(a) Hidrogenul
Hidrogenul este cel mai simplu element format dintr-un proton și un electron și cel mai abundent element din univers. Se află alături de oxigen și siliciu și reprezintă aproximativ 1 % în greutate din toate elementele de pe Pământ. Inutil să mai spunem că cea mai mare parte a hidrogenului există sub formă de apă pe Pământ. Deoarece polaritatea sa se poate schimba liber între hidrura (H-), atom (H) și proton (H+), hidrogenul formează, de asemenea, diverși compuși cu multe elemente, inclusiv cu oxigenul și carbonul. Prin urmare, hidrogenul este foarte important în chimie.
Dintre cele trei tipuri de izotopi ai hidrogenului, deuteriul, D, a fost descoperit de H. C. Urey și alții în 1932, iar ulterior tritiul, T, a fost preparat din deuteriu în 1934. Aproximativ 0,015% din hidrogen este prezent sub formă de deuteriu, iar acesta poate fi îmbogățit prin electroliza apei. Tritiul este un izotop radioactiv care emite particule \(\beta\) cu un timp de înjumătățire de 12,33 ani. Deoarece masa deuteriului și a tritiului este de aproximativ două, respectiv trei ori mai mare decât cea a hidrogenului, proprietățile fizice ale izotopilor și ale compușilor care îi conțin diferă considerabil. Unele proprietăți ale izotopilor și ale apei sunt enumerate în tabelul \(\PageIndex{1}\). Atunci când legătura E-H dintr-un compus al hidrogenului este transformată în E-D prin substituție cu deuteriu, frecvența de întindere E-H într-un spectru infraroșu se reduce la aproximativ \(\frac{1}{\sqrt{2}}\), ceea ce este util pentru determinarea poziției atomului de hidrogen. Uneori este posibil să se concluzioneze că scindarea legăturii cu un hidrogen este etapa care determină viteza de reacție atunci când substituția cu deuteriu prezintă un efect marcat asupra vitezei de reacție a unui compus care conține hidrogen.
Din moment ce spinul nuclear al hidrogenului este 1/2 și având în vedere abundența sa, acesta este cel mai important nuclid pentru spectroscopia 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 densitate maximă (°C) | 3,98 | 11,23 | 13.4 |
* hidrogen (K), apă (°C)
Există izomeri de spin nuclear în moleculele diatomice ale nuclizilor al căror spin nu este zero. Mai ales în cazul unei molecule de hidrogen, diferența de proprietăți este semnificativă. Spinii parahidrogenului sunt antiparalele și suma este 0, ceea ce duce la o stare singlet. Spinii orto-hidrogenului sunt paraleli, iar suma este 1, ceea ce duce la o stare de triplet. Deoarece para-hidrogenul se află într-o stare de energie mai mică, acesta este forma mai stabilă la temperaturi scăzute. Raportul teoretic al para-hidrogenului este de 100% la 0 K, dar scade la aproximativ 25% la temperatura camerei, deoarece raportul orto-hidrogenului crește la temperaturi mai ridicate. Cromatografia în fază gazoasă și liniile de rotație din spectrul benzii electronice a H2 pot distinge doi izomeri de hidrogen.
.