(a) Idrogeno
L’idrogeno è l’elemento più semplice costituito da un protone e un elettrone, e l’elemento più abbondante nell’universo. È vicino all’ossigeno e al silicio, e rappresenta circa l’1 wt% di tutti gli elementi presenti sulla Terra. Inutile dire che la maggior parte dell’idrogeno esiste come acqua sulla Terra. Poiché la sua polarità può cambiare liberamente tra idruro (H-), atomo (H) e protone (H+), l’idrogeno forma anche vari composti con molti elementi tra cui ossigeno e carbonio. Pertanto, l’idrogeno è molto importante in chimica.
Dei tre tipi di isotopi dell’idrogeno, il deuterio, D, fu scoperto da H. C. Urey e altri nel 1932, e successivamente il trizio, T, fu preparato dal deuterio nel 1934. Circa lo 0,015% dell’idrogeno è presente come deuterio, e questo può essere arricchito tramite elettrolisi dell’acqua. Il trizio è un isotopo radioattivo che emette particelle \beta\ con un tempo di dimezzamento di 12,33 anni. Poiché la massa del deuterio e del trizio è circa due volte e tre volte quella dell’idrogeno, rispettivamente, le proprietà fisiche degli isotopi, e dei composti che li contengono, differiscono considerevolmente. Alcune proprietà degli isotopi e dell’acqua sono elencate nella tabella (\PageIndex{1}). Quando il legame E-H in un composto dell’idrogeno è convertito in E-D dalla sostituzione del deuterio, la frequenza di stretching E-H in uno spettro infrarosso è ridotta a circa \frac{1}{sqrt{2}}, che è utile per determinare la posizione dell’atomo di idrogeno. A volte è possibile concludere che la scissione del legame con un idrogeno è il passo che determina la velocità quando la sostituzione del deuterio mostra un effetto marcato sulla velocità di reazione di un composto contenente idrogeno.
Siccome lo spin nucleare dell’idrogeno è 1/2 e data la sua abbondanza, è il nuclide più importante per la spettroscopia NMR. 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. di densità massima (°C) | 3.98 | 11.23 | 13.4 |
* idrogeno (K), acqua (°C)
Ci sono isomeri dello spin nucleare nelle molecole biatomiche dei nuclidi il cui spin non è zero. Soprattutto nel caso di una molecola di idrogeno, la differenza di proprietà è significativa. Gli spin del para-idrogeno sono antiparalleli e la somma è 0, portando ad uno stato singoletto. Le rotazioni dell’orto-idrogeno sono parallele e la somma è 1, il che porta ad uno stato di tripletta. Poiché il para-idrogeno è in uno stato di energia più bassa, è la forma più stabile alle basse temperature. Il rapporto teorico di para-idrogeno è 100% a 0 K, ma diminuisce a circa 25% a temperatura ambiente, poiché il rapporto di orto-idrogeno aumenta a temperature più alte. La gascromatografia e le linee rotazionali nello spettro della banda elettronica di H2 possono distinguere due isomeri di idrogeno.