 + Fe = SO^Fe -f 2H .

Acide sulfurique. Sulfate ferreux.

2HCl + Zn = ZnC12+2H.

Chlorure de zinc. »- -■ '

Lorsqu'on se sert de zinc pur, pour cette préparation, le dégagement d'hydrogène est fort lent, parce que

rig. 1 — Appareil de Deville.

les bulles de gaz restent adhérentes au métal et le préservent du contact de l'acide : il convient alors de verser dans l'appareil quelques gouttes de sulfate de cuivre ou de chlorure de platine. Ces sels, en se décomposant, donnent un dépôt de cuivre ou de platine métalliques, qui forment avec le zinc un couple de pile et, en conséquence, facilitent le dégagement du gaz.

Le zinc du commerce donne immédiatement un dégagement rapide parce qu'il n'est pas ^^^^^^ pur, mais alors l'hydrogène produit est souillé de quelques autres gaz, tels que l'hydrogène sulfuré H^S, l'hydrogène phosphoré PH^, l'hydrogène arsénié AsH^, l'hydrogène silicé SiH'i et le méthane CH^, qui le rendent odorant

Fig. 16. — Appareil de Kipp.

et même vénéneux. On le purifie en le faisant passer sur de la tournui'e de cuivre chauffée au rouge ou en lui faisant traverser un flacon laveur à permanganate de potassium : le cuivre décompose les impuretés en s'emparant de leur élément électro-négatif ; le permanganate, corps très oxydant, les brûle et les retient à l'état d'acides sulfurique, pliospliorique, arsénique et silicique. Le méthane seul résiste à ces deux réactifs ; on ne connaît aucun moyen simple de le séparer de l'hydrogène.

Reinarqff.e. — Il est impossible de se servir d'acide\ azotique dans la préparation de l'hydrogène : en effet^ ce gaz, à l'état naissant, r-éduit immédiatement l'acide azotique et le change en tous les autres composés oxygénés ou hydrogénés de l'azote.

Etat natureL — L'hydrogène ne se trouve pas à l'état libre dans notre atmosphère, mais il existe dans tous les astres incandescents, et notamment dans les protubérances solaires, ainsi qu'on peut s'en assurer par l'analyse spectrale.

Usages. — L'hydrogène sert à gonfler les aérostats et à faire la soudure autogène du plomb.

En Amérique et en Angleterre, on emploie beaucoup, pour actionner les moteurs à gaz, un mélange d'hydrogène et d'oxyde de carbone, que l'on obtient en faisant passer un courant de vapeur d'eau sur du charbon incandescent, et qu'à cause de cela on appelle gaz de Veau.