20.12 Dê os nomes e caracterize os isótopos do hidrogênio. Por que o efeito isotópico é maior no hidrogênio do que em qualquer outro elemento?

Passo 1

O enunciado pede para listar os isótopos do hidrogênio, dando nome e características de cada um, e depois explicar por que o efeito isotópico (isto é, a mudança nas propriedades físico-químicas quando se troca um isótopo por outro) é especialmente grande no hidrogênio. Para resolver, vamos usar conceitos de número de massa, estabilidade nuclear e fundamento do efeito isotópico via energia zero-ponto e frequência vibracional.

Passo 2

Identificamos três isótopos naturais do hidrogênio:
\bullet ^1\mathrm{H} (prótio):
– Número de prótons =1, nêutrons =0.
– Abundância natural \approx 99{,}98\%.
– É estável e não radioativo.
\bullet ^2\mathrm{H} (deutério):
– Número de prótons =1, nêutrons =1.
– Abundância natural \approx 0{,}02\%.
– É estável e não radioativo. Usa-se em pesquisas de espectroscopia e em água pesada ( \mathrm{D_2O}).
\bullet ^3\mathrm{H} (trítio):
– Número de prótons =1, nêutrons =2.
– Radioativo ( t_{1/2}\approx12{,}3 anos), decai por emissão \beta^-.
– Produzido artificialmente e usado em marcação radioativa.
(Isótopos mais pesados do hidrogênio existem em laboratório, mas são muito instáveis e de meia-vida extremamente curta.)

Passo 3

O efeito isotópico em química molecular decorre da diferença de massa entre isótopos, que altera a energia zero-ponto das ligações e, portanto, as frequências vibracionais das moléculas. Para uma ligação diatômica simplificada, a frequência vibracional básica satisfaz
\nu \propto \frac{1}{\sqrt{\mu}}\,,
onde \mu é a massa reduzida do par de átomos. Assim, ao trocar ^1\mathrm{H} por ^2\mathrm{H}, a massa reduzida quase duplica, reduzindo \nu e mudando cinéticas e equilíbrios de reações envolvendo vibrações.

Passo 4

Como o hidrogênio é o elemento mais leve, a troca de ^1\mathrm{H} por ^2\mathrm{H} ou ^3\mathrm{H} corresponde a um grande percentual de variação de massa ( +100\% no caso de ^2\mathrm{H}). Nos elementos mais pesados, essa variação percentual é muito menor (por exemplo, trocar \,^{12}\!C por \,^{13}\!C muda só \approx 8{,}3\% da massa), gerando efeitos isotópicos bem mais fracos. Logo, a magnitude do efeito isotópico é máxima para o hidrogênio.

Resposta

Os isótopos naturais do hidrogênio são:
^1\mathrm{H} (prótio), estável, sem nêutrons;
^2\mathrm{H} (deutério), estável, com 1 nêutron;
^3\mathrm{H} (trítio), radioativo, com 2 nêutrons.
O efeito isotópico é maior no hidrogênio porque a substituição de ^1\mathrm{H} por um isótopo mais pesado representa a maior variação percentual de massa entre todos os elementos, afetando fortemente as frequências vibracionais e as energias zero-ponto das ligações.

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