(a) Hydrogène
L’hydrogène est l’élément le plus simple constitué d’un proton et d’un électron, et l’élément le plus abondant dans l’univers. Il vient après l’oxygène et le silicium, et représente environ 1 % en poids de tous les éléments présents sur la Terre. Inutile de dire que la plupart de l’hydrogène existe sous forme d’eau sur la Terre. Comme sa polarité peut changer librement entre hydrure (H-), atome (H) et proton (H+), l’hydrogène forme également divers composés avec de nombreux éléments, dont l’oxygène et le carbone. Par conséquent, l’hydrogène est très important en chimie.
Parmi les trois types d’isotopes de l’hydrogène, le deutérium, D, a été découvert par H. C. Urey et d’autres en 1932, puis le tritium, T, a été préparé à partir du deutérium en 1934. Environ 0,015% de l’hydrogène est présent sous forme de deutérium, et celui-ci peut être enrichi par électrolyse de l’eau. Le tritium est un isotope radioactif émettant des particules \(\beta\) avec une demi-vie de 12,33 ans. La masse du deutérium et du tritium étant respectivement deux et trois fois supérieure à celle de l’hydrogène, les propriétés physiques des isotopes et des composés qui les contiennent diffèrent considérablement. Certaines propriétés des isotopes et de l’eau sont répertoriées dans le tableau ci-dessous(\PageIndex{1}\). Lorsque la liaison E-H d’un composé d’hydrogène est convertie en E-D par substitution du deutérium, la fréquence d’étirement E-H dans un spectre infrarouge est réduite à environ \(\frac{1}{\sqrt{2}}\), ce qui est utile pour déterminer la position de l’atome d’hydrogène. Il est parfois possible de conclure que la scission de la liaison avec un hydrogène est l’étape déterminant la vitesse lorsque la substitution du deutérium montre un effet marqué sur la vitesse de réaction d’un composé contenant de l’hydrogène.
Puisque le spin nucléaire de l’hydrogène est 1/2 et compte tenu de son abondance, c’est le nucléide le plus important pour la spectroscopie 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 densité maximale (°C) | 3,98 | 11,23 | 13.4 |
* hydrogène (K), eau (°C)
Il existe des isomères de spin nucléaire dans les molécules diatomiques des nucléides dont le spin n’est pas nul. En particulier dans le cas d’une molécule d’hydrogène, la différence de propriétés est significative. Les spins du para-hydrogène sont antiparallèles et la somme est nulle, ce qui conduit à un état singulet. Les spins de l’ortho-hydrogène sont parallèles et la somme est égale à 1, ce qui donne un état triplet. Le para-hydrogène étant dans un état de plus faible énergie, il est la forme la plus stable à basse température. Le rapport théorique du para-hydrogène est de 100 % à 0 K, mais il diminue à environ 25 % à température ambiante, puisque le rapport de l’ortho-hydrogène augmente à des températures plus élevées. La chromatographie en phase gazeuse et les lignes de rotation dans le spectre de la bande électronique de H2 permettent de distinguer deux isomères de l’hydrogène.