(a) Wodór
Wodór jest najprostszym pierwiastkiem składającym się z protonu i elektronu, a także najobficiej występującym pierwiastkiem we wszechświecie. Znajduje się obok tlenu i krzemu, i stanowi około 1% masy wszystkich pierwiastków na Ziemi. Nie trzeba dodawać, że większość wodoru występuje na Ziemi w postaci wody. Ponieważ jego polarność może się swobodnie zmieniać pomiędzy wodorkiem (H-), atomem (H) i protonem (H+), wodór tworzy również różne związki z wieloma pierwiastkami, w tym z tlenem i węglem. Dlatego wodór jest bardzo ważny w chemii.
Z trzech rodzajów izotopów wodoru, deuter, D, został odkryty przez H. C. Urey’a i innych w 1932 roku, a następnie tryt, T, został przygotowany z deuteru w 1934 roku. Około 0,015% wodoru jest obecne w postaci deuteru, który może być wzbogacony poprzez elektrolizę wody. Tryt jest radioaktywnym izotopem emitującym cząstki o okresie połowicznego rozpadu wynoszącym 12,33 lat. Ponieważ masa deuteru i trytu jest odpowiednio dwukrotnie i trzykrotnie większa od masy wodoru, właściwości fizyczne tych izotopów i zawierających je związków znacznie się różnią. Niektóre właściwości izotopów i wody podano w tabeli \(\PageIndex{1}). Gdy wiązanie E-H w związku z wodorem jest przekształcane w E-D przez podstawienie deuteru, częstotliwość rozciągania E-H w widmie podczerwieni zmniejsza się do około ∗ (∗frac{1}{sqrt{2}}), co jest przydatne do określenia położenia atomu wodoru. Czasami można stwierdzić, że rozszczepienie wiązania z wodorem jest etapem determinującym szybkość reakcji, gdy podstawienie deuteru wykazuje wyraźny wpływ na szybkość reakcji związku zawierającego wodór.
Ponieważ spin jądrowy wodoru wynosi 1/2 i biorąc pod uwagę jego obfitość, jest on najważniejszym nuklidem dla spektroskopii 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. maksymalnej gęstości (°C) | 3.98 | 11.23 | 13.4 |
* wodór (K), woda (°C)
W cząsteczkach dwuatomowych nuklidów, których spin nie jest równy zero, występują izomery jądrowo-spinowe. Szczególnie w przypadku cząsteczki wodoru różnica właściwości jest znacząca. Spiny para-wodoru są antyrównoległe i ich suma wynosi 0, co prowadzi do stanu singletowego. Spiny orto-wodoru są równoległe, a ich suma wynosi 1, co prowadzi do stanu trypletowego. Ponieważ para-wodór jest w stanie o niższej energii, jest on bardziej stabilną formą w niskich temperaturach. Teoretyczny stosunek para-wodoru wynosi 100% w temperaturze 0 K, ale spada do około 25% w temperaturze pokojowej, ponieważ stosunek orto-wodoru wzrasta w wyższych temperaturach. Chromatografia gazowa i linie rotacyjne w widmie pasma elektronowego H2 pozwalają odróżnić dwa izomery wodoru.