Que faut-il savoir concernant l'atome d'hydrogène ?

Rédigé le 14 octobre 2021

11 minutes de lecture

du spectre de lhydrogène

  • 01. Court rappel
  • 02. Quelques informations de bases sur l'atome
  • 03. Les spectres lumineux
  • 04. Exercice : L'énergie atomique de l'hydrogène

Chris

Court rappel

La longueur d'onde.

Comment déterminer la célérité d'une onde lumineuse ?

La longueur d’onde est une  grandeur physique homogène à une longueur . Elle est caractéristique d’une onde monochromatique (c’est à dire d’une seule couleur). Dans un milieu homogène, elle définit la distance séparant deux maxima (c’est à dire, deux valeurs maximales) consécutifs de l’amplitude.

Il est important de savoir que la longueur d’onde dépend de la  célérité. Selon le milieu qu’elle traverse, cette dernière sera plus ou moins élevée.

La longueur d’onde est habituellement notée à l’aide de la lettre grecque lambda (λ). Dans le système usuel, on utilise souvent le nanomètre (nm) comme unité. Dans le système international (SI), elle se note en mètre (m).

Pour rappel, 1 nm = 10 -9 m

Le système international des unités

L’ensemble des unités associées aux dimensions fondamentales constitue le système international d’unités. Il s’agit du système MksA (mètre, kilogramme, seconde, Ampère), mais le Kelvin, le mole et le candela font aussi partie de ce système. Ces unités sont appelées  unités légales . Elles sont universelles et connues de par le monde entier.

Il est important de savoir que toutes les autres dimensions se déduisent de ces sept dimensions fondamentales par produit ou division de ces dimensions.

Dans certains sujets d’exercices, les grandeurs ne sont pas exprimées dans le système international mais avec des grandeurs usuelles. Il est facile de les comprendre et elles sont parfois utilisées dans la vie de tous les jours, mais il est essentiel de toujours effectuer les calculs avec les grandeurs exprimées dans l’unité internationale pour éviter les erreurs.

Quelques informations de bases sur l'atome

Etymologie du mot hydrogène.

Comment se comporte polairement la molécule d'eau ?

Le mot hydrogène est formé du préfixe  -hydro, provenant du grec ancien ὕδωρ signifiant eau, et du suffixe  -gène , provenant du grec ancien γεννάν signifiant qui génère, qui forme, qui engendre.

Ce fut le chimiste français Antoine Lavoisier qui proposa ce nom en 1783 dans le livre  Méthode de nomenclature chimique coécrit avec de Guyton d e Morveau , Berthollet et de Fourcroy . En effet, grâce à une hydrolyse de l'eau, on a découvert que l'hydrogène et l'oxygène étaient des composant de l'eau, d'où le sens étymologique de "formeur d'eau".

Premières découvertes de l'atome

En 1671 le chimiste irlandais Robert Boyle étudie les effets de l'acide sulfurique dilué sur le fer et observe qu'il y a production d'un gaz inflammable qu'il n'identifie pas comme un nouveau composé mais qui correspond en réalité à du dihyrogène.

Robert Boyle n'est pas le seul à passer à coté d'une découverte, d'autres scientifiques du XVII ème siècle font les mêmes observations sans aller plus loin et ce n'est qu'en 1766 que Henry Cavendish analyse ce gaz.

Il montre qu'il peut être obtenu par réaction entre divers acides et des métaux tels que le fer, le zinc ou l'étain et met en évidence des caractéristiques qui le distingue des gaz connus: il est moins dense que l'air et peut brûler de manière explosive. Cette dernière caractéristique lui vaut le nom d'air inflammable mais par ailleurs cette combustion produit de l'eau ce qui pousse, en 1783, le chimiste français Antoine Laurent de Lavoisier à proposer le nom d'hydrogène (en grec "formeur d'eau").

En 1800 Les chimistes anglais William Nicholson et Anthony Carlisle montrent qu'il peut être obtenu par électrolyse de l'eau. En 1878 l'analyse du spectre de la lumière solaire permet de le détecter dans l'atmosphère de notre étoile.

Deux nouveaux isotope de l'hydrogène sont découvert par la suite, le deutérium (en 1932) et le tritium (en 1934).

L'hydrogène dans la nature

L'hydrogène est l'élément le plus abondant de l'Univers. En effet, il représente 92% en nombre d'atomes, 75% en masse. Il est majoritairement présent dans les étoiles et les planètes externes gazeuses à cœur solide. Il est également le principal composant des nébuleuses et du gaz interstellaire.

Cependant, il ne représente dans la croûte terrestre que 0,22% des atomes. Il est donc loin derrière l'oxygène, qui représente 47% des atomes, et le silicium qui représente 27% des atomes.

Il est également rare dans l'atmosphère terrestre. En effet, il ne représente, en volume, que 0,55 ppm des gaz atmosphériques. La source la plus commune d'hydrogène sur Terre est l'eau dont la molécule est composée de deux atomes d'hydrogène pour un atome d'oxygène. L'hydrogène est également et surtout le principal constituant, en nombre d'atome, de toute la matière vivante. Il est associé avec le carbone dans tout les composés organiques.

Par exemple, l'hydrogène représente 63% des atomes et 10% de la masse du corps humain.

L'hydrogène, soumis à de très faibles pression quand il est présent dans l'espace, a tendance à exister sous la forme d' atomes individuels puisqu'il n'entre pas en collision avec d'autres atomes pour se combiner. On peut alors trouver des nuages d'hydrogène qui sont à la base du processus de la formation des étoiles.

D'après la théorie du Big Bang, il s'est formé peu après la naissance de notre univers alors que les éléments plus lourds ne sont apparus que bien plus tard sous l'effet des réactions de fusion nucléaire se réalisant dans le cœur des premières étoiles et au sein des supernovas. Notre Soleil en est par exemple composé à 74% (en masse).

Comment s'est créée la vie ?

Quelques propriétés physiques et chimiques de l'hydrogène

Corps simple de l'hydrogène.

L'hydrogène est le premier élément de la classification périodique. Son noyau n'a qu'un seul proton et son isotope principal est même dénué de neutron (un cas unique) ce qui fait de l'atome d'hydrogène le plus simple, le plus petit et le plus léger des atomes.

Il occupe aussi un statut un peu particulier dans la classification périodique : sa place dans la première colonne aurait pu lui valoir d'appartenir à la famille des alcalins tandis que l'électron lui manquant pour compléter sa couche externe aurait pu le rattacher à la famille des halogènes. Cependant ses propriétés le distingue si nettement de ces deux familles qu'il a par défaut été classe comme "non métal".

A température ambiante et pression atmosphérique, l'hydrogène est présent sous la forme d'un gaz incolore, inodore, peu dense qui brûle de manière explosive au contact de l'air en produisant de l'eau.

Il peut être produit par réaction entre un acide et un métal ou par électrolyse de l'eau.

L'hydrogène sous forme de corps simple, sauf à des pression extrêmement basses comme dans l'espace intergalactique ou extrêmement hautes comme dans les parties centrale de Jupiter et Saturne, est formé de molécules de dihydrogène de formule H 2 .

On dit, lorsque l'hydrogène est soumis à des pressions extrêmement hautes, qu'il est dans un état dit "sombre", un état intermédiaire entre le gaz et le métal. Dans cet état, il ne reflète et ne transmet pas la lumière mais il devient également très faiblement conducteur d'électricité. On peut alors l'apparenter aux métaux alcalins qui suivent, dans le groupe 1 du tableau périodique des éléments de Mendeleïev.

Tandis qu'aux pressions les plus basses, l'hydrogène est présent sous la forme d'un gaz monoatomique.

Hydrogène gazeux

Dans des conditions normales de pression et de température, c'est à dire les conditions qui intéressent la chimie et les sciences de la Terre, l'hydrogène est présent sous la forme d'un gaz moléculaire de dihydrogène , de formule H 2 . En effet, le dihydrogène est capable de former dans les galaxie des nuages moléculaires à l'origine de la formation des étoiles.

Comme dit précédemment, à basse pression et à haute température, l'hydrogène est présent sous la forme de gaz monoatomique, de formule H. C'est dans cette forme que nous pouvons le trouver dans l'espace, en tant que gaz interstellaire ou intergalactique.

C'est à cause de l'immensité de l'espace, et ce malgré la faible densité du gaz, que l'hydrogène monoatomique constitue environ 75% de la masse baryonique de l'Univers .

La masse baryonique est un terme désignant toute la matière composée de particules élémentaires appelées baryons. Cela correspond alors aux protons et neutrons auxquels on lie des électrons, appelés leptons, qui composent les atomes, les molécules et toutes les structures visibles dans l'Univers observable.

Hydrogène solide

Il est possible d'obtenir de l'hydrogène solide en abaissant la température en dessous du point de fusion du dihydrogène, c'est à dire à 14,01 K, soit -259,14°C.

Cet état fut obtenu pour la première fois en 1899 par James Dewar.

Hydrogène métallique

Lorsqu'il est soumis à de très fortes pressions et à de très basses température, l'hydrogène atteint une phase dite métallique. Certains estiment qu'il existe un intervalle de pressions sous lesquelles, même soumis à de très basse températures, l'hydrogène métallique est liquide.

Les isotopes de l'hydrogène

En perdant son unique électron, l'hydrogène donnera une ion H +  fréquemment nommé proton, c'est l'isotope le plus abondant.

Le proton ne peut exister en solution à l'état libre, il est toujours lié au nuage électronique d'une molécule tandis qu'en solution aqueuse il est solvaté par les molécules d'eau. Il forme ainsi l'ion hydronium H 3 O + , on l'appelle aussi oxonium ou hydroxonium.

L'atome d'hydrogène peut également obtenir un second électron pour obtenir l'ion hydrure de formule H - . Il possède alors le même cortège électronique stable que l'atome d'hélium.

De plus, l'hydrogène est le seul élément dont les différents isotopes possèdent des noms distincts et même parfois un symbole propre.

L'isotope majoritaire est le protium, baptisé ainsi car il ne comporte qu'un proton dans son noyau et les autres principaux isotopes sont le deutérium (symbole D) et le tritium (symbole T).

Il existe d'autres isotopes (le tetranium A=4, le pentium A = 5, l'hexium A = 6 et le septium A = 7 ) mais ces dernier sont radioactifs et hautement instables avec des périodes radioactives toutes nettement inférieures à une seconde.

Les ions de l'hydrogène

En solution aqueuse l'hydrogène forme le cation de formule H+ constitué d'un seul et unique proton.

Cet ion appelé ion hydronium, ion hydroxonium ou oxonium (ces termes sont synonymes) s'associe à une molécule d'eau pour former l'ion H 3 O + .

Il s'agit de l'ion responsable de l'acidité, cette dernière augmente et le pH diminue lorsque la concentration en ion H 3 O + augmente.

Par ailleurs ces ions sont présents même dans l'eau pure car celle-ci est le siège d'un phénomène appelé autoprotolyse de l'eau qui conduit les molécules d'eau à former des cations hydrogène et des ions hydroxyde suivant l'équilibre :

[ 2 H _ { 2 } O rightleftarrows H _ { 3 } O ^ { + } + O H ^ { - } ]

Les spectres lumineux

Le spectre d'émission, spectre visible.

Est-ce-que les chiens voient les couleurs ?

La lumière est une onde électromagnétique dont la couleur dépend de la longueur d’onde. Chaque teinte et nuance est caractérisée par son propre intervalle de longueur d’onde et il peut s’avérer délicat d’établir des limites précises des différentes couleurs d’une part et du domaine des lumières visibles d’autre part.

Pour cause, il n’existe qu’une couleur possible par longueur d’onde. Les valeurs fournies varient selon les sources, les plus approximatives retiennent pour la lumière visible un intervalle allant de 400 nm à 800 nm. Les sites éducatifs de la NASA et du CNRS proposent de retenir l’intervalle [400 nm – 700 nm]

Spectre continu d'origine thermique

Le spectre continu est un spectre lumineux composé de rayonnements électromagnétiques dont les longueurs d’onde varient de manière continue : cela implique qu’il ne s’achève pas de manière brutale à ses extrémités, mais qu’à ces dernières l’intensité des radiations décroit progressivement jusqu’à être nulle.

Cela suppose aussi que le spectre ne comporte pas de discontinuité et qu’il ne lui manque aucune longueur d’onde ou intervalle de longueur d’onde. Un spectre continu n’appartient pas forcément au domaine du visible, il peut appartenir à un autre intervalle de longueur d’onde comme ultraviolet ou infrarouge.

Un corps chaud émet un rayonnement continu qui s'enrichit en radiations de courtes longueurs d'ondes (vers le violet) quand la température de ce corps augmente. Le spectre d'un tel rayonnement est un spectre d'émission car c'est celui d'une lumière émise par un corps. C'est aussi un spectre continu car toutes les radiations possibles d'une certaine plage de longueurs d'onde sont présentes. (exemple : lampe à filament)

En d'autres termes, on peut dire que spectres continus sont des spectres d’origine thermique, car qu’ils sont obtenus à partir de sources (dans un état solide, liquide ou gazeux) portées à température suffisamment haute pour émettre de la lumière.

De ce fait, une lumière à spectre continu est donc émise par tout corps incandescent, comme du magma en fusion, des braises, le métal travaillé dans une forge ou encore le filament d’une lampe chauffé par effet Joule lors du passage du courant.

La lumière blanche est le seul spectre continu visible par l’homme. En effet, si la lumière a une couleur, le spectre n’est plus continu puisqu’il manque au moins une longueur d’onde.

Spectre de raies

À température élevée, les atomes isolés et les ions monoatomiques en phase gazeuse peuvent émettre de la lumière dont le spectre n'est pas continu . Ce type de spectre est appelé spectre de raies d'émission. On peut notamment parler de l'exemple de la lampe à vapeur.

Le spectre d'absorption

On appelle spectre d'absorption le spectre d'une lumière ayant traversé un milieu qui l'a privé d'une partie du rayonnement initial, notamment un corps gazeux.

Selon la composition chimique du gaz, le spectre initialement continu présente alors des raies noires correspondant aux longueurs d’onde absorbées, on peut notamment parler du cas du Soleil.

En effet, dans le cas où la lumière traverse un gaz, les photons contenus dans le rayonnement peuvent être absorbés par l’atome, dans l’éventualité où ils contiennent la quantité d’énergie nécessaire à ce que l’électron de l’atome considéré puisse passer à un niveau d’énergie supérieur. Ainsi, lorsque le photon disparaît du rayonnement, il laisse alors une raie noire sur le spectre d’absorption initialement continu.

C'est pour cela que l’analyse d’un spectre de raie permet d’identifier les substances présentes dans l’atmosphère d’une étoile.

Solutions colorées

Spectre de bandes : la traversée des solutions colorée par de la lumière blanche conduit à la lumière colorée dont le spectre, par comparaison au spectre de la lumière blanche, montre l'absence d'une plage de radiations. Il s'agit d'un spectre de bandes d'absorption. (exemple : sodium)

Dans ce cas, le spectre obtenu correspond à l'apparition de bandes sur le spectre de la lumière continu .

Gaz d'atomes ou d'ions monoatomiques : spectre de raies

Un atome ou un ion monoatomique en phase gazeuse ne peut absorber que les radiations qu'il est capable d'émettre. (exemple : sodium). Dans ce cas, le spectre obtenu correspond à l'apparition de raies colorées sur fond noir .

Exercice : L'énergie atomique de l'hydrogène

Dans l’expression En= -E0/n2  donnant les niveaux d’énergie de l’atome d’hydrogène ; où E0 = 13.6 eV

  • donner en justifiant la réponse, la valeur de n correspondant à l’état fondamental
  • calculer les valeurs des quatre  premiers niveaux d’énergie. Construire sur votre copie le diagramme énergétique de l’atome d’hydrogène
  • établir   l’expression de RH en fonction de E0 ; C et h
  • quelle est la dimension de RH ?
  • calculer RH
  • calculer la plus la petite et la plus grande longueurs d’onde de la série de lymann
  • quels sont les niveaux d’énergie concernés par la raie d’absorption lyman alpha  ?  Représenter sur un  digramme énergétique , à l’aide d’une flèche la transition correspondante à cette absorption. Calculer en ev l’énergie du photon absorbé
  • à l’aide d’un faisceau d’électron
  • à l’aide d’un faisceaux lumineux
  • que se passe t il dans les deux cas ? justifier

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du spectre de lhydrogène

Freelancer et étudiante en Sciences de la Vie et de la Terre, je suis un peu une grande sœur qui épaule et aide les autres pour observer et comprendre le monde qui nous entoure et ses curieux secrets !

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Cours : Physique   >   Chapitre 16 

  • Formule des rayons de Bohr : démonstration
  • Rayons de Bohr
  • Formule des niveaux d'énergie du modèle de Bohr : démonstration
  • Niveaux d’énergie du modèle de Bohr
  • Absorption et émission

Spectre d’émission de l’hydrogène

  • Modèle de Bohr de l’atome d’hydrogène

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Les spectres d'émission.

En effet, lorsque l'atome est soumis à une action extérieure qui lui apporte de l'énergie, il se trouve déstabilisé : on dit qu'il se trouve dans un état excité (fig.2). L'électron utilise alors cette énergie pour passer à un niveau d'énergie supérieur (saut quantique). Lorsque l'excitation cesse, l'atome tend à revenir à l'état fondamental en restituant à l'extérieur l'énergie qu'il avait reçue (fig.3). Cette relaxation d'énergie se fait en un temps très court et se traduit par l'émission d'un photon lumineux d'énergie correspondant exactement à celle du saut quantique. Si la relaxation porte simultanément sur un grand nombre d'atomes, on observe un spectre d'émission où sont présentes toutes les radiations correspondant aux photons émis. Ainsi, le spectre d'émission de l'atome d'hydrogène comporte un grand nombre de raies qu'il est possible de classer en séries spectrales. Chaque série spectrale correspond à la relaxation sur un niveau d'énergie donné.

Ce spectre ainsi produit caractérise l'élément chimique présent dans le gaz chauffé. Il constitue une sorte de signature.

On peut retrouver les spectres d'émission de 90 éléments chimiques dans cette application (applet java).

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Vous êtes ici LAME Spectroscopie d’absorption ultra-sensible L’HYDROGèNE (H2, HD ET D2)

L’hydrogène (H2, HD et D2)

du spectre de lhydrogène

Au total, seules 39 transitions de H 2 ont été rapportées dans la littérature à partir de mesures en laboratoire. Ces transitions sont de fort intérêt astrophysique et l’hydrogène et ses isotopologues constituent des espèces test pour les calculs ab initio les plus avancés. En effet, la molécule d’hydrogène est probablement un cas unique de la spectroscopie rovibrationnelle, en ce sens que la qualité des calculs ab initio est si bonne que le choix entre les valeurs théoriques et les déterminations expérimentales (si disponibles) méritent d’être examiné.

hydrogene-2.jpg

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Les familles de raies de l'hydrogène

Les raies de balmer.

Les premières raies spectrales de l'hydrogène qui furent étudiées sont situées dans le domaine visible du spectre, bien qu'elles aillent en se resserrant vers une limite située dans le proche ultraviolet. Cette série de raies s'appelle la série de Balmer . Les premières raies sont numérotées au moyen de l'alphabet grec. La première raie, H α a une longueur d'onde 656,2 nm, elle est donc rouge; la seconde, H β , est bleue à 486,1 nm, la troisième, H γ , est violette à 434,0 nm, et ainsi de suite, jusqu'à 364,6 nm. Cette dernière est la longueur d'onde limite de la série de Balmer.

raies-balmer.jpg

L'hydrogène, constituant majoritaire, présente des signatures spectrales bien précises.

Le cas de l'hydrogène

L'atome le plus simple est celui de l'hydrogène, et c'est également celui qui possède le spectre le plus simple. On va décrire le spectre de cet élément, qui est par ailleurs l'élément le plus répandu dans l'univers.

raiesh.png

Les séries de Balmer, Paschen...

Quand le niveau inférieur est le niveau fondamental, la série de raies porte le nom de série de Lyman. Cette série de raies est située dans l'ultraviolet. La série de raies correspondant à un niveau inférieur de rang n=2 est située dans le visible et porte le nom de série de Balmer. La série de raies correspondant à un niveau inférieur de rang n=3 est située dans l'infrarouge : on l'appelle la série de Paschen.

bohr.png

Calcul de longueurs d'ondes

Difficulté : ☆    Temps : 15 minutes

Calculer la longueur d'onde des premières et dernières raies de Lyman, Balmer et Paschen de l'hydrogène et indiquer dans quel domaine du spectre électromagnétique ces ondes se situent.

L'expression suivante vous sera utile :

1/lambda(m;n) = R_H *(1/n^2 -1/m^2)

Réponses aux QCM

pages_raies-hydrogene/raies-hydrogene-sexercer.html

  • Question 1 Solution : réponse 1) ( ok )

Réponses aux exercices

pages_spectroscopie/raies-hydrogene-sexercer.html

Exercice 'Calcul de longueurs d'ondes'

Pour la série de Lyman :

lambda(1;2)=unité(121,6;nm)

Pour la série de Balmer :

lambda(2;3)=unité(656,3;nm)

Pour la série de Paschen :

lambda(3;4)=unité(1876,0;nm)

Encyclopædia Universalis

Interprétation des raies du spectre de l’hydrogène

Il existe trois groupes de raies d'émission de l'hydrogèner : série de Lyman dans l'ultraviolet, série de Balmer dans le visible et série de Paschen dans l'infrarouge. À droite sont représentées les raies de la série de Balmer et leurs longueurs d'onde en nanomètres, du rouge à l'ultraviolet proche. Johan Balmer établit en 1883 que les longueurs d'onde de ces raies étaient mathématiquement reliées entre elles comme les termes d'une série (formule de Balmer). Cette loi empirique n'a été comprise qu'avec la mécanique quantique. Les différentes raies correspondent à des transitions des électrons d'un état quantique n supérieur à 2, vers l'état quantique de niveau n  = 2. Le saut de n  = 3 vers n  = 2 correspond à l'émission de la bande à 656 nm, etc. La série de Lyman correspond à des sauts d'un état supérieur à 3 vers n  = 1 (état fondamental) ; la série de Paschen correspond à des sauts d'un état supérieur à 3 vers n  = 3. Seules les bandes de forte intensité sont indiquées sur le schéma. 

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Thierry Briere - T.D Initiation à la chimie théorique - http://www.chimie-briere.com

SERIE 2 - Spectre de l’Hydrogène et des Hydrogénoïdes

Exercice 1 :

Si l’électron de l’Hydrogène est excité au niveau n=5, combien de raies différentes peuvent-elles être émises lors du retour à l’état fondamental. Calculer dans chaque cas la fréquence et la longueur d’onde du photon émis.

10 raies possibles :

On peut utiliser indifféremment le modèle de Bohr ou la formule empirique de Balmer-Rydberg.

Modèle de Bohr : E n = - E 0 / n 2

Formule de Rydberg : 1/ l = R H (1/n 2 – 1/p 2 )

E n,p = -E 0 / n 2 + E 0 / p 2 = E 0 (1/p 2 - 1/n 2 )

E = h . n et n = C / l

E 0 = h C R H = 6,62 10 -34 * 3 10 8 * 1,097 10 7

E 0 = 2,18 10 -18 J ( 13,6 eV )

E n,p = 2,18 10 -18 (1/p 2 - 1/n 2 )

Remarques :

- Une erreur fréquente consiste à penser que les niveaux sont équidistants, ce qui diminuerait le nombre de raies.

  • on peut vérifier que la valeur obtenue pour l est du bon ordre de grandeur si on se rappelle que la série de Lyman (n=1) est dans l'Ultra-Violet, que la série de Balmer (n=2) est dans le visible et que toutes les autres séries sont dans l'Infra.Rouge.

Exercice 2 :

Si un atome d’Hydrogène dans son état fondamental absorbe un photon de longueur d’onde l 1 puis émet un un photon de longueur d’onde l 2 , sur quel niveau l’électron se trouve t-il après cette émission ? l 1 = 97, 28 nm et l 2 = 1879 nm

D E n,1 = h C / l 1 = E 0 (1 - 1/n 2 ) = h C R H * (1 - 1/n 2 )

1 / l 1 = R H * (1 -1/n 2 )

(1 -1/n 2 ) = 1/ (R H l 1 ) = 1/ (1,097 10 7 * 97,28 10 -9 ) = 0,937

1/n 2 = 1 - 0,937 = 0,0629

n 2 = 15,89 è n = 4

D E n,m = h C / l 2 = E 0 (1/m 2 - 1/n 2 ) = h C R H * (1/m 2 - 1/n 2 )

1 / l 2 = R H * (1/m 2 -1/n 2 )

(1/m 2 -1/n 2 ) = 1/ (R H l 2 ) = 1/ (1,097 10 7 * 1879 10 -9 ) = 0,0485

1/m 2 - 1/n 2 = 0,0485

1/m 2 = 0,0485 + 1/16 = 0,111

m 2 = 9,009 è m = 3

Exercice 3 :

Le Strontium peut être caractérisé par la coloration rouge vif qu'il donne à la flamme. Cette coloration est due à la présence dans son spectre de deux raies visibles à 605 nm et 461 nm. L'une est jaune-orangée et l'autre bleue. Attribuer sa couleur à chacune et calculer l'énergie et la fréquence des photons correspondants.

Le domaine du visible s'étalle approximativement de 400 nm à 800 nm.

L'ordre des couleurs est celui bien connu de l'arc en ciel : VIBVJOR soit Violet - Indigo - Bleu - Vert - Jaune - Orange - Rouge. Le violet correspond aux hautes énergies, aux hautes fréquences et aux faibles longueurs d'onde. Inversement, le rouge correspond aux faibles énergies, aux faibles fréquences et aux grandes longueurs d'onde.

Il est donc facile d'attribuer sa couleur à chaque raie par simple comparaison.

E = h n = h C / l

Raie 1 : l 1 = 605 nm

n 1 = 3 10 8 / 605 10 -9 = 4,96 10 14 Hz

E 1 = 6,62 10 -34 * 4,96 10 14 = = 3,28 10 -19 J

Couleur jaune orangée (longueur d'onde élevée fréquence et énergie faibles)

Raie 2 : l 2 = 461 nm

? 1 = 3 10 8 / 461 10 -9 = 6,51 10 14 Hz

E 1 = 6,62 10 -34 * 6,51 10 14 = = 4,31 10 -19 J

Couleur bleue (longueur d'onde faible fréquence et énergie élevées)

Exercice 4 :

  • Un atome d'hydrogène initialement à l'état fondamental absorbe une quantité d'énergie de 10,2 eV. A quel niveau se trouve-t-il alors ?

( 1 / n 2 - 1 / m 2 ) = D E / E 0

( 1 - 1 / m 2 ) = D E / E 0

1 / m 2 = 1 - ( D E / E 0 ) = 1 - (10,2 /13,6) = 0,25

m 2 = 4 et m = 2

  • Un atome d'hydrogène initialement au niveau n=3 émet une radiation de longueur d'onde l = 1027 A°. A quel niveau se retrouve-t-il ?

l = 1027 A° = 1027 10 -10 m

E = h C / l = 6,62 10 -34 * 310 8 /1027 10 -10 = 1,934 10 -18 J = 12,086 eV

?E = E 0 ( 1 / n 2 - 1 / m 2 )

( 1 / n 2 - 1 / 9) = D E / E 0

1 / n 2 = 1 /9 + ( D E / E 0 ) = 1/9 + (12,086 /13,6) = 0,9998

n 2 = 1 et n = 1

Exercice 5 :

L'énergie de première ionisation de l'atome d'hélium est 24,6 eV.

a) Quelle est l'énergie du niveau fondamental ?

E 1 = -24,6 eV puisque l'énergie d'ionisation est l'énergie à fournir pour arracher l'électron du niveau fondamental pour l'ammener au niveau ionisé correspondant à n = ¥ .

b) Un atome d'hélium se trouve dans un état excité d'énergie -21,4 eV. Quelle est la longueur d'onde de la radiation émise quand il retombe au niveau fondamental ?

D E = 24,6 - 21,4 = 3,2 eV = 5,12 10 -19 J

D E = h C / l è l = h C / D E = 6,62 10 -34 * 3 10 8 / 5,12 10 -19 = 3,88 10 -7 m = 388 nm

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VIII. Atome d'hydrogène (2)

du spectre de lhydrogène

1. Problème

2. structure fine, 3. structure hyperfine, 4. structures fine et hyperfine : étude de cas, 4.1. niveau 1, 4.2. niveau 2, 4.3. représentation graphique, plan du site.

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Position du problème. Structure fine et structure hyperfine. Un exemple pratique de construction du spectre.

Nous avons jusqu’à présent considéré un état stationnaire défini par {\(n,~l,~m\)} en négligeant le spin et ses effets relativistes. Pour rappel (tableau de correspondance) : \[\begin{matrix} &n=&1&2&3&4&5&6\\ &l=&0&1&2&3&4&5\\ & &s&p&d&f&g&h \end{matrix} \qquad\qquad 0~\leq~l~\leq~n-1\] \[\text{Exemples d'états} \qquad \left\{ \begin{aligned} &~~E_1~:~\{1s\}\qquad(\text{fondamental})\\ &~~E_2~:~\{2s,~2p\}\\ &~~E_3~:~\{3s,~3p,~3d\} \end{aligned} \right.\]

Cette représentation reste élémentaire. Des corrections nécessaires conduiront aux structures dites \(fines\) et hyperfines .

Dans l’hamiltonien d’un atome, les termes relativistes se divisent en deux catégories :

les termes linéaires (par rapport aux opérateurs spins des électrons) ;

les termes quadratiques :

interaction (spin – orbite) : mouvement orbital des électrons avec leurs spins,

interaction (spin – spin) entre les spins des électrons.

Les deux interactions sont du second ordre en comparaison avec la grandeur (\(v/c\)).

Cependant, dans les atomes lourds,

l’interaction (spin – orbite) est très supérieure à l’interaction {spin-spin} ;

l’interaction (spin – orbite) croît rapidement avec le numéro atomique \(Z\) ;

l’interaction (spin – spin) ne dépend pas (pour l’essentiel) de \(Z\).

L’opérateur (spin – orbite) est représenté sous la forme (assimilable à une perturbation) : \[\widehat{V}_{sl}~=~\sum_a~\widehat{\textbf{A}}_a~\widehat{s}_a\qquad(\text{sommation sur tous les électrons})\qquad(1)\]

\(\widehat{s}_a\) : opérateurs des spins des électrons

\(\widehat{A}_a\) : opérateurs orbitaux agissant sur les fonctions des coordonnées

La principale contribution provient alors de la région des petites distances du noyau, de l’ordre de grandeur du rayon de Bohr \(r \) pour un noyau de charge \(Z~e\) : \[U(r)~\approx~\frac{Z~e^2}{r}~\approx~\frac{Z^2me^4}{\hbar^2}\qquad(\text{énergie potentielle})\]

De sorte que (\(\alpha\) déjà rencontrée comme constante de structure fine ) \[\alpha~\approx~\frac{\hbar^2~U}{m^2~c^2~r^2}~\approx~Z^4~\Big(\frac{e^2}{\hbar c}\Big)^2~\frac{m~e^4}{\hbar^2}\qquad(2)\]

Le premier facteur croît rapidement avec \(Z\). Le deuxième facteur correspond à l’énergie fondamentale de l’électron périphérique.

Dans la moyenne sur les états électroniques de valeurs absolues \(L\) et \(S\) données du moment orbital et du spin totaux (directions non données), l’opérateur \(\widehat{V}_{sl}\) devient \(\widehat{V}_{SL}\).

Par raison de symétrie, les valeurs moyennes des \(\rm\widehat{s}_a\) doivent être dirigées suivant \(\rm\widehat{S}\), seul vecteur de spin à caractériser l’atome globalement.

De même, les moyennes des \(\rm\widehat{I}_a\) (moment orbital des électrons) sont dirigées suivant \(\rm\widehat{L}\).

De la sorte, on peut écrire : \[\widehat{V}_{SL}~=~A~\rm\widehat{S}~\widehat{L}\qquad(3)\]

\(A\) est une constante caractéristique du terme non désintégré, dépendant donc de \(S\) et \(L\) et non du moment total \(\textbf{J}\) de l’atome.

Pour calculer l’énergie de désintégration du niveau dégénéré (\(S\) et \(L\) données), il faut revenir à l’équation séculaire formée avec les éléments matriciels de l’opérateur.

Ici, les fonctions exactes de l’approximation zéro (matrice \(V_{SL}\) diagonale) sont connues : ce sont les fonctions d’onde des états avec des valeurs déterminées du moment total \(J\).

Calculer la valeur moyenne revient à remplacer l’opérateur \(\rm\widehat{S}~\widehat{L}\) par sa valeur propre : \[{\rm L~S}~=~\frac{1}{2}~\{J~(J+1)-L~(L+1)-S~(S+1)\qquad(4)\]

Toutes les composantes du multiplet étant à \(L\) et \(S\) identiques, seule nous intéresse leur disposition relative ; on peut écrire l’énergie de désintégration sous la forme : \[\frac{1}{2}~A~J~(J+1)\qquad(5)\]

Les intervalles entre composantes voisines (nombres \(J\) et \(J-1\)) valent donc : \[\Delta E_{J,~J-1}~=~A~J\qquad(6)\]

Formule qui exprime la règle des intervalles de Landé .

1) Lorsque \(A>0\), la composante la plus basse du niveau multiplet est le niveau de la plus petite valeur possible de J : \[J~=~|L-S|\]

De tels multiplets sont dits normaux .

2) Mais si \(A<0\), le niveau le plus bas est alors tel que : \[J~=~L+S\]

Le multiplet est dit inversé .

Règle pratique

Comment déterminer la valeur de \(J\) dans l’état normal de l’atome avec une couche incomplète ?

S’il s’y trouve au plus la moitié du nombre maximum possible d’électrons pour cette couche : \[J~=~|L-S|\]

Mais si la couche est plus que mi-pleine : \[J~=~L+S\]

Autre effet atomique dû aux propriétés spécifiques du noyau : la désintégration des niveaux atomiques de l’énergie par suite de l’interaction des électrons avec le spin du noyau. C’est la structure hyperfine des niveaux.

Cette interaction étant faible, les intervalles de ladite structure sont très petits, même en comparaison des intervalles de la structure fine. Aussi la structure hyperfine doit-elle être examinée séparément, pour chacune des composantes de la structure fine.

Selon l’usage en spectroscopie atomique, nous désignerons le spin du noyau par \(i\), conservant la notation \(J\) du moment total de la couche électronique de l’atome.

Nous désignerons le moment total de l’atome, noyau compris, par \(F\)

Chaque composante de la structure hyperfine est caractérisée par une valeur déterminée de ce moment. En vertu des règles générales de l’addition des moments : \[F~=~J+i,~J+i-1,~\dots,~|J-i|\qquad(7)\]

De sorte qu’en tout, chaque niveau correspondant à \(J\) donné se scinde en :

\[\begin{aligned} 2~i+1 &\qquad\text{si~:}\quad~i~<~J\\ 2~J+1 &\qquad\text{si~:}\quad~i~>~J\end{aligned}\]

Les distances moyennes \(r\) des électrons dans l’atome étant grandes en comparaison du rayon \(R\) du noyau, le principal rôle dans la désintégration hyperfine incombe à l’interaction avec les moments multipolaires du noyau les plus bas. C’est le cas des moments magnétique dipolaire et électrique quadrupolaire.

Le moment magnétique du noyau a pour ordre de grandeur : \[\mu_{noy}~\approx~\frac{e~R~v_{noy}}{c}\]

\(v_{noy}\) : vitesses des nucléons dans le noyau

Énergie d’interaction du moment magnétique du noyau avec celui de l’électron : \[E_{int}~=~\frac{\mu_{noy}~\mu_{el}}{r^3}~\approx~\frac{e^2~\hbar}{m~c^2}~\frac{R~v_{noy}}{r^3}\qquad(8)\]

Moment quadrupolaire du noyau : \[Q~\approx~e~R^2\]

Énergie d’interaction qu’il crée avec la charge de l’électron : \[E_{int}~=~\frac{e~Q}{r^3}~\approx~\frac{e^2~R^2}{r^3}\qquad(9)\]

L’opérateur d’interaction magnétique des électrons avec le noyau a la forme : \[\widehat{\rm V}_{iJ}~=~a~\rm\widehat{i}~~\widehat{J}\qquad(10)\]

Dépendance par rapport à \(F\) de la désintégration des niveaux qu’elle provoque : \[\frac{a}{2}~F~(F+1)\qquad(11)\]

Tous calculs faits, l’expression de la désintégration quadrupolaire hyperfine en fonction du nombre quantique \(F\) est : \[\frac{b}{2}~F^2~(F+1)^2+\frac{b}{2}~F~(F+1)~\{1-2~J~(J+1)-2~i~(i+1)\}\qquad(12)\]

En se plaçant dans la base propre de : \[\{\widehat{L}^2~,~\widehat{S}^2~,~\widehat{J}^2~,~\widehat{I}^2~,~\widehat{F}^2\}\qquad(F=J+I)\]

On peut dire qu’un niveau d’énergie est en réalité caractérisé par :

5 nombres {\(n,~l,~s,~j,~m_j\)} si l’on s’arrête à la structure fine ;

7 nombres {\(n,~l,~s,~j,~i,~F,~m_F\)} en poursuivant à la structure hyperfine.

Le niveau 1 est caractérisé par \(l=0\) et \(s=1/2\) (spin de l’électron) : \[|l-s|~\leq~j~\leq~l+s\qquad\Rightarrow\qquad j=\frac{1}{2}\]

En structure fine, le niveau se note \(s_{1/2}\) (indice = valeur de \(j\)).

On doit avoir de plus : \[|j-i|~\leq~F~\leq~j+i\qquad\text{avec}~~i=\frac{1}{2}~\text{(spin du proton)}\]

Ce qui conduit à \(F=0\) et \(F=1\).

Il existe donc, en structure superfine, deux niveaux notés : \[1s_{1/2}~F=0\qquad\text{et}\qquad~1s_{1/2}~F=1\]

À la structure fine, on obtient : \[\left\{ \begin{aligned} &2s_{1/2}\\ &2p_{1/2}\\ &2p_{3/2} \end{aligned} \right.\]

À la structure hyperfine, on obtient : \[\left\{ \begin{aligned} &2s_{1/2}F=0\\ &2s_{1/2}F=1 \end{aligned} \right. \qquad \left\{ \begin{aligned} &2p_{1/2}F=0\\ &2p_{1/2}F=1 \end{aligned} \right. \qquad \left\{ \begin{aligned} &2p_{3/2}F=1\\ &2p_{3/2}F=2 \end{aligned} \right.\]

du spectre de lhydrogène

On remarquera qu’en structure fine, les niveaux \(2s_{1/2}\) et \(2p_{1/2}\) sont normalement dégénérés.

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n est le nombre quantique principal, il désigne le numéro de la couche électronique dans laquelle se situe l'électron. L'énergie ne peut prendre que certaines valeurs (à la différence des planètes et satellites ): on dit qu'elle est quantifiée.

Diagramme d'énergie de l'atome d'hydrogène: Reportons ces différentes énergies dans le diagramme suivant:

Emission et absorption de lumière lors d'un saut électronique:

L'émission de lumière peut se faire, par perte d'énergie de l'électron, si l'électron passe d'un niveau excité à un niveau de plus basse énergie: raie brillante sur un fond sombre et on aura un spectre de raies d'émission .

h = 6,63.10 -34 m 2 .kg.s -1 ( ou J.s) est la constante de Planck, c est la célérité de la lumière dans le vide c = 3,00.10 8 m.s -1 . DE doit être en joules si l'on veut la longueur d'onde en mètres.

Niveaux d'énergie et émission de lumière par l'atome H

Lorsque la transition électronique aboutit sur le niveau fondamental (n = 1), c'est la série de Lyman, elle se trouve dans le domaine U.V..

Lorsque la transition électronique aboutit sur le premier niveau excité (n = 2), c'est la série de Balmer, elle se trouve en grande partie dans le domaine visible.

Lorsque la transition électronique aboutit sur le deuxième niveau excité (n = 3), c'est la série de Paschen, elle se trouve dans le domaine I.R..

Dans notre cas l'électron passe du niveau 3 au niveau 2 ou inversement et il émet ou il absorbe une radiation de longueur d'onde:

Soit 658 nm: c'est une raie rouge, c'est la raie rouge baptisée H a des nébuleuses , lesquelles contiennent principalement de l'hydrogène atomique. Les nébulosités bleues sont généralement dues à la réflexion de la lumière sur les grains de poussière des nébuleuses.

Pose de 20 min sur film Fuji 200 ASA hypersensibilisé.

  Quelques raies du spectre de l'hydrogène atomique: Comme le calcul est répétitif, utilisons la formule semi-littérale suivante:

Résultats pour les 3 premières séries:

Plaçons ces quelques raies dans le spectre de l' hydrogène atomique:

Cette dernière expression est la formule de Ritz. La constante R H = 1,09.10 7 est la constante de Rydberg, elle a la même unité que 1 / l et s'exprime donc en m -1 .

 1 / l   représente le nombre de longueurs d'onde par mètre et est appelé nombre d'ondes. Si l'on veut calculer l  , on a les 2 choix suivants:

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du spectre de lhydrogène

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Production de l'hydrogène

Électrolyse hydrogène

Au Danemark, le site pilote « HyBalance » d’Air Liquide à Hobro produit de l’hydrogène « décarboné » à partir de la technologie d’électrolyse. (©Air Liquide)

  • Le dihydrogène possède une très grande densité massique d'énergie (1 kg d’hydrogène contient autant d’énergie qu’environ 3 kg de pétrole) mais une très faible densité volumique.
  • Le vaporeformage à partir de combustibles fossiles est le procédé de production d'hydrogène le plus répandu (96%) car de loin le plus économique.
  • Trois principales voies de remplacement de ce procédé de production sont activement explorées : l’électrolyse, la biomasse et la thermochimie.

Fondamentaux

  • Procédés de production
  • L’électrolyse

Production d'hydrogène à partir de la biomasse

Production d'hydrogène par dissociation thermochimique de la vapeur d’eau, production d’hydrogène et nucléaire.

L’atome d’hydrogène H est constitué d’un noyau à un seul proton P + et d’un électron périphérique e-. H est le plus petit, le plus simple et le plus léger des atomes. Il occupe la première place à l’entrée supérieure gauche du tableau de Mendeleïev, qui range les atomes par numéro atomique croissant, c’est-à-dire par leur nombre de protons et donc d’électrons orbitaux.

Doté d’un seul électron périphérique, H est chimiquement l’atome le plus réducteur et peut se lier à pratiquement tous les éléments, et d’abord à lui-même, pour former la molécule de dihydrogène H 2 dont la couche périphérique à deux électrons possède la stabilité du premier niveau d’équilibre quantique. Mais la masse du dihydrogène n’est pas suffisante pour qu’il soit retenu par l’attraction terrestre. Selon les connaissances actuelles, il est très peu présent sous forme H 2 dans la croûte (2/1000 des atomes) comme dans l’atmosphère (0,5 ppm) alors qu’il est l’atome le plus répandu dans l’Univers dont il constitue plus de 90% des atomes et 75% de la masse.

Sur Terre, l’hydrogène réducteur est présent dans une multitude de molécules dont les plus essentielles à la vie : avec l’oxygène, il forme l’eau ; avec le carbone, le méthane et la famille des hydrocarbonates constituant la chimie organique ; avec l’azote, l’ammoniac et ses dérivés (engrais) ; avec les halogènes, les acides forts (comme l’acide chlorhydrique), etc.

L’hydrogène ne constitue donc pas sur Terre une énergie primaire directement disponible comme le charbon ou le pétrole. Sous forme H 2 , c’est seulement un vecteur d’énergie qui doit être produit en l’extrayant de ses composés (eau, méthane, etc.) et qui peut alors réagir puissamment avec les oxydants, en particulier l’oxygène, en dégageant beaucoup d’énergie.

Comme vecteur d’énergie, le dihydrogène possède trois aptitudes exceptionnelles :

  • la plus grande densité massique d'énergie, 1 kg d’hydrogène contient autant d’énergie qu’environ 3 kg de pétrole ;
  • une combustion très énergétique dans l’oxygène avec production d’eau pure ;
  • une dualité profonde avec l’électricité, avec une capacité de transformation réciproque directe par électrolyse ou pile à combustible .

Ces trois points majeurs font de l’hydrogène, pour certains, l’atout-maître de la décarbonation nécessaire, en le substituant aux énergies fossiles, pour mettre fin à l’emballement climatique en cours. Il est en particulier vu comme le remède à l’intermittence de l’éolien et du solaire dont H 2 serait le stockeur-déstockeur, permettant ainsi un développement massif de ces filières.

Mais le vecteur d’énergie H 2 présente aussi des inconvénients, également majeurs, liés à sa faible densité volumique d'énergie. Pour le stocker, le transporter et le distribuer, il faut soit le liquéfier à pression atmosphérique mais à une température extrêmement basse (- 253 °C), soit le comprimer à très haute pression (700 bars), tout en maîtrisant ses risques de fuite, de corrosion et d’explosion.

Pour pouvoir substituer une économie « hydrogène » à celle de l’«  oil and gas  » régnante, il faudrait d’abord savoir produire industriellement le nouveau vecteur énergétique « H 2 décarboné », en quantités supérieures de près de deux ordres de grandeur à l’existant, sans émission de gaz à effet de serre à un coût raisonnable. Mais quelle est d’abord la situation actuelle ?

Cette fiche complète une autre fiche pédagogique plus générale consacrée au vecteur hydrogène énergie.  Elle évoque les usages de l'hydrogène pour l'électricité, la mobilité et l'industrie. L'utilisation de cet hydrogène comme intermédiaire énergétique en le recombinant avec le CO 2 afin de produire du méthane « vert » (« Power to gas »)  ou des hydrocarbures liquides n'est en revanche pas traitée ici, étant abordée dans d'autres contenus dédiés.

La production d’hydrogène

L’hydrogène est actuellement un gaz industriel important : 75 millions de tonnes sont fournies annuellement à l’industrie chimique, près de 45% pour le raffinage pétrolier (désulfuration), presque autant pour la production d’ammoniac et d'engrais azotés, environ 10% pour les industries alimentaires, électroniques et métallurgiques et enfin près de 1% pour la propulsion spatiale des fusées par combustion d’hydrogène et d’oxygène liquides.

La France produit près d’un million de tonnes d’H 2 par an, soit 1,5% de la production mondiale (contre de l'ordre de 10 Mt par an pour les États-Unis (1) ou la Chine).

Un procédé de production dominant (96%) : le vaporeformage des hydrocarbures ( Steam Methane Reforming en anglais)

Aujourd’hui, l’hydrogène pour l’industrie est produit quasi intégralement en l’extrayant du gaz naturel sous l’action de la vapeur d’eau surchauffée. Ce vaporeformage du méthane, après désulfurisation du gaz naturel, se fait en deux étapes à haute température (entre 700°C et 1 000°C) où sont rompues les liaisons de l’hydrogène (dans l’eau avec l’oxygène, dans le méthane avec le carbone) :

H 2 O + CH 4 → CO + 3 H 2 (fortement endothermique : + 190 kJ/mole)

CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (faiblement exothermique : - 40 kJ/mole)

À la sortie du vaporéacteur, l’hydrogène pur est séparé du CO 2 qui peut être capturé, et d’un mélange en excès de CO, de méthane et de vapeur d’eau (syngas) qui est utilisé pour fournir la chaleur nécessaire au vaporeformage.

Des catalyseurs métalliques sont utilisés (nickel, fer, chrome, cuivre) pour faciliter les réactions. Le vaporeformage est associé à une très lourde émission de CO 2  : pour une tonne de H 2 produite, 10 à 11 tonnes de CO 2 sont produites et en général émises dans l’atmosphère.

Le vaporeformage est le procédé le plus économique actuel pour produire l’hydrogène industriel. Évalué à 1,5 €/kg, son coût au kg reste cependant le triple de celui du gaz naturel hors taxe carbone (donc en ne tenant pas compte de sa lourde empreinte environnementale).

Un appoint : l’électrolyse alcaline de l’eau

De l'ordre de quelques pour cent de la production annuelle d’hydrogène sont produits par électrolyse alcaline, le vaporeformage étant incapable d’atteindre « l’ultrapureté » nécessaire aux laboratoires de recherche et à l’industrie des semi-conducteurs.

Le procédé d’électrolyse alcaline est une technologie éprouvée, l’eau y est décomposée entre deux électrodes monopolaires baignant dans un électrolyte basique (potasse).

À l’anode réductrice se dégage de l’oxygène : 2 OH - → ½ O 2 + H 2 O + 2 e - À la cathode oxydante se dégage l’hydrogène : 2 H 2 O + 2 e - → H 2 + 2 OH -

Les électrodes monopolaires initialement connectées en parallèle ont été remplacées par des électrodes bipolaires (une face anode, une face cathode) qui fonctionnent en série, avec des densités de courant plus élevées, donc plus compactes, plus réactives et de meilleur rendement.

L’électrolyse alcaline produit de l’hydrogène ultra-pur à un coût qui est environ quatre fois celui du vaporeformage (de l'ordre de 6€/kg).

La gazéification du charbon

Le charbon est une substance complexe et de teneur en carbone variable suivant les minerais ( houille, anthracite, lignite ). Porté à très haute température (1 200°C) par sa combustion partielle dans l’air, le charbon se vaporise et le carbone qu’il contient réagit avec de la vapeur d’eau en produisant du « syngas » dont on peut séparer l’hydrogène après avoir éliminé les impuretés et le CO 2 .

Le charbon étant la ressource fossile la plus répandue au 19 e siècle, sa gazéification a été exploitée pour produire du gaz de ville , puis pour fabriquer massivement des carburants liquides à usage militaire (notamment en Allemagne durant la Seconde Guerre mondiale). Il n’est désormais plus gazéifié, sauf ponctuellement pour produire industriellement de l’hydrogène, mais cette possibilité reste activement étudiée par les grands pays carbonifères (Chine, États-Unis, Allemagne, etc.).

La situation actuelle

Dominé par un procédé où l’énergie thermique nécessaire est fournie par la combustion partielle du méthane ( Steam methane reforming ), la production mondiale d'hydrogène s'accompagne annuellement de près d’un milliard de tonnes de CO 2  d'émissions dans l’atmosphère, soit plus de 3 fois les émissions annuelles de CO 2 liées à la combustion d'énergie en France (319 Mt CO 2  en 2018 (2) ).

Dans le contexte d’une transition énergétique globale s’intensifiant et l’hydrogène décarboné faisant l’objet d’une production croissante, il apparaît probable que le reformage du méthane disparaîtra progressivement.

Trois voies de remplacement, qui peuvent être combinées, sont dès maintenant activement explorées : l’électrolyse, la biomasse et la thermochimie.

L’électrolyse pour produire massivement l’hydrogène décarboné ?

L’électrolyse alcaline

Déjà décrite précédemment, l’électrolyse alcaline fonctionne à température moyenne (80°C à 160 °C) et à pression modérée (3 à 30 bars) avec la potasse comme électrolyte liquide. Son bon rendement (60% à 70%) est associé à une forte inertie qui la rend mal adaptée aux fluctuations rapides des sources électriques intermittentes. Des améliorations de la réactivité de ces électrolyseurs par augmentation de pression ont été récemment obtenues.

Actuellement, à partir de technologies bipolaires matures, l’effort se porte vers des architectures modulaires lourdes qui pourraient atteindre 100 MW (25 x 4 MW) pouvant produire plus de 40 tonnes par jour d’H 2 (et 8 fois plus d’oxygène). Ces électrolyseurs sont destinés aux transports (stations pour poids lourds et grandes flottes) et à l’industrie pour rivaliser avec le vaporeformage, mais pour combler l’écart en coût (facteur 3), des effets de série considérables seront nécessaires, assortis de ruptures technologiques significatives.

L’électrolyse P.E.M. ( Proton Exchange Membrane )

Ces électrolyseurs utilisent un électrolyte solide fait de membranes polymères conductrices de protons H+. Les P.E.M. sont dans l’ensemble supérieurs aux alcalins, en particulier en rendement (+ 5%), leur handicap étant un prix nettement plus élevé à cause du coût de la membrane et des catalyseurs (métaux nobles).

Leur réactivité élevée en fait une solution adaptée à des sources intermittentes. Enfin, c’est une technologie déjà éprouvée, l’oxygène des sous-marins et des stations spatiales étant produite par électrolyse P.E.M. Un des atouts majeurs, bien qu’indirect, de la technologie P.E.M. est de bénéficier des efforts de R&D sur les piles à combustible qui sont aussi des technologies P.E.M. Des prototypes de systèmes P.E.M./PAC réversibles sont déjà en cours d’expérimentation en laboratoires.

L’électrolyse à haute température (HTE)

La température de l’électrolyse conditionne directement la quantité d’électricité complémentaire à apporter pour dissocier la molécule d’eau. Dès les années 2000, l’amélioration du rendement des électrolyseurs à électrolytes solides (PEM ou SOEC pour Solid Oxyde Electrolysis Cell ) par augmentation de leur température a fait l’objet d’un important effort de recherche.

En 2014, le CEA-Liten a annoncé avoir atteint un rendement de 90% (3,5 kWh/Nm 3 H 2 ) à partir de vapeur d’eau injectée à 150°C et produisant de l’hydrogène à 700°C. En 2018, l’électrolyse HT était ainsi mise au premier plan comme une «  brique de base  » de l’initiative gouvernementale « Plan Hydrogène » avec le soutien du CEA/Liten.

L’électrolyse à haute température est présentée comme le maillon-clé d’une production d’hydrogène décarboné compétitive, associée à une électricité intermittente (ou nucléaire, celle-ci fournissant de plus, en cogénération, la chaleur décarbonée à haute température thermodynamiquement optimale).

Coûts de l’hydrogène produit par électrolyse

Ce sujet est un objet d’évaluations parfois très divergentes entre partisans du stockage de l’électricité par batteries et promoteurs des solutions tout-hydrogène, sur fond d’affrontements sur les coûts réels des électricités d'origine renouvelable intermittente ou nucléaire.

En août 2014, France Stratégie avait publié une note approfondie et pessimiste sur l’économie d’une filière hydrogène (3) . Ce rapport évaluait les coûts de la production d'hydrogène par électrolyse à au minimum 6 à 7 €/kg, avec une valeur moyenne de 12 €/kg suivant les scénarios envisagés, ces coûts dépendant étroitement de celui de l’électricité. Rappelons que le prix de l’hydrogène à la pompe (Air Liquide) est actuellement de l'ordre de 10 à 12 €/kg au minimum pour une autonomie maximale de 100 km/kg H 2 (estimation Daimler pour un rendement PAC de 50 à 60%).

Fin 2017,  « le plan de développement de l’hydrogène pour la filière énergétique » lancé par Nicolas Hulot  se fondait sur la prolongation de la forte baisse des coûts de l’électrolyse PEM observée depuis 2010 (coûts divisés par 4), en l’évaluant entre 4 et 6€/kg pour 4 000 à 5 000 h de production par an et en l’extrapolant à 2/3€/kg en 2030 (soit des coûts compétitifs avec le reformage du méthane).

En 2018, Morgan Stanley, dans une étude s’étendant jusqu’à l’horizon 2050 (4) construisait sa prospective sur l’hypothèse d’une profonde et durable baisse du coût de l’électricité sous l’effet d’une offre surabondante venue du développement mondial des énergies renouvelables intermittentes, en particulier dans les pays émergents. L’hydrogène produit par électrolyse au pied des parcs éoliens et solaires s’imposerait alors comme le vecteur-énergie dominant de la décarbonation globale, Morgan Stanley prévoyant un marché mondial de l'hydrogène passant de 130 G$ en 2017 à 2 500 G$ en 2050, avec un prix à la pompe inférieur à 1 €/kg.

Par biomasse, on entend l’ensemble des matières organiques végétales et animales constituées de molécules à base de carbone et d’hydrogène qui se sont formées par photosynthèse de la lumière solaire .

La biomasse exploitable est constituée essentiellement de déchets agricoles et sylvicoles, agroindustriels et ménagers. Elle constitue une énergie primaire renouvelable sous réserve que son prélèvement préserve la ressource agricole et forestière.

L’énergie de la biomasse est actuellement extraite soit par combustion (30% électricité, 70% chaleur), soit par fermentation anaérobie ( méthanisation  : 60% CH 4 , 40% CO 2 ), soit par gazéification à haute température des déchets peu fermentescibles.

Ces deux derniers procédés sont aujourd’hui exploités pour produire industriellement des biocarburants liquides, méthanol et ses dérivés (79 Mtep en 2017). Ils sont aussi capables de produire de l’hydrogène à partir du syngas (CO + H 2 ), étape commune aux deux procédés, en le prolongeant par la thermolyse à haute température et séparation de l’hydrogène.

                         C 6 H 9 O 4 (biomasse) + 2 H 2 O → 6 CO + 6,5 H 2 (900 - 1 200°C)

Les premières usines exploitant la thermolyse/thermochimie de la biomasse pour produire de l’hydrogène sont en cours de démarrage (en France HYNOCA – Vitry Le François) avec pour objectif un prix compétitif avec l’électrolyse (4 €/kg à la pompe ?) dans l’hypothèse d’un prix modéré de la biomasse.

Mais ce prix de la biomasse, à cause du coût amont d’approvisionnement et de conditionnement d’une ressource par essence dispersée et hétérogène, pourrait ne pas pouvoir être réduit suffisamment pour permettre au biohydrogène d’être compétitif en dehors des niches qu’il occupe déjà.

L’énergie minimale pour dissocier la molécule d’eau est très élevée (∆H° = 286 kJ/mole), et correspond à une température critique Tc supérieure à 3 500°C, pour une dissociation purement thermique à pression atmosphérique.

Pour dissocier l’eau à une température plus basse, réalisable industriellement, il faut apporter, outre l’énergie thermique T∆S, une quantité suffisante d’énergie libre ∆G complémentaire (dite de Gibbs), par exemple électrique (électrolyse HT) , ou chimique avec des masses importantes.

Parmi les multiples cycles thermochimiques proposés, le cycle Iode-Soufre (I-S) a été le plus étudié. Il consiste à produire d’abord deux acides (HI et H 2 SO 4 ), par la réaction dite de Bunsen :

                                      I 2 + SO 2 + 2 H 2 O → 2 HI + H 2 SO 4 (exothermique)

SO 2 ayant été produit en amont par décomposition de H 2 SO 2 , HI étant décomposé en aval en hydrogène et iode (2 HI → H 2 + I 2 ) et l’iode I 2 étant réinjecté dans la réaction et H 2 SO 4 en amont pour redonner SO 2 .

Quels que soient les cycles, mais particulièrement l’I-S, une énergie thermique décarbonée à haute température est nécessaire à la production massive d’hydrogène, en chaleur seule ou en cogénération avec l’électricité (électrolyse HT) dans des proportions à optimiser en fonction des coûts de l’électricité et de la durée de vie des matériaux du système de génération d’hydrogène.

Les deux sources de chaleur décarbonée possibles sont le nucléaire (HT) et le solaire à concentration qui permettent d’atteindre les températures de 900 à 1 000°C requises.

Les deux procédés de production massive d’hydrogène « vert », l’électrolyse (HT) et la thermochimie, nécessitent de disposer de chaleur décarbonée à haute température cogénérée avec de l’électricité elle-aussi décarbonée.

Les réacteurs nucléaires électrogènes refroidis à eau fonctionnent à des températures insuffisantes (300°C) pour obtenir (sauf électrolyse à moyenne température) des rendements compétitifs.

En revanche, parmi les 6 candidats à la Génération IV, les réacteurs à très haute température (VHTR) ont été d’emblée destinés à la cogénération d’électricité et d’hydrogène. Les VHTR peuvent être construits de façon modulaire (SMR) , dotés de sûreté passive et d’une efficacité thermique élevée. Leur construction modulaire permet des coûts d’opération et de maintenance modérés.

Plusieurs prototypes sont en cours d’évaluation : au Japon, le HTTR ; en Chine, le HTR10 ; aux États-Unis, General Atomics évalue un SMR/EM2 (850°C) à neutrons rapides, de rendement élevé (53%), pouvant opérer pendant 30 ans avec le même combustible.

En résumé, en cas d’impulsion économique forte en faveur d’une production industrielle centralisée d’hydrogène/énergie, la filière VHTR dispose d’une base technologique déjà robuste, les incertitudes subsistant dans les technologies des matériaux résistant aux corrosions sévères aux très hautes températures et aux radioactivités intenses.

Le vaporeformage du méthane, aujourd’hui procédé ultra-dominant, est condamné à plus ou moins long terme à disparaître dans la transition énergétique pour cause de pollution carbonée massive.

L’électrolyse de l’eau apparaît comme le remplaçant naturel du vaporeformage , Ses technologies sont pour l’essentiel matures et des espaces de progrès en rendements restent ouverts vers les matériaux, les pressions et les hautes températures. Mais ses coûts de production de l’hydrogène sont aujourd’hui rédhibitoires (trois fois ceux du vaporeformage) et dépendent de plus étroitement de ceux de l’électricité décarbonée, donc des prix des filières intermittentes et du nucléaire.

La biomasse apparaît, en appoint significatif de l’électrolyse, comme une solution crédible pour produire du biohydrogène industriel. Mais, là aussi, le coût de la matière première reste trop élevé et privilégie la production, plutôt que d’hydrogène, de biocarburants liquides directement injectables dans les réseaux existants.

La thermochimie enfin, qui permettrait la production massive d’hydrogène, en particulier pour la méthanation du CO 2 capturé, dépend aujourd’hui de l’industrialisation de réacteurs nucléaires VHTR extrêmement performants qui n’apparaîtront pas avant 2030.

Entre-temps, sauf à ce que l'économie carbone renchérisse les coûts de production de l'hydrogène d'origine carbonée et que la chaîne logistique hydrogène puisse s'appuyer sur des infrastructures existantes, il est fortement probable que la transition énergétique aura privilégié l'autre vecteur d'énergie du futur, à savoir l'électricité décarbonée.

Sur le même sujet

Tribune d'actualité.

Isabelle Moretti

E2S, Université de Pau et des Pays de l'Adour Membre de l’Académie des technologies

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Énergie : les clés pour comprendre les couleurs de l’hydrogène

Énergie : les clés pour comprendre les couleurs de l’hydrogène

On le présente comme l’énergie idéale : le gaz hydrogène s’enflamme spontanément en présence d’oxygène, libérant de l’énergie (sous forme de chaleur) ainsi qu’un sous-produit inoffensif : de l’eau. Mais il n’est naturellement présent sur Terre qu’en infime quantité. Pour le produire, il faut de la matière première et un procédé de transformation énergivore, susceptible de rejeter des résidus dans l’environnement. Son bilan écologique varie beaucoup d’un mode de production à l’autre. Pour distinguer les filières, des industriels emploient un code couleur… qui n’a rien d’officiel. La plupart des acteurs ne s’entendent que sur la définition du gris, du bleu, du vert, voire du brun. La Commission européenne a donc décidé de ne plus s’y référer, adoptant les qualificatifs « propre » – produit à partir d’énergies renouvelables -ou « bas carbone » – produit à partir d’énergie nucléaire ou d’énergies fossiles avec captage des émissions de carbone. En août, cependant, une étude américaine démontrait que ce dernier mode de production était loin d’être « bas carbone ».

>> Vers un hydrogène vert plus accessible pour les véhicules de demain ?

Un gaz incolore de nature Quelle que soit la couleur qu’on lui attribue, l’hydrogène reste le même gaz incolore. Les chimistes l’appellent plus exactement le dihydrogène, car le gaz est formé d’une molécule composée de deux atomes d’hydrogène liés entre eux. Lors de la combustion, ce gaz léger réagit avec le dioxygène pour produire de l’eau et de l’énergie.
À chaque mode de production… ses résidus Plusieurs modes de fabrication du gaz d’hydrogène sont possibles : en chauffant des matières fossiles (méthane, charbon) ou par électrolyse, en soumettant un courant électrique à de l’eau. Mais ces réactions requièrent de l’énergie et produisent des résidus. Le CO2 éventuellement rejeté peut être récupéré et stocké dans des poches souterraines pour éviter qu’il n’accentue l’effet de serre.
Du gris en majorité La quasi-totalité de l’hydrogène produit est brun ou gris. Seules deux usines commercialisent du bleu : l’une exploitée par Shell à Alberta (Canada), l’autre par Air Products au Texas (États-Unis). Les autres sont produits à titre expérimental.
Le bleu émet plus de méthane que le gris L’hydrogène bleu est souvent vu comme une option plus écologique. Mais deux chercheurs de l’université Cornell ont observé, en 2021, que si le premier limite les émissions de CO2 , il nécessite d’injecter plus de méthane dans le système, ce qui favorise les fuites. Or le pouvoir réchauffant du méthane est 100 fois supérieur à celui du CO2 . Un bilan… mitigé.
Le coût des couleurs En 2020, selon la Stratégie hydrogène pour une Europe climatiquement neutre, promue par Bruxelles, la production d’hydrogène vert revenait environ 3 fois plus cher que celle du brun ou du gris. Les coûts ont pourtant été réduits de 60 % ces dix dernières années. En comptant sur l’augmentation de l’efficacité de l’électrolyse et la baisse de tarif des énergies renouvelables, l’hydrogène vert pourrait devenir compétitif d’ici à 2030.

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L’hydrogène et ses avantages

Le Mardi 23 février 2021

L’hydrogène est un gaz dont les propriétés chimiques offrent un intérêt énergétique majeur. L’hydrogène est considéré comme un « vecteur énergétique » car il offre la possibilité, après avoir été produit, d’être stocké, transporté et utilisé. L’énergie contenue dans l’hydrogène peut être récupérée de deux manières : en le brûlant ou par une pile à combustible.

L’hydrogène et ses usages

L’hydrogène est un gaz dont les propriétés chimiques offrent un intérêt énergétique majeur. L’hydrogène est considéré comme un «  vecteur énergétique »  car il offre la possibilité après avoir été produit, d’être stocké, transporté et utilisé. L’énergie contenue dans l’hydrogène peut être récupérée de deux manières : en le brûlant ou par une pile à combustible.

Grâce aux progrès de la technologie qui ont permis d’améliorer les rendements et la fiabilité des procédés, l’hydrogène peut être produit par électrolyse de l’eau, à partir d’électricité décarbonée ou renouvelable. On le dit alors « décarboné » car ni sa production ni son utilisation n’émettent de CO 2 . L’hydrogène décarboné contribuera à l’atteinte des objectifs que la France s’est fixée en matière de développement des énergies renouvelables, de réduction des émissions de gaz à effet de serre et des polluants et de réduction des consommations d’énergie fossile.

Aujourd’hui, l’hydrogène est quasi exclusivement utilisé dans l’industrie en particulier l’industrie chimique et le raffinage. Mais en tant que vecteur d’énergie, il peut être valorisé dans de nombreux autres usages :

  • Carburant propre : une pile à combustible alimentée par l’hydrogène produit de l’électricité et le processus chimique rejette de l’eau. C’est ainsi que l’hydrogène apporte l’énergie nécessaire aux véhicules équipés d’une pile à combustible et permet une mobilité sans émission de polluants.
  • Gaz : l’hydrogène produit pourra à terme, quand cela sera nécessaire, être injecté dans le réseau de gaz soit mélangé au méthane, soit pur dans des réseaux dédiés. Des travaux pour évaluer les impacts sur la sûreté sont en cours.
  • Stockage de l’énergie : l’hydrogène peut être produit par électrolyse puis stocké sous forme gazeuse ou forme liquide avant que de contribuer à produire de l’électricité grâce à une pile à combustible ; l’hydrogène peut être utilisé pour faciliter le déploiement des énergies renouvelables en améliorant la stabilité des réseaux énergétiques.

L'hydrogène en chiffres

7 milliards d’euros d’ici 2030 de soutien public au développement de l’hydrogène décarboné.

3 priorités :

  • la décarbonation de l’industrie pour contribuer à l’atteinte de la neutralité carbone en 2050,
  • le développement des mobilités lourdes à l’hydrogène,
  • le soutien d’une recherche d’excellence et le développement des offres de formation.

6 millions de tonnes de CO 2 évitées chaque année dès 2030, soit l’équivalent des émissions annuelles de la ville de Paris.

Jusqu’à 150 000 emplois directs et indirects en France.

6,5 GW d’électrolyseurs installés, c’est l’objectif que se fixe la France pour 2030.

2 appels à projets (AAP) de l’Ademe dès 2020 :

  • Hub territoriaux d’hydrogène : 275 M€ d’ici 2023. Dépôt des dossiers : du 13/10/2020 – 16:12 au 17/12/2020 – 17:00
  • Briques technologiques et démonstrateurs : 350 M€ d’ici 2023. Dépôt des dossiers : du 13/10/2020 - 16:24 au 31/12/2022 - 23:59

[Infographie] L’hydrogène en 10 points

Afficher la version texte de l'infographie

L’hydrogène en 10 points :

1. L’hydrogène : qu’est-ce que c’est ? 2. Quels usages ? 3. Un fort potentiel 4. Stockage des ENR 5. Comment le produit-on ? 6. Quels risques ? 7. Vers une production H2 décarboné et renouvelable 8. Une stratégie nationale 9. Programmation pluriannuelle de l’énergie des zones non interconnectées 10. Horizon 2030

  • L'hydrogène en 10 points

La stratégie nationale pour le développement de l’hydrogène décarboné en France

La stratégie d’accélération française a été officiellement annoncée le 8 septembre 2020. Avec une dotation globale de plus de 7 Md€ jusqu’à l’horizon 2030, dont 2 Md€ sur la période 2021-2022, la Stratégie nationale hydrogène porte des ambitions très élevées pour répondre aux enjeux suivants :

  • des enjeux environnementaux  : l’hydrogène est pourvoyeur de nombreuses solutions pour décarboner l’industrie et les transports ;
  • des enjeux économiques  : l’hydrogène offre l’opportunité de créer une filière et un écosystème industriels créateurs d’emplois ;
  • des enjeux de souveraineté énergétique pour réduire notre dépendance vis-à-vis des importations d’hydrocarbures ;
  • des enjeux d’indépendance technologique pour valoriser les atouts dont dispose la France dans la compétition mondiale.

À partir des réflexions lancées par le Conseil de l’innovation et des résultats d’un appel à manifestation d’intérêt (AMI) publié en janvier 2020 pour recenser les attentes des acteurs de l’écosystème français (industriels, centres de recherche, collectivités…), le gouvernement français a identifié les trois priorités suivantes :

  • grâce à l’électrolyse, viser la décarbonation de l’industrie pour contribuer à l’atteinte de la neutralité carbone en 2050,
  • développer les mobilités lourdes à l’hydrogène,
  • soutenir les efforts de la recherche dans le domaine de l’hydrogène et préparer une offre de formation adaptée à la filière hydrogène.

La stratégie prévoit le déploiement d’une capacité installée de 6,5 GW d’électrolyse d’ici 2030. L’ambition de la France est de devenir un fournisseur de premier rang et d’envergure internationale pour la fourniture d’électrolyseurs performants à rendements élevés et avec une fiabilité qui permet une exploitation industrielle.

Dispositifs pour mettre en œuvre la Stratégie nationale hydrogène

Pour mettre en œuvre la Stratégie nationale hydrogène, deux appels à projets Ademe et des mesures d’aides au fonctionnement sont prévus au niveau national et seront complétés par le recours au dispositif européen de projets importants d’intérêt européen commun IPCEI.

L’Ademe a lancé dès le mois d’octobre 2020 deux appels à projets :

  • pour soutenir les innovations sur les briques technologiques et les démonstrateurs sur les piles à combustible, les réservoirs hautes pressions et autres systèmes complexes dédiés à l’utilisation de l’hydrogène ;
  • pour accompagner, dans les territoires, des projets offre – demande d’hydrogène renouvelable ou décarboné en déployant des infrastructures de distribution d’hydrogène décarboné et les usages associées

Il est prévu de recourir au dispositif européen de projets importants d’intérêt européen commun IPCEI 1 pour contribuer à l’atteinte des objectifs de la stratégie nationale. Les projets IPCEI requièrent la participation d’à minima deux partenaires en provenance de deux États membres distincts.

Les coûts de développement et d’exploitation de l’hydrogène, qu’il soit renouvelable ou bas carbone, restant encore au-delà d’un niveau qui le rendrait compétitif, des mesures de soutien seront mises en place afin d’accompagner les efforts des industriels par :

  • un soutien permettant en particulier de compenser les coûts d’exploitation souvent plus élevés qu’avec l’hydrogène fossile – un mécanisme par appels d’offres dont la concertation est en cours ;
  • un soutien pour l’H2 renouvelable utilisé dans le secteur du raffinage par une exemption de la Taxe incitative relative à l’utilisation d’énergie renouvelable dans les transports.

1 Le dispositif IPCEI ( Important Project of Common European Interest ) est un mécanisme européen de soutien de la recherche et de l’innovation publié en 2014 par la Commission européenne pour favoriser des projets d’intérêt transnational dans des domaines stratégiques comme le calcul intensif, la voiture autonome, la nanoélectronique ou bien, plus récemment, la batterie électrique.

  • Dossier de presse : Stratégie nationale pour le développement de l'hydrogène décarboné en France

Soutenir la recherche, l’innovation et le développement de compétences afin de favoriser les usages de demain

Les nouveaux usages de l’hydrogène identifiés par la stratégie sont nombreux. Les exemples suivants en illustrent la diversité :

  • l’hydrogène dans les réseaux énergétiques  : l’hydrogène peut être utilisé pour faciliter le déploiement des énergies renouvelables en améliorant la stabilité des réseaux énergétiques ;
  • les nouveaux usages dans l’industrie  : l’usage d’hydrogène décarboné peut être intégré dans certains procédés industriels afin d’en diminuer les émissions CO2. L’hydrogène pourrait par exemple être utilisé dans la sidérurgie pour la réduction du minerai de fer ;
  • les mobilités lourdes de demain  : c’est notamment le cas des avions et navires décarbonés. L’utilisation de l’hydrogène par ces filières pourra faire l’objet de démonstrateurs ;
  • les infrastructures H2 de demain  : l’hydrogène représente un potentiel certain à moyen terme pour la décarbonation du secteur gazier (H2 liquide, réutilisation dans le réseau de gaz).

Appel à projets «  Briques technologiques et démonstrateurs »

Cet AAP « Briques technologiques et démonstrateurs » vise :

  • dans son volet briques technologiques : à développer ou améliorer les composants et systèmes liés à la production et au transport d’hydrogène, et à ses usages tels que les applications de transport ou de fourniture d’énergie ;
  • dans son volet démonstrateurs : à soutenir des projets de démonstrateurs, de pilotes ou de premières commerciales sur le territoire national, permettant à la filière de développer de nouvelles solutions et de se structurer.

Les projets devront s’inscrire dans au moins un des quatre axes présentés ci-après.

Axe 1 – Briques technologiques : composants et systèmes innovants

Les projets pourront porter sur l’un des maillons de la chaîne technologique de l’hydrogène, de la production à son utilisation finale, pour des applications dans les secteurs de l’industrie, du transport et de la mobilité, de l’énergie ou des réseaux (liste non exhaustive, donnée à titre illustratif) :

  • Composants et systèmes liés à la production d’hydrogène : électrolyse, procédés thermochimiques (pyrogazéification) utilisant de la biomasse, procédés de méthanation ;
  • Composants et systèmes liés au conditionnement, au transport et à la distribution d’hydrogène, sous forme comprimée ou autre : compresseurs, réservoirs et stockages, éléments de canalisation hydrogène et mélange hydrogène / gaz, station de distribution ;
  • Composants et systèmes relatifs aux piles à hydrogène, stationnaires ou embarquées, notamment pour la mobilité lourde (terrestre, maritime / fluviale, ferroviaire) ;
  • Composants et systèmes de combustion directe d’hydrogène et de mélange hydrogène / gaz ;
  • Composants, systèmes et auxiliaires liés à l’environnement d’usage de l’hydrogène : capteurs, détecteurs, instrument de métrologie, régulation, mesure.

Des projets traitant des problématiques de réduction de coûts (acquisition et exploitation), de fiabilité, de durée de vie, de sécurité d’utilisation, d’écoconception et de recyclabilité sont particulièrement attendus.

Axe 2 – Pilotes (ou premières commerciales) innovants industriels et réseaux, fourniture temporaire ou localisée d’énergie

Dans l’industrie, l’emploi d’hydrogène et/ou de méthane de synthèse après une étape de méthanation est une voie de décarbonation possible de certains procédés (sidérurgie, chimie, ciment, raffinage, verrerie, etc.). Des pilotes ou des premières commerciales validant la technologie dans son environnement d’exploitation sont attendus.

Le power-to-gas, ou l’injection d’hydrogène et/ou de méthane de synthèse dans les infrastructures gazières, fait d’ores et déjà l’objet de démonstrations sur le territoire national. De manière complémentaire à ces développements, des pilotes pourront être menés pour explorer d’autres aspects innovants de l’interaction entre réseaux électrique et gazier ou de sécurité de ces installations. La conversion d’infrastructures gaz en boucles locales d’hydrogène pur est également visée.

Cet axe recouvre également les solutions innovantes de fourniture d’électricité décentralisée à partir d’hydrogène, qui peuvent trouver des modèles économiques dans des conditions particulières (liste non exhaustive) : fourniture temporaire d’énergie (évènementiel), alimentation de secours (en substitution de groupe électrogène de diesel), alimentation de navires à quai.

Axe 3 – Conception et démonstration de nouveaux véhicules

La mobilité professionnelle étant un axe stratégique de développement, les projets pourront également porter sur les innovations relatives aux équipements (réservoirs, pile à combustible, etc.), à leur l’intégration dans les véhicules et à la démonstration de nouveaux véhicules électriques hydrogène innovants dans leur environnement d’usage :

  • Poids lourds terrestres (bus, autocars, camions, bennes à ordures, etc.) ;
  • Bateaux maritimes et fluviaux (transport de personnes et/ou de marchandises, navires de servitude) ;
  • Matériels roulants ferroviaires (transport de personnes et/ou de marchandises y compris trains légers et trains de frets, locomotives de manutention) ;
  • Off road (manutention, engins de chantier, tracteurs de piste, etc.) ;
  • Véhicules utilitaires.

Outre la validation de la conception de ces nouveaux véhicules, les problématiques de maintenance, de fiabilité et de sécurité de ces véhicules sont visées, ainsi que des travaux levant des verrous sur l’environnement d’exploitation (pré-réglementaires) et pour les aéroports, la problématique de la sécurité des réseaux hydrogène. Les infrastructures d’alimentation en hydrogène permettant l’expérimentation des prototypes déployés dans le cadre de la démonstration sont éligibles.

À noter que le présent AAP vise les innovations et la réalisation de pilotes de véhicules innovants. Les projets de déploiement de véhicules sont éligibles à l’AAP Ademe «  É cosystèmes territoriaux hydrogène ».

Axe 4 – Grands démonstrateurs d’électrolyse

L’appel à projets permettra également d’apporter une aide au CAPEX pour des projets de démonstrateurs d’électrolyse de grande envergure, d’une puissance supérieure à 20 MW. Le projet devra constituer une première en la matière.

À noter que l’éventuelle aide à l’OPEX qui pourrait être demandée par ces projets ne sera pas allouée via le présent appel à projets, et devra faire l’objet de demande d’aides vers d’autres guichets, par exemple européens (Innovation Fund, etc.).

Cet axe « démonstrateurs d’électrolyse de grande envergure » s’inscrit dans l’objectif de soutien à la R&D et l’industrialisation d’électrolyseurs pour produire de l’hydrogène décarboné et déployer ces solutions dans l’industrie.

Le soutien aux projets d’électrolyse sera également adressé par trois autres outils de la stratégie française pour l’hydrogène décarboné :

  • les projets de déploiement d’électrolyseurs ne comportant pas d’innovation ou ne constituant pas une première sont éligibles à l’AAP Ademe « Écosystèmes territoriaux hydrogène » ;
  • un projet important d’intérêt européen commun (PIIEC/IPCEI) sur l’hydrogène sera lancé en 2021 et permettra notamment de soutenir des projets pilotes d’électrolyseurs de grande envergure visant la décarbonation de sites industriels ;
  • un mécanisme de soutien à la production d’hydrogène décarboné, par complément de rémunération, sera mis en place et permettra de soutenir le déploiement de projets d’électrolyse de grande envergure (premier appel d’offres en 2022).

La solution (équipement, produit ou service développé dans le projet, ou bien démonstrateur mettant en œuvre de l’hydrogène) proposée dans le cadre de l’AAP doit conjointement :

  • apporter une plus-value environnementale  étayée ; dans le cadre du projet, l’hydrogène devra préférentiellement être produit à partir d’énergie renouvelable ou produit à partir du mix du réseau électrique ;
  • être innovante – innovation de nature technologique, économique, organisationnelle, systémique ou juridique – au regard de l’état de l’art et de la concurrence ;
  • répondre à la demande d’un marché. Les marchés visés doivent être caractérisés et quantifiés et l‘accès à ceux-ci doit être explicité. Le niveau de maturité de la Solution doit permettre sa commercialisation, son industrialisation ou sa réplication à l’issue du projet ;
  • être réplicable , rendant ainsi possible sa diffusion dans des contextes énergétiques et géographiques similaires ;
  • être prioritairement localisée sur le territoire national, en France métropolitaine ou dans les territoires et collectivités d’outre-mer ;
  • contribuer à la structuration de la filière , en lien avec les objectifs de la stratégie d’accélération de l’hydrogène décarboné annoncée le 8 septembre 2020 : structuration d’une filière industrielle (impact sur la filière, influence sur la création d’acteurs plus importants ou plus compétitifs, etc.), pertinence par rapport aux enjeux sociaux et sociétaux.

Enfin, dans la logique de développement de l’économie circulaire, la priorité est donnée aux projets intégrant une démarche d’ écoconception des systèmes, procédés ou produits proposés.

Consulter l’appel à projets « Briques technologiques et démonstrateurs hydrogène » https://entreprises.ademe.fr/dispositif-aide/20201013/inodemo-h22020-176

Appel à projets «  Écosystèmes territoriaux hydrogène  »

L’appel à projets «  É cosystèmes territoriaux hydrogène » accompagnera, dans les territoires, des projets offre / demande d’hydrogène décarboné consistant à déployer des infrastructures de production et de distribution d’hydrogène décarboné en regard du développement des usages, en particulier :

  • les consommations actuelles d’hydrogène dans divers secteurs industriels, où l’hydrogène est employé comme matière première ou comme utilité ;
  • les nouveaux usages énergétiques de l’hydrogène dans le domaine de la mobilité et des transports, de personnes comme de marchandises.

L’objectif est à la fois de :

  • réduire l’impact de ces secteurs sur le changement climatique, d’améliorer la qualité de l’air et de valoriser les ressources renouvelables dans les usages finaux ;
  • développer des plateformes de production / consommation à l’échelle des territoires de taille suffisante pour s’approcher des pivots de rentabilité.

L’appel à projets repose sur le principe d’écosystèmes territoriaux , qui combinent production d’hydrogène et usages industriels et de mobilité sur un même territoire. Cette combinaison doit faciliter l’émergence d’infrastructures et de logistique d’une taille structurante, pour mutualiser les différents usages et optimiser le coût de l’hydrogène distribué pour les utilisateurs et accélérer ainsi son déploiement. L’implication des collectivités dans le développement de ces écosystèmes est fortement encouragée.

Il s’agit, par cet appel, d’accompagner le déploiement de la filière industrielle nationale , porteuse de solutions technologiques et de nouveaux services. L’appel à projets contribue ainsi, par le soutien aux investissements, à accroître la demande et à favoriser le passage à l’échelle industrielle pour la fabrication et la mise en œuvre de ces nouvelles solutions et services sur le territoire.

Vous êtes une entreprise, une collectivité ou un consortium et souhaitez vous engager dans la mise en œuvre de l'hydrogène sur votre territoire. Ce présent appel vise à aider des investissements dans des écosystèmes, qui associent infrastructures de production / distribution d'hydrogène et usages de l'hydrogène. Les usages plus particulièrement visés sont :

  • les usages industriels : emploi d'hydrogène dans la chimie, la métallurgie, l'électronique, etc. L'enjeu est de décarboner les usages actuels de l'hydrogène chez ces consommateurs ;
  • les usages en mobilité : premiers déploiements de véhicules hydrogène dans des flottes professionnelles, pour le transport de personnes ou de marchandises. L'objectif est de poursuivre le remplacement de la mobilité carbonée diesel et essence ;
  • certaines applications stationnaires , s'appuyant sur des groupes électrogènes avec pile hydrogène, pour l'alimentation de bateaux à quai, pour l'événementiel et le BTP, ou en soutien aux réseaux et micro-réseaux dans les zones non interconnectées (ZNI).

Les projets pourront associer des consortiums d'acteurs, qu'ils soient privés ou publics. La participation des collectivités territoriales est fortement attendue, en tant qu'actrices du développement de ces nouvelles infrastructures et usages, en cohérence avec leurs actions de transition écologique.

Consulter l’appel à projets «  É cosystèmes territoriaux hydrogène » https://entreprises.ademe.fr/dispositif-aide/20201013/ecosysh22020-165

Plan hydrogène 2018 et premiers résultats aux appels à projets

Le Plan hydrogène de 2018 visait à soutenir les premiers pré-déploiements de l’H2 : solutions pertinentes concernant la décarbonation par électrolyse, décarbonation des mobilités lourdes en levant les verrous réglementaires et en accompagnant les dynamiques territoriales.

Au-delà de nombreuses actions pour identifier les futurs déploiements de l’H2, trois appels à projets ont été lancés afin d’identifier les premiers pré-déploiements, identifier les cas d’usages de l’H2.

Un premier appel à projets Ademe a été lancé en octobre 2018 pour déployer des écosystèmes territoriaux de mobilité hydrogène et sur la base de flottes de véhicules professionnel. L’AAP répondait également à la volonté d’accompagner le développement d’une gamme de véhicules lourds, qu’ils soient routiers ou relevant d’autres modes (bateaux, trains, aéronautiques).

L’appel à projet «  É cosystèmes de mobilité H2 » a conduit à la réception de 24 projets à sa première clôture du 11 janvier 2019 et de 35 projets à sa deuxième clôture du 18 octobre 2019.

Au global, 21 dossiers ont été retenus et sont actuellement pour certains encore en cours d’instruction. La demande de soutien associée à ces 21 projets est de plus de 100 M€. Ces écosystèmes de mobilité hydrogène correspondent à zone, un territoire ou un espace géographique donné, sur lequel s’organisent simultanément une logistique de production et de distribution d’hydrogène, ainsi que des usages locaux de véhicules de transport de voyageurs ou de marchandises. Les usages visaient directement des flottes professionnelles, qu’elles soient privées ou publiques.

du spectre de lhydrogène

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Loi relative à la transition énergétique pour la croissance verte (tepcv), le conseil supérieur de l'énergie (cse).

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  • service-public.fr
  • gouvernement.fr

Hydrogen is back. At least, CES 2024 suggests it is.

Hyundai, nikola, bosch and others are seriously pushing fuel cells, but why now.

du spectre de lhydrogène

Hydrogen has always been presented by automakers and politicians as an alternate clean-energy option for electric vehicles, but it’s never really caught on. Don’t tell anyone at CES 2024 , though, as this year’s show floor was littered with vehicles of all sizes that are hydrogen-powered.

There has been so much focus on battery-powered electric vehicles over the last few years that it seemed like hydrogen might be left in the proverbial dust. So is hydrogen power about to experience a comeback? Or is it yet another example of companies making promises at CES that they won’t be able to keep?

Let’s start by looking at what was at the show this year.

Perhaps no company is more married to hydrogen power than Nikola. The trucking startup was founded around the idea of a big rig with a fuel cell, and its former CEO Trevor Milton went to great lengths — to the point of criminal fraud charges — to promote it.

Nikola has spent the last few years trying to build itself anew with Milton in the rear view. In order to do that, the startup put off the hydrogen truck in favor of an all-electric version, which it started shipping in 2021 .

At CES, Nikola finally showed off one of its first U.S.-built hydrogen trucks that it’s starting to ship to customers. If there’s a future where a reimagined Nikola helped usher in the proliferation of hydrogen-powered trucks, this is where that begins.

Another startup at the Vegas trade show, Croft Motors , is developing “rugged” hydrogen-powered vehicles. The firm is starting with a three-row, prototype SUV with an “anticipated 1,000 miles of driving range,” co-founder Isaac Holeman told TechCrunch.

Holeman believes the recent slowdown in battery-electric vehicle adoption has made it the “right time to reignite that conversation” about hydrogen’s potential. Croft is also developing a refrigerator-sized device that splits water into hydrogen and oxygen (a process called electrolysis). Holeman argued that “distributed fueling products” such as Croft’s will enable “rapid” hydrogen vehicle adoption.

Far on the other end of the spectrum, well-established automaker Hyundai also appears to be embracing hydrogen in a new way.

The Korean automaker has spent decades working on hydrogen-powered vehicles, and says the tech will play a “prominent role” in the Hyundai Group’s attempt to become a carbon-neutral company by 2050.

What that looks like involves not just an attempt at popularizing cars and SUVs that run on hydrogen, but doing the same for all of the heavy-duty vehicles it makes. Hyundai says these construction vehicles are too big and require too much energy to run on battery power. Instead, the firm argues hydrogen makes more sense as a clean energy source. It’s worth noting that HD Hyundai, a construction equipment, refinery and shipping conglomerate that spun out of the parent company in 2002, had one of the larger displays at CES 2024.

“Our goal is build up [an] entire hydrogen energy ecosystem across the whole of the earth, from ocean to land,” Dongwook Lee, president of HD Hyundai, said during a press conference. He said Hyundai wants to incorporate hydrogen power into everything it makes, from shipbuilding to construction machinery, and that it wants to create production and storage solutions, too.

“It’s already part of our short-term roadmap to commercialize alternative clean-hydrogen production methods,” said Chang Hwan Kim, who oversees fuel cell and battery development at Hyundai. The executive said Hyundai is working to turn “sewage sludge and other forms of organic waste” into clean hydrogen.

Suppliers are invested, too. Bosch, which already makes hydrogen fuel cells (like the one Nikola uses in its truck), announced it will make an engine that can combust hydrogen, skipping the process where that energy gets converted to electricity and stored in a battery. Truck-builder PACCAR was also at the show with two of its newest hydrogen-powered trucks, one under the Kenworth brand, and one Peterbilt. The company said this week it has received “more than 150 paid deposits” for hydrogen trucks across those two brands, and that it expects to ship them next year.

Passengers sit in a theme park-like hydrogen train ride at CES 2024 in Las Vegas.

Image credits : Natalie Christman for TechCrunch

Channeling Vegas more than the others, South Korean energy and manufacturing giant SK Group attempted to hype its hydrogen and AI business via a theme park of sorts at CES. The rides included a small train “capable of being powered by hydrogen energy” and an “AI fortune teller.”

There’s political will, and money. Federal investments in green hydrogen and refueling infrastructure — two big obstacles to widespread adoption — are giving HFCVs a boost. That’s crucial, since nearly all hydrogen fuel is produced with fossil fuels today, and there’s currently little infrastructure to keep HFCVs running, whether they’re passenger cars or heavy-duty trucks.

For one, the 2022 Bipartisan Infrastructure Law put $9.5 billion toward “ clean hydrogen initiatives ” to create hydrogen production “ hubs ” across the U.S. Some of these hubs will create green hydrogen via renewable energy and electrolysis.

Hydrogen transport is also getting a lift from the same legislation that incentivizes battery-electric vehicle sales. Alongside the EV tax credit , the Inflation Reduction Act (IRA) created a hydrogen production credit, which offers producers as much as $3 per kilogram to offset the higher cost associated with clean hydrogen production.

As part of the IRA, the Federal Highway Administration announced during (though not at ) CES hundreds of millions of dollars for new charging and fueling infrastructure — with a huge chunk of it going to hydrogen.

There’s also corporate interest from the fossil fuel industry , which put tens of millions of dollars toward hydrogen lobbying efforts in the first three quarters of 2023. For example, Shell, BP, Chevron and ExxonMobil are all members of a lobbying group called the Clean Hydrogen Future Coalition . Despite its tidy name, the group argues that fossil fuels such as natural gas should play a role in the “clean hydrogen ecosystem” when paired with carbon-capture tech. The trouble is, methane chronically leaks along the supply chain, and though the gas doesn’t stick around long in the atmosphere, it’s “80 times more potent at warming than carbon dioxide,” per the United Nations .

While there’s corporate and political interest, hydrogen-powered vehicles remain relatively scarce. The reasons are complex, but the lack of infrastructure is a critical one.

For one, the U.S. energy grid already exists. Though it’s ancient, it’s the backbone supporting tens of thousands of EV stations across the country. Hydrogen refueling stations, on the other hand, are a lot harder to come by .

Another reason is waste; Light-duty hydrogen fuel cell vehicles are generally less efficient than battery-electric vehicles, according to Gregory Keoleian, who co-directs Sustainable Systems and MI Hydrogen at the University of Michigan. Around 30% of the energy required for electrolysis is lost, and further losses come from transporting, compressing and converting hydrogen back into electricity via a fuel cell. “So, if you have limited renewable electricity, putting it into battery electric vehicles is going to be much more effective to decarbonize,” Keoleian said in a call with TechCrunch.

And yet, as Hyundai, Nikola and other hydrogen-focused firms argue, the advantages of battery-electric vehicles aren’t as pronounced in some areas. Keoleian explained, “For medium and heavy duty trucks, aviation, and ships, hydrogen can play a decarbonization role, especially where battery electric vehicles are problematic due to heavy loads, range, and fueling time requirements.”

To his point, EV batteries are many times heavier than fuel cells, and they take hours to fully recharge. Refueling a hydrogen-powered vehicle, on the other hand, is about as time consuming as filling up a conventional gas tank. The catch is, companies need to actually make the fuel affordable and accessible, without prolonging our dependence on fossil fuels.

Production and distribution remains one of the biggest bottlenecks, according to Niklas Wahlberg, head of Partnerships and System Solutions at Volvo. But he says interest in the energy source is growing. “Hydrogen is becoming more and more of a tangible alternative,” Wahlberg says.

And while Nikola became something of a bad poster child for hydrogen power over the last few years, Wahlberg says he doesn’t think that really set the industry back. “Of course there will be companies who have difficulties,” he says. “Things are progressing very well. And this is an area that we and others are very, very keen on developing.”

Updated January 12, 2024 with additional context from Gregory Keoleian. 

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  1. Spectre de l'atome d'hydrogène

    Le spectre de l'hydrogène est l'ensemble des longueurs d'onde présentes dans la lumière que l' atome d'hydrogène est capable d'émettre. Ce spectre d'émission est composé de longueurs d'onde discrètes dont les valeurs sont données par la formule de Rydberg : où : est la longueur d'onde de la lumière dans le vide ;

  2. Modèle de Bohr de l'atome d'hydrogène (leçon)

    Pour expliquer le spectre de l'hydrogène, Bohr associa chaque raie à l'absorption ou à l'émission d'un photon par un électron lorsqu'il change de niveau d'énergie. L'énergie du photon absorbé ou émis est donnée par : h ν ν = Δ E = ( 1 n b a s 2 − 1 n h a u t 2) × 13, 6 eV

  3. Le Spectre de l'Atome d'Hydrogène

    En 1878 l'analyse du spectre de la lumière solaire permet de le détecter dans l'atmosphère de notre étoile. Deux nouveaux isotope de l'hydrogène sont découvert par la suite, le deutérium (en 1932) et le tritium (en 1934). L'hydrogène dans la nature

  4. HYDROGÈNE (physique) : Le spectre de l'atome d'hydrogène et l'avènement

    En 1885, le mathématicien suisse Johann Balmer (1825-1898) propose une formule empirique pour décrire les ondes présentes dans le spectre de l'hydrogène : leur longueur d'onde λ est égale à H · m2/ ( m2 - 4), avec H = 364,56 nanomètres (nm), m prenant les valeurs entières supérieures à 2.

  5. Atome d'hydrogène

    L'atome d'hydrogène est le plus simple de tous les atomes du tableau périodique, étant composé d'un proton et d'un électron [1].Il correspond au premier élément de la classification périodique.. La compréhension des interactions au sein de cet atome au moyen de la théorie quantique fut une étape importante qui a notamment permis de développer la théorie des atomes à N électrons.

  6. Spectre d'émission de l'hydrogène (vidéo)

    Spectre d'émission de l'hydrogène Google Classroom À propos Transcription Application de la formule de Rydberg pour déterminer la longueur d'onde du photon émis lors de la transition n=3 à n=2. Calcul de la longueur d'onde d'une raie de la région UV du spectre d'émission de l'hydrogène. Créé par Jay. Questions Conseils et remerciements

  7. Les spectres d'émission

    Par contre, à basse pression, lorsqu'il est chauffé ou soumis à des décharges électriques, l'hydrogène émet de la lumière dont le spectre présente, dans le visible, des raies colorées. Il s'agit d'un spectre de raies d'émission. A chacune de ces raies correspond une radiation monochromatique de longueur d'onde déterminée.

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  9. Calcul du spectre de l'atome d'hydrogène

    Le spectre de l'atome d'hydrogène et comment calculer les longueurs d'onde d'onde des raies des séries de Lyman, Balmer et Paschen. Après un rappel sur l'atome d'hydrogène de Bohr, ses...

  10. 14. Structures fine et hyperfine du spectre de l'hydrogène

    Structures fine et hyperfine du spectre de l'hydrogène Christophe Texier Dans Mécanique quantique (2015), pages 269 à 276

  11. PDF Chapitre 5.5b

    Un photon est émis de l'atome d'hydrogène lorsque l'électron diminue de niveau d'énergie (nombre quantique n diminue). Dans l'atome d'hydrogène, l'énergie de liaison du niveau fondamental est E1 = -13,6 eV. L'électron sera ionisé (éjecté de l'atome) s'il acquière une énergie totale supérieure à zéro.

  12. Raies de l'atome d'hydrogène

    Raies de l'atome d'hydrogène. En 1862 Ångström détermine les longueurs d'onde des raies visibles du spectre de l'atome d'hydrogène. En 1885, Balmer établit de façon empirique la relation : 1 / λ (n) = R H ( 1 / 4 − 1 / n 2) qui permet le calcul de ces longueurs d'onde. Cette formule a été justifiée par la mécanique quantique.

  13. LIPhy

    L'hydrogène (H2, HD et D2) Le spectre d'absorption de l'hydrogène est constitué de bandes de vibration de transitions quadrupolaires électriques de très faible intensité. Du fait de la valeur élevée de la fréquence de vibration (environ 4160 cm-1) et de la constante de rotation (environ 60 cm-1 dans l'état fondamental), seules ...

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    Interprétation des raies du spectre de l'hydrogène. Il existe trois groupes de raies d'émission de l'hydrogèner : série de Lyman dans l'ultraviolet, série de Balmer dans le visible et série de Paschen dans l'infrarouge. À droite sont représentées les raies de la série de Balmer et leurs longueurs d'onde en nanomètres, du rouge à l'ultraviolet proche.

  18. SERIE 2

    SERIE 2 - Spectre de l'Hydrogène et des Hydrogénoïdes. Exercice 1 : Si l'électron de l'Hydrogène est excité au niveau n=5, combien de raies différentes peuvent-elles être émises lors du retour à l'état fondamental. Calculer dans chaque cas la fréquence et la longueur d'onde du photon émis. 10 raies possibles :

  19. VIII. Atome d'hydrogène (2)

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    Ce sont des états liés de l'électron au noyau. Attention, le premier niveau d'énergie (niveau fondamental) est parfois noté E 0. Lorsque n --> l'électron est non lié ou encore libre, l'atome H est ionisé. E = 0. L'électron est au repos. Pour des valeurs de E >0, l'atome est ionisé et l'électron en mouvement, doté d'une énergie ...

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  23. L'hydrogène

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