(a) Hidrogén
A hidrogén a legegyszerűbb, egy protonból és egy elektronból álló elem, és a világegyetem legnagyobb mennyiségben előforduló eleme. Az oxigén és a szilícium mellett az összes földi elem mintegy 1 tömegszázalékát teszi ki. Mondanom sem kell, hogy a legtöbb hidrogén víz formájában létezik a Földön. Mivel polaritása szabadon változhat hidrid (H-), atom (H) és proton (H+) között, a hidrogén számos elemmel, köztük oxigénnel és szénnel is különböző vegyületeket alkot. Ezért a hidrogén rendkívül fontos a kémiában.
A hidrogén háromféle izotópja közül a deutériumot (D) H. C. Urey és társai fedezték fel 1932-ben, majd 1934-ben a deutériumból tríciumot (T) állítottak elő. A hidrogénnek körülbelül 0,015%-a van jelen deutérium formájában, és ez víz elektrolízisével dúsítható. A trícium \(\béta\)-részecskéket kibocsátó radioaktív izotóp, felezési ideje 12,33 év. Mivel a deutérium és a trícium tömege körülbelül kétszerese, illetve háromszorosa a hidrogénének, az izotópok és az őket tartalmazó vegyületek fizikai tulajdonságai jelentősen különböznek. Az izotópok és a víz néhány tulajdonságát a \(\PageIndex{1}\) táblázat tartalmazza. Amikor egy hidrogénvegyületben az E-H kötés deutérium helyettesítéssel E-D kötéssé alakul, az E-H nyújtási frekvencia az infravörös spektrumban körülbelül \(\frac{1}{\sqrt{2}}\) értékre csökken, ami hasznos a hidrogénatom helyzetének meghatározásához. Néha arra lehet következtetni, hogy a hidrogénnel való kötés hasadása a sebességet meghatározó lépés, ha a deutériumhelyettesítés jelentős hatást mutat egy hidrogéntartalmú vegyület reakciósebességére.
Miatt, hogy a hidrogén magspinje 1/2, és mivel nagy a száma, ez a legfontosabb nuklid az NMR-spektroszkópia számára. 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. A maximális sűrűség (°C) | 3.98 | 11.23 | 13.4 |
* hidrogén (K), víz (°C)
A kétatomos molekulákban vannak olyan nukleáris spinizomerek, amelyek spinje nem nulla. Különösen a hidrogénmolekula esetében jelentős a tulajdonságok különbsége. A para-hidrogén spinjei antipárhuzamosak, és az összegük 0, ami szingulett állapothoz vezet. Az orto-hidrogén spinjei párhuzamosak, és az összegük 1, ami triplett állapotot eredményez. Mivel a para-hidrogén alacsonyabb energiájú állapotban van, alacsony hőmérsékleten ez a stabilabb forma. A para-hidrogén elméleti aránya 0 K-en 100%, de szobahőmérsékleten kb. 25%-ra csökken, mivel az orto-hidrogén aránya magasabb hőmérsékleten nő. Gázkromatográfiával és a H2 elektronikus sávspektrumának forgásvonalaival két hidrogénizomert lehet megkülönböztetni.