(a) El hidrógeno
El hidrógeno es el elemento más simple formado por un protón y un electrón, y el más abundante del universo. Se encuentra junto al oxígeno y el silicio, y supone aproximadamente el 1 % en peso de todos los elementos de la Tierra. Ni que decir tiene que la mayor parte del hidrógeno existe en forma de agua en la Tierra. Dado que su polaridad puede cambiar libremente entre hidruro (H-), átomo (H) y protón (H+), el hidrógeno también forma diversos compuestos con muchos elementos, incluidos el oxígeno y el carbono. Por lo tanto, el hidrógeno es muy importante en la química.
De los tres tipos de isótopos del hidrógeno, el deuterio, D, fue descubierto por H. C. Urey y otros en 1932, y posteriormente el tritio, T, se preparó a partir del deuterio en 1934. Aproximadamente el 0,015% del hidrógeno está presente en forma de deuterio, que puede enriquecerse mediante la electrólisis del agua. El tritio es un isótopo radiactivo que emite partículas \ (\beta\) con una vida media de 12,33 años. Dado que la masa del deuterio y del tritio es aproximadamente el doble y el triple de la del hidrógeno, respectivamente, las propiedades físicas de los isótopos y de los compuestos que los contienen difieren considerablemente. Algunas de las propiedades de los isótopos y del agua se enumeran en la tabla (\PageIndex{1}). Cuando el enlace E-H de un compuesto de hidrógeno se convierte en E-D por sustitución de deuterio, la frecuencia de estiramiento de E-H en un espectro infrarrojo se reduce a aproximadamente \(\frac{1}{sqrt{2}}), lo cual es útil para determinar la posición del átomo de hidrógeno. A veces es posible concluir que la escisión del enlace con un hidrógeno es el paso determinante de la velocidad cuando la sustitución por deuterio muestra un efecto marcado en la velocidad de reacción de un compuesto que contiene hidrógeno.
Dado que el espín nuclear del hidrógeno es 1/2 y dada su abundancia, es el nucleido más importante para la espectroscopia de RMN. 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 máxima densidad (°C) | 3,98 | 11,23 | 13.4 |
* hidrógeno (K), agua (°C)
Existen isómeros de espín nuclear en moléculas diatómicas de los nucleidos cuyo espín no es cero. Especialmente en el caso de la molécula de hidrógeno, la diferencia de propiedades es significativa. Los espines del parahidrógeno son antiparalelos y la suma es 0, dando lugar a un estado singlete. Los espines del orto-hidrógeno son paralelos y la suma es 1, lo que da lugar a un estado triplete. Como el parahidrógeno se encuentra en un estado de menor energía, es la forma más estable a bajas temperaturas. La proporción teórica del parahidrógeno es del 100% a 0 K, pero disminuye hasta aproximadamente el 25% a temperatura ambiente, ya que la proporción del ortohidrógeno aumenta a temperaturas más altas. La cromatografía de gases y las líneas de rotación en el espectro de la banda electrónica del H2 pueden distinguir dos isómeros de hidrógeno.