Por medio del espectrógrafo de masas que había inventado, Francis William Aston observó en 1927 que la línea del hidrógeno correspondía a un peso atómico en la escala química de 1,00756. Este valor difería en más del error experimental probable del valor basado en los pesos combinados de los compuestos de hidrógeno, 1,00777. Otros trabajadores demostraron que la discrepancia podía eliminarse postulando la existencia de un isótopo de hidrógeno de masa 2 en la proporción de un átomo de 2H (o D) por 4.500 átomos de 1H. El problema interesó al químico estadounidense Harold C. Urey, que a partir de principios teóricos predijo una diferencia en las presiones de vapor del hidrógeno (H2) y del deuteruro de hidrógeno (HD) y, por tanto, la posibilidad de separar estas sustancias por destilación del hidrógeno líquido. En 1931 Urey y dos colaboradores detectaron el deuterio por su espectro atómico en el residuo de una destilación de hidrógeno líquido. El deuterio se preparó por primera vez en forma pura por el método electrolítico de concentración: cuando se electroliza una solución acuosa de un electrolito, como el hidróxido de sodio, el hidrógeno que se forma en el cátodo contiene una fracción menor de deuterio que el agua, por lo que el deuterio se concentra en el residuo. Se obtiene óxido de deuterio casi puro (D2O, agua pesada) cuando la solución se reduce al 0,00001 de su volumen original. El deuterio puede concentrarse también por la destilación fraccionada del agua y por diversas reacciones de intercambio químico como las siguientes (g y 1 indican estados gaseosos y líquidos, respectivamente): H2O(g) + HD(g) ⇌ HDO(g) + H2(g); HDO(g) + H2S(g) ⇌ HDS(g) + H2O(g); NH3(l) + HD(g) ⇌ NH2D(l) + H2(g).
El tritio (T) se preparó por primera vez en 1935 bombardeando deuterio (en forma de ácido deuterofosfórico) con deuterones de alta energía (núcleos de deuterio):
El tritio está presente en concentraciones mínimas en el agua natural. Se forma continuamente en la atmósfera superior por reacciones nucleares inducidas por los rayos cósmicos. Los rayos cósmicos, que consisten principalmente en protones de alta energía, reaccionan con átomos de nitrógeno para formar neutrones, que a su vez reaccionan con más átomos de nitrógeno para formar tritio:
Este tritio formado de forma natural acaba en forma de agua y llega a la superficie de la Tierra en forma de lluvia. El tritio es radiactivo; tiene una vida media de 12,5 años, y decae en una partícula beta negativa muy suave (de baja energía) (electrón; la partícula beta positiva se llama positrón) y un núcleo de helio-3. Cuando una muestra de agua se almacena, pierde gradualmente su tritio debido a la desintegración radiactiva. Así, analizando el agua en función de su contenido de tritio, es posible dilucidar detalles de la circulación del agua entre los océanos, la atmósfera, los ríos y los lagos. El tritio se fabrica artificialmente en los reactores nucleares mediante la reacción de los neutrones térmicos con el litio:
Los compuestos correspondientes de los isótopos del hidrógeno difieren ligeramente en sus propiedades físicas. Esta diferencia se muestra en las propiedades de las aguas, enumeradas en la Tabla, y de los elementos, enumerados en la Tabla siguiente. Lo mismo ocurre con sus propiedades químicas, tanto termodinámicas como cinéticas. Tanto el deuterio como el tritio son útiles como trazadores isotópicos para la investigación de las estructuras químicas y de los mecanismos de reacción. Por lo general, el valor de un trazador surge del hecho de que, aunque su diferencia de masa o su radiactividad permite su detección, es esencialmente activo de la misma manera que los átomos ordinarios del elemento. Para la mayoría de los elementos, un cambio de una o de unas pocas unidades de masa es un porcentaje tan pequeño de la masa total que las diferencias químicas entre los isótopos son insignificantes. Sin embargo, en el caso del hidrógeno, las reacciones químicas en las que intervienen los distintos isótopos se producen a ritmos sensiblemente diferentes. Estos efectos cinéticos-isotópicos pueden utilizarse en estudios detallados de los mecanismos de reacción. Las velocidades de las reacciones de los compuestos que contienen deuterio o tritio suelen ser menores que las de los correspondientes compuestos de hidrógeno ordinario.
| óxido de hidrógeno | óxido de deuterio | óxido de tritio | |
|---|---|---|---|
| densidad a 25 grados Celsius en gramos por mililitro | 0.99707 | 1,10451 | – |
| punto de fusión, grados Celsius | 0 | 3.81 | 4,49 |
| punto de ebullición, grados Celsius | 100 | 101.41 | – |
| temperatura de máxima densidad, grados Celsius | 3,98 | 11,21 | 13.4 |
| Densidad máxima en gramos por mililitro | 1,00000 | 1,10589 | 1,21502 |
La sustitución de hidrógeno por deuterio en los sistemas biológicos puede alterar notablemente los procesos delicadamente equilibrados. Se ha establecido que ni las plantas ni los animales siguen viviendo y prosperando en agua que contiene óxido de deuterio en altas concentraciones.
El deuterio y el tritio tienen interés en relación con las reacciones termonucleares (de fusión). La explosión de una bomba de hidrógeno implica la colisión y fusión de núcleos ligeros, incluidos el deuterio y el tritio. Si se encontrara un método para controlar estos procesos de fusión, como se hizo con el proceso de fisión de la anterior bomba atómica, la materia prima para un suministro prácticamente ilimitado de energía estaría disponible en el contenido de deuterio del agua. Estas reacciones de fusión son la fuente de la energía solar.
El óxido de deuterio es útil en los reactores nucleares como moderador para ralentizar pero no capturar apreciablemente los neutrones. Tiene la ventaja de ser un líquido que absorbe muy poco los neutrones.