(a) Waterstof
Waterstof is het eenvoudigste element dat bestaat uit een proton en een elektron, en het meest voorkomende element in het heelal. Het is naast zuurstof en silicium, en ongeveer 1 wt% van alle elementen op aarde. Het behoeft geen betoog dat de meeste waterstof op aarde in de vorm van water bestaat. Aangezien de polariteit vrij kan wisselen tussen hydride (H-), atoom (H) en proton (H+), vormt waterstof ook diverse verbindingen met veel elementen, waaronder zuurstof en koolstof. Daarom is waterstof zeer belangrijk in de chemie.
Van de drie soorten isotopen van waterstof werd deuterium, D, in 1932 ontdekt door H.C. Urey en anderen, en vervolgens werd tritium, T, in 1934 bereid uit deuterium. Ongeveer 0,015% van de waterstof is aanwezig als deuterium, en dit kan worden verrijkt door elektrolyse van water. Tritium is een radioactieve isotoop die bètadeeltjes uitzendt met een halveringstijd van 12,33 jaar. Aangezien de massa van deuterium en tritium respectievelijk tweemaal en driemaal zo groot is als die van waterstof, verschillen de fysische eigenschappen van de isotopen en de verbindingen die ze bevatten aanzienlijk. Enkele eigenschappen van de isotopen en van water staan in tabel 1. Wanneer de E-H binding in een waterstofverbinding door deuteriumsubstitutie wordt omgezet in de E-D, wordt de E-H strekfrequentie in een infraroodspectrum gereduceerd tot ongeveer (\frac{1}{qrt{2}}), wat nuttig is om de positie van het waterstofatoom te bepalen. Soms kan worden geconcludeerd dat de splijting van de binding met een waterstof de snelheidsbepalende stap is wanneer de deuteriumsubstitutie een duidelijk effect heeft op de reactiesnelheid van een waterstofbevattende verbinding.
Omdat de kernspin van waterstof 1/2 is en gezien zijn abundantie, is het de belangrijkste nuclide voor NMR spectroscopie. 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. van maximale dichtheid (°C) | 3,98 | 11,23 | 13.4 |
* waterstof (K), water (°C)
Er zijn kernspin-isomeren in diatomaire moleculen van de nucliden waarvan de spin niet nul is. Vooral in het geval van een waterstofmolecuul is het verschil in eigenschappen aanzienlijk. Spins van para-waterstof zijn anti-parallel en de som is 0 wat leidt tot een singlet toestand. Spins van ortho-waterstof zijn evenwijdig en de som is 1, wat leidt tot een triplet toestand. Aangezien para-waterstof in een lagere energietoestand verkeert, is het de stabielere vorm bij lage temperaturen. De theoretische verhouding van para-waterstof is 100% bij 0 K, maar neemt af tot ongeveer 25% bij kamertemperatuur, aangezien de verhouding van ortho-waterstof toeneemt bij hogere temperaturen. Gaschromatografie en rotatielijnen in het elektronische bandenspectrum van H2 kunnen twee waterstofisomeren onderscheiden.