(a) Vätgas
Vätgas är det enklaste grundämnet som består av en proton och en elektron, och det vanligaste grundämnet i universum. Det står näst efter syre och kisel och utgör ungefär 1 viktprocent av alla grundämnen på jorden. Det säger sig självt att det mesta av vätet finns som vatten på jorden. Eftersom dess polaritet kan ändras fritt mellan hydrid (H-), atom (H) och proton (H+) bildar väte också olika föreningar med många grundämnen, däribland syre och kol. Av de tre typerna av isotoper av väte upptäcktes deuterium, D, av H. C. Urey m.fl. 1932, och därefter framställdes tritium, T, från deuterium 1934. Ungefär 0,015 % av vätet finns som deuterium, och detta kan anrikas genom elektrolys av vatten. Tritium är en radioaktiv isotop som avger \(\beta\)-partiklar med en halveringstid på 12,33 år. Eftersom massan av deuterium och tritium är ungefär dubbelt så stor som väte respektive tre gånger så stor som väte, skiljer sig de fysiska egenskaperna hos isotoperna och de föreningar som innehåller dem avsevärt åt. Några av isotopernas och vattnets egenskaper anges i tabell \(\PageIndex{1}\). När E-H-bindningen i en väteförening omvandlas till E-D genom deuteriumsubstitution reduceras E-H-sträckningsfrekvensen i ett infrarött spektrum till cirka \(\frac{1}{\sqrt{2}}}\), vilket är användbart för att bestämma väteatomens position. Det är ibland möjligt att dra slutsatsen att splittring av bindningen med en väteatom är det hastighetsbestämmande steget när deuteriumsubstitutionen visar en markant effekt på reaktionshastigheten hos en väteinnehållande förening.
Då kärnspinnet hos väte är 1/2 och med tanke på dess rikedom är det den viktigaste nukliden för NMR-spektroskopi. 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. för högsta densitet (°C) | 3.98 | 11.23 | 13.4 |
* väte (K), vatten (°C)
Det finns kärnspinisomerer i diatomära molekyler av de nuklider vars spin inte är noll. Särskilt när det gäller en vätemolekyl är skillnaden i egenskaper betydande. Spins av para-vätgas är antiparallella och summan är 0 vilket leder till ett singuletttillstånd. Spinnet hos ortoväte är parallellt och summan är 1, vilket leder till ett tripletttillstånd. Eftersom para-hydrogen befinner sig i ett lägre energitillstånd är det den stabilare formen vid låga temperaturer. Det teoretiska förhållandet för para-vätgas är 100 % vid 0 K, men det minskar till cirka 25 % vid rumstemperatur, eftersom förhållandet för ortho-vätgas ökar vid högre temperaturer. Gaskromatografi och rotationslinjer i H2:s elektroniska bandspektrum kan särskilja två väteisomerer.