(a) Wasserstoff
Wasserstoff ist das einfachste Element, das aus einem Proton und einem Elektron besteht, und das am häufigsten vorkommende Element im Universum. Neben Sauerstoff und Silizium macht er etwa 1 Gew.-% aller Elemente auf der Erde aus. Natürlich kommt der meiste Wasserstoff in Form von Wasser auf der Erde vor. Da seine Polarität frei zwischen Hydrid (H-), Atom (H) und Proton (H+) wechseln kann, bildet Wasserstoff auch verschiedene Verbindungen mit vielen Elementen, darunter Sauerstoff und Kohlenstoff. Daher ist Wasserstoff in der Chemie von großer Bedeutung.
Von den drei Isotopen des Wasserstoffs wurde Deuterium (D) 1932 von H. C. Urey und anderen entdeckt, und 1934 wurde Tritium (T) aus Deuterium hergestellt. Etwa 0,015 % des Wasserstoffs liegt als Deuterium vor, das durch Elektrolyse von Wasser angereichert werden kann. Tritium ist ein radioaktives Isotop, das \(\beta\)-Teilchen mit einer Halbwertszeit von 12,33 Jahren aussendet. Da die Masse von Deuterium und Tritium etwa doppelt bzw. dreimal so groß ist wie die von Wasserstoff, unterscheiden sich die physikalischen Eigenschaften der Isotope und der sie enthaltenden Verbindungen erheblich. Einige Eigenschaften der Isotope und von Wasser sind in der Tabelle \(\PageIndex{1}\) aufgeführt. Wenn die E-H-Bindung in einer Wasserstoffverbindung durch Deuterium-Substitution in eine E-D-Bindung umgewandelt wird, verringert sich die E-H-Streckungsfrequenz in einem Infrarotspektrum auf etwa \(\frac{1}{\sqrt{2}}), was für die Bestimmung der Position des Wasserstoffatoms nützlich ist. Manchmal kann man daraus schließen, dass die Spaltung der Bindung mit einem Wasserstoffatom der geschwindigkeitsbestimmende Schritt ist, wenn die Deuterium-Substitution eine deutliche Auswirkung auf die Reaktionsgeschwindigkeit einer wasserstoffhaltigen Verbindung zeigt.
Da der Kernspin des Wasserstoffs 1/2 ist und er häufig vorkommt, ist er das wichtigste Nuklid für die NMR-Spektroskopie. 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. der maximalen Dichte (°C) | 3.98 | 11.23 | 13.4 |
* Wasserstoff (K), Wasser (°C)
Es gibt Kernspin-Isomere in zweiatomigen Molekülen der Nuklide, deren Spin nicht Null ist. Vor allem im Falle eines Wasserstoffmoleküls ist der Unterschied der Eigenschaften erheblich. Die Spins des para-Wasserstoffs sind antiparallel und die Summe ist 0, was zu einem Singulett-Zustand führt. Die Spins des ortho-Wasserstoffs sind parallel und die Summe ist 1, was zu einem Triplett-Zustand führt. Da sich para-Wasserstoff in einem Zustand niedrigerer Energie befindet, ist er bei niedrigen Temperaturen die stabilere Form. Der theoretische Anteil des para-Wasserstoffs beträgt bei 0 K 100 %, sinkt aber bei Raumtemperatur auf etwa 25 %, da der Anteil des ortho-Wasserstoffs bei höheren Temperaturen zunimmt. Durch Gaschromatographie und Rotationslinien im Elektronenbandspektrum von H2 lassen sich zwei Wasserstoffisomere unterscheiden.