Le dihydrogène est la forme moléculaire de l'élément hydrogène qui existe à l'état gazeux aux conditions normales de température et de pression. La molécule comporte deux atomes d'hydrogène ; sa formule chimique est H2. Le dihydrogène est également appelé « hydrogène moléculaire » ou, à l'état gazeux, « gaz (d')hydrogène ». Dans le langage courant, lorsqu'il n'y a pas d'ambiguïté avec l'élément chimique du même nom, il est très fréquemment désigné simplement par « hydrogène », et l'on parle parfois simplement de « molécule d'hydrogène » pour la molécule de dihydrogène.
Il fut employé dans les ballons dirigeables de type zeppelin, utilisant les propriétés de la poussée d'Archimède, avant d'être remplacé par l'hélium, moins dangereux car non combustible. En 2021, la consommation mondiale d’hydrogène atteint 94 millions de tonnes. La majeure partie de la production de dihydrogène est consommée sur place, dans l’industrie chimique et pétrochimique principalement : synthèse de l'ammoniac (50 %), raffinage et désulfuration des hydrocarbures (37 %), synthèse du méthanol (12 %). Elle est réalisée à 99,9 % à partir d'hydrocarbures (méthane, pétrole, charbon) et pour 0,04 % par électrolyse de l'eau. Cette production s'accompagne en 2021 de l'émission de 900 millions de tonnes de CO2, soit environ 2 % des émissions mondiales.
C'est un gaz léger que la gravité terrestre ne peut retenir. Il brûle dans l'air en produisant de l'eau, d'où son nom composé par le préfixe « hydro », du grec ὕδωρ (hudôr) signifiant « eau », et par le suffixe « gène », du grec γεννάω / gennáô, « engendrer ». Il a notamment été utilisé pour la conservation de la viande. Le dihydrogène possède une température de vaporisation de 20,27 K et une température de fusion de 14,02 K. Sous de très fortes pressions, comme celles qui existent au centre des géantes gazeuses, ces molécules se dissocient et l'hydrogène devient un métal liquide. Dans l'espace, les nuages de H2 sont à la base du processus de formation des étoiles.
Le premier scientifique connu à avoir décrit la production de dihydrogène est le Suisse Paracelse (1493-1541). Il fait cette découverte en versant de l'acide sulfurique sur de la poudre de fer, mais ne comprend pas la nature exacte du gaz dégagé au cours de l'expérience.
Le chimiste anglais Henry Cavendish (1731-1810), recommençant les expériences de Paracelse avec plusieurs métaux différents, découvre que le gaz ainsi produit est différent de l'air, est inflammable et a une faible densité. Il appelle ce gaz « air inflammable » (en anglais : inflammable air) et s'aperçoit que sa combustion produit de l'eau. Le dioxygène étant lui nommé « air vital ».
Le chimiste français Antoine Lavoisier, ayant confirmé les expériences de Cavendish, propose le mot hydrogène pour remplacer l'expression « air inflammable ». Ce mot est formé avec le préfixe hydro (du grec ὕδωρ / hudôr, « eau ») et du suffixe gène (du grec γεννάω / gennáô, « engendrer »). Le mot « hydrogène » signifie donc qui engendre l'eau.
Par la suite, dans le domaine scientifique, le mot « hydrogène » sera utilisé pour nommer l'élément chimique H et le mot « dihydrogène » sera utilisé pour la molécule H2.
Afin de tester la présence de dihydrogène, on approche une bûchette enflammée d'un tube à essai contenant du dihydrogène. La réaction chimique de combustion du dihydrogène avec le dioxygène de l'air, amorcée par la source de chaleur, produit un bruit caractéristique appelé « jappement » ou « aboiement ».
La combustion du dihydrogène dans le dioxygène, qui produit de l'eau, est :
Elle est particulièrement violente (voir test de reconnaissance) et très exothermique : son pouvoir calorifique est de 141,86 MJ/kg [ou 141,79 MJ/kg] (à 25 °C [ou 15 °C] sous 1 atm), soit une enthalpie de combustion standard, à 25 °C, de −285,84 kJ/mol, à 100 °C, de −283,45 kJ/mol (H2 gazeux, O2 gazeux, mais H2O liquide, comme pouvoir calorifique supérieur ou PCS), mais de 120,1 MJ/kg [ou 119,93 MJ/kg], soit une enthalpie de combustion, à 100 °C, de −242,8 kJ/mol (H2 gazeux, O2 gazeux, H2O vapeur, comme pouvoir calorifique inférieur ou PCI, en comptant 40,660 kJ/mol pour la vaporisation de l'eau à 100 °C), contre, par exemple, seulement 49,51 MJ/kg pour le butane. Cette propriété en fait un carburant de choix pour les engins spatiaux mais rend son stockage dangereux.
La même oxydation plus lente est utilisée pour produire du courant électrique dans les piles à combustible.
Le dihydrogène gazeux est un mélange de deux types de molécules isomériques qui diffèrent l'une de l'autre par le spin de leurs noyaux atomiques. Ces deux formes sont appelées ortho- et para-hydrogène, et la forme ortho (spins parallèles, état triplet) correspond à un état excité qui n'existe pas à l'état pur. Dans les conditions normales de température et de pression, par excitation thermique, l'hydrogène est composé à 75 % de la forme ortho et à 25 % de la forme para. À 77 K le mélange à l'équilibre (atteint spontanément en plusieurs jours, mais en quelques heures avec des catalyseurs) est à 50 %. À très basse température, la forme ortho se transforme entièrement en l'état para (spins antiparallèles, état singulet) avec le temps. Les deux formes ont des niveaux énergétiques légèrement différents et donc des propriétés physico-chimiques légèrement différentes. Par exemple, le point de fusion et le point d'ébullition du para-hydrogène sont environ 0,1 K plus bas que ceux de l'ortho-[réf. nécessaire].
Le dihydrogène est un gaz très léger. Comme la gravité terrestre ne peut le retenir, il s'échappe naturellement de l'atmosphère terrestre. Par conséquent, il n'est présent que sous forme de traces (0,5 ppmv) dans l'air. Cette rareté atmosphérique fait que la totalité du dihydrogène utilisé est produit industriellement selon divers procédés, à partir de molécules où des atomes d'hydrogène sont chimiquement liés.
Cependant, il existe quelques contextes géologiques où le dihydrogène jaillit naturellement de la Terre. L'on désigne le dihydrogène émanant de ces zones par le terme hydrogène naturel.
La production d'hydrogène fait appel à de nombreux procédés distincts, l'atome d'hydrogène formant nombre de molécules (eau, hydrocarbures, sucres, etc.).
En 2021, l'hydrogène est produit industriellement par divers procédés :
pour 62 % par vaporeformage à partir de méthane (voir Reformage du méthane) ;
pour 19 % par gazéification du charbon ;