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:
(prótio):
– Número de prótons , nêutrons
.
– Abundância natural .
– É estável e não radioativo.
– Número de prótons
– Abundância natural
– É estável e não radioativo.
– Número de prótons
– Abundância natural
– É estável e não radioativo. Usa-se em pesquisas de espectroscopia e em água pesada (
– Número de prótons
– Radioativo (
– 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
onde
é a massa reduzida do par de átomos. Assim, ao trocar
por
, a massa reduzida quase duplica, reduzindo
e mudando cinéticas e equilíbrios de reações envolvendo vibrações.
Passo 4
Como o hidrogênio é o elemento mais leve, a troca de
por
ou
corresponde a um grande percentual de variação de massa (
no caso de
). Nos elementos mais pesados, essa variação percentual é muito menor (por exemplo, trocar
por
muda só
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:
(prótio), estável, sem nêutrons;
(deutério), estável, com
nêutron;
(trítio), radioativo, com
nêutrons.
O efeito isotópico é maior no hidrogênio porque a substituição de 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.
O efeito isotópico é maior no hidrogênio porque a substituição de