(a) Vodík
Vodík je nejjednodušší prvek složený z protonu a elektronu a nejrozšířenější prvek ve vesmíru. Nachází se vedle kyslíku a křemíku a tvoří asi 1 % hmot. všech prvků na Zemi. Není třeba dodávat, že většina vodíku se na Zemi vyskytuje ve formě vody. Protože se jeho polarita může volně měnit mezi hydridem (H-), atomem (H) a protonem (H+), tvoří vodík také různé sloučeniny s mnoha prvky včetně kyslíku a uhlíku. Proto je vodík v chemii velmi důležitý.
Ze tří druhů izotopů vodíku bylo v roce 1932 H. C. Ureyem a dalšími objeveno deuterium, D, a následně bylo v roce 1934 z deuteria připraveno tritium, T. V roce 1934 bylo z deuteria připraveno tritium. Ve formě deuteria je přítomno asi 0,015 % vodíku, který lze obohatit elektrolýzou vody. Tritium je radioaktivní izotop emitující částice \(\beta\) s poločasem rozpadu 12,33 roku. Vzhledem k tomu, že hmotnost deuteria a tritia je přibližně dvakrát a třikrát větší než hmotnost vodíku, fyzikální vlastnosti těchto izotopů a sloučenin, které je obsahují, se značně liší. Některé vlastnosti izotopů a vody jsou uvedeny v tabulce \(\PageIndex{1}\). Když se vazba E-H ve sloučenině vodíku substitucí deuteriem změní na vazbu E-D, sníží se frekvence protažení E-H v infračerveném spektru přibližně na \(\frac{1}{\sqrt{2}}), což je užitečné pro určení polohy atomu vodíku. Někdy je možné dojít k závěru, že štěpení vazby s vodíkem je krokem určujícím rychlost, když substituce deuteriem vykazuje výrazný vliv na rychlost reakce sloučeniny obsahující vodík.
Protože jaderný spin vodíku je 1/2 a vzhledem k jeho hojnosti je nejdůležitějším nuklidem pro NMR spektroskopii. 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. maximální hustoty (°C) | 3,98 | 11,23 | 13.4 |
* vodík (K), voda (°C)
V dvouatomových molekulách nuklidů, jejichž spin není nulový, existují izomery jaderného spinu. Zejména v případě molekuly vodíku je rozdíl vlastností značný. Spiny para-vodíku jsou antiparalelní a jejich součet je 0, což vede k singletovému stavu. Spiny ortho-vodíku jsou rovnoběžné a jejich součet je 1, což vede k tripletovému stavu. Protože para-vodík je v nižším energetickém stavu, je při nízkých teplotách stabilnější formou. Teoretický poměr para-vodíku je 100 % při teplotě 0 K, ale při pokojové teplotě klesá na přibližně 25 %, protože poměr orto-vodíku se při vyšších teplotách zvyšuje. Plynová chromatografie a rotační čáry ve spektru elektronického pásu H2 umožňují rozlišit dva izomery vodíku.