Une molécule constituée de deux atomes d'hydrogène liés entre eux, forme courante du gaz hydrogène.La molécule d'hydrogène (H₂) est la molécule neutre la plus simple, constituée de deux atomes d'hydrogène liés par une liaison covalente. C'est la molécule la plus abondante de l'univers, représentant une grande fraction du gaz des nuages interstellaires et des atmosphères des géantes gazeuses. Sa simplicité en fait un banc d'essai fondamental pour la mécanique quantique moléculaire et la spectroscopie.
Le traitement quantique de la molécule d'hydrogène a été réalisé pour la première fois par Walter Heitler et Fritz London en 1927, marquant la naissance de la chimie quantique.
Les deux atomes d'hydrogène partagent une paire d'électrons, formant une liaison qui résulte de l'interférence constructive des fonctions d'onde atomiques. Les niveaux d'énergie de la molécule sont déterminés par les degrés de liberté électroniques, vibrationnels et rotationnels, chacun étant quantifié. L'état électronique fondamental a une énergie de liaison d'environ 4,5 eV, et les transitions entre les niveaux de rotation et de vibration produisent des spectres caractéristiques dans les régions infrarouge et micro-onde.
Les molécules d'hydrogène sont utilisées dans les piles à combustible, comme propergol de fusée, et dans des procédés industriels tels que la synthèse de l'ammoniac ; leurs raies spectrales servent à étudier le gaz interstellaire.
La molécule d'hydrogène existe sous deux formes distinctes — l'ortho-hydrogène et le para-hydrogène — qui diffèrent par l'orientation relative du spin des deux protons et présentent des propriétés thermiques légèrement différentes.
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