(a) Hidrogênio
Hidrogênio é o elemento mais simples composto por um próton e um elétron, e o elemento mais abundante no universo. Está junto ao oxigénio e ao silício, e cerca de 1 wt% de todos os elementos da Terra. Escusado será dizer que a maior parte do hidrogênio existe como água na Terra. Como a sua polaridade pode mudar livremente entre hidreto (H-), átomo (H), e próton (H+), o hidrogênio também forma vários compostos com muitos elementos, incluindo oxigênio e carbono. Portanto, o hidrogênio é altamente importante na química.
Dos três tipos de isótopos de hidrogênio, deutério, D, foi descoberto por H. C. Urey e outros em 1932, e posteriormente o trítio, T, foi preparado a partir do deutério em 1934. Cerca de 0,015% do hidrogênio está presente como deutério, e este pode ser enriquecido por eletrólise da água. O trítio é um isótopo radioativo que emite partículas com uma meia-vida de 12,33 anos. Como a massa de deutério e trítio é cerca de duas e três vezes superior à do hidrogênio, respectivamente, as propriedades físicas dos isótopos, e dos compostos que os contêm, diferem consideravelmente. Algumas propriedades dos isótopos e da água estão listadas na Tabela 1. Quando a ligação E-H em um composto de hidrogênio é convertida em E-D por substituição de deutério, a freqüência de estiramento E-H em um espectro infravermelho é reduzida para cerca de {1}{2}{sqrt{2}}, o que é útil para determinar a posição do átomo de hidrogênio. Às vezes é possível concluir que a cisão da ligação com um hidrogênio é o passo determinante da taxa quando a substituição do deutério mostra um efeito marcante na taxa de reação de um composto contendo hidrogênio.
Desde que o spin nuclear do hidrogênio é 1/2 e dada a sua abundância, ele é o nuclídeo mais importante para a espectroscopia NMR. NMR is widely used not only for identification of organic compounds, but also for medical diagnostic purposes using MRI (magnetic resonance imaging) of water in living bodies. Human organs can now be observed with this non-invasive method.
| Properties | H2 | D2 | T2 | H2O | D2O | T2O |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Melting point* | 13.957 | 18.73 | 20.62 | 0.00 | 3.81 | 4.48 |
| Boiling point | 20.39 | 23.67 | 25.04 | 100.00 | 101.42 | 101.51 |
| Density (g cm-3, 25°C) | 0.9970 | 1.1044 | 1.2138 | |||
| Temp. de densidade máxima (°C) | 3.98 | 11.23 | 13.4 |
* hidrogénio (K), água (°C)
Existem isómeros de spin nuclear nas moléculas diatómicas dos nuclídeos cujo spin não é zero. Especialmente no caso de uma molécula de hidrogênio, a diferença de propriedades é significativa. Os spin de para-hidrogênio são antiparalelos e a soma é 0 levando a um estado singlet. As giros de orto-hidrogênio são paralelas e a soma é 1, resultando em um estado triplet. Como o para-hidrogênio está em um estado de menor energia, ele é a forma mais estável a baixas temperaturas. A razão teórica do para-hidrogênio é 100% a 0 K, mas diminui para cerca de 25% à temperatura ambiente, já que a razão do orto-hidrogênio aumenta a temperaturas mais altas. A cromatografia gasosa e as linhas rotacionais no espectro da banda eletrônica do H2 podem distinguir dois isômeros de hidrogênio.