A l’aide du spectrographe de masse qu’il avait inventé, Francis William Aston a observé en 1927 que la raie de l’hydrogène correspondait à un poids atomique sur l’échelle chimique de 1,00756. Cette valeur différait de plus de l’erreur expérimentale probable de la valeur basée sur les poids de combinaison des composés de l’hydrogène, 1,00777. D’autres chercheurs ont montré que la divergence pouvait être éliminée en postulant l’existence d’un isotope de l’hydrogène de masse 2 dans la proportion d’un atome de 2H (ou D) pour 4 500 atomes de 1H. Le problème intéressa le chimiste américain Harold C. Urey qui, à partir de principes théoriques, prédit une différence entre les pressions de vapeur de l’hydrogène (H2) et du deutéride d’hydrogène (HD) et donc la possibilité de séparer ces substances par distillation de l’hydrogène liquide. En 1931, Urey et deux collaborateurs ont détecté le deutérium par son spectre atomique dans le résidu d’une distillation d’hydrogène liquide. Le deutérium a d’abord été préparé sous forme pure par la méthode de concentration électrolytique : lorsqu’une solution aqueuse d’un électrolyte, tel que l’hydroxyde de sodium, est électrolysée, l’hydrogène formé à la cathode contient une fraction plus petite de deutérium que l’eau, et le deutérium est donc concentré dans le résidu. L’oxyde de deutérium presque pur (D2O, eau lourde) est obtenu lorsque la solution est réduite à 0,00001 de son volume initial. Le deutérium peut également être concentré par la distillation fractionnée de l’eau et par diverses réactions d’échange chimique telles que les suivantes (g et 1 indiquent respectivement les états gazeux et liquide) : H2O(g) + HD(g) ⇌ HDO(g) + H2(g) ; HDO(g) + H2S(g) ⇌ HDS(g) + H2O(g) ; NH3(l) + HD(g) ⇌ NH2D(l) + H2(g).
Le tritium (T) a été préparé pour la première fois en 1935 en bombardant du deutérium (sous forme d’acide deutérophosphorique) avec des deutérons de haute énergie (noyaux de deutérium):
Le tritium est présent en concentrations infimes dans l’eau naturelle. Il est formé en permanence dans la haute atmosphère par des réactions nucléaires induites par les rayons cosmiques. Les rayons cosmiques, constitués principalement de protons à haute énergie, réagissent avec les atomes d’azote pour former des neutrons, qui réagissent à leur tour avec d’autres atomes d’azote pour former du tritium :
Ce tritium formé naturellement se retrouve sous forme d’eau et atteint la surface de la Terre sous forme de pluie. Le tritium est radioactif ; il a une demi-vie de 12,5 ans, se désintégrant en une particule bêta négative très douce (de faible énergie) (électron ; la particule bêta positive est appelée positron) et un noyau d’hélium 3. Lorsqu’un échantillon d’eau est stocké, il perd progressivement son tritium en raison de la désintégration radioactive. Ainsi, en analysant la teneur en tritium de l’eau, il est possible d’élucider les détails de la circulation de l’eau entre les océans, l’atmosphère, les rivières et les lacs. Le tritium est fabriqué artificiellement dans les réacteurs nucléaires par la réaction des neutrons thermiques avec le lithium:
Les composés correspondants des isotopes de l’hydrogène diffèrent légèrement dans leurs propriétés physiques. Cette différence est mise en évidence par les propriétés des eaux, énumérées dans le tableau, et des éléments, énumérés dans le tableau suivant. Il en va de même pour leurs propriétés chimiques, tant thermodynamiques que cinétiques. Le deutérium et le tritium sont tous deux utiles comme traceurs isotopiques pour l’étude des structures chimiques et des mécanismes de réaction. En général, la valeur d’un traceur provient du fait que, bien que sa différence de masse ou sa radioactivité permette sa détection, il est essentiellement actif de la même manière que les atomes ordinaires de l’élément. Pour la plupart des éléments, une variation d’une ou de quelques unités de masse représente un pourcentage si faible de la masse totale que les différences chimiques entre les isotopes sont négligeables. Pour l’hydrogène, cependant, les réactions chimiques impliquant les différents isotopes se déroulent à des vitesses sensiblement différentes. Ces effets cinétiques et isotopiques peuvent être utilisés dans des études détaillées des mécanismes de réaction. Les vitesses des réactions des composés contenant du deutérium ou du tritium sont généralement inférieures à celles des composés correspondants de l’hydrogène ordinaire.
| oxyde d’hydrogène | oxyde de deutérium | oxyde de tritium | |
|---|---|---|---|
| densité à 25 degrés Celsius en grammes par millilitre | 0.99707 | 1,10451 | – |
| point de fusion, degrés Celsius | 0 | 3.81 | 4,49 |
| point d’ébullition, degrés Celsius | 100 | 101.41 | – |
| température de densité maximale, degrés Celsius | 3,98 | 11,21 | 13.4 |
| densité maximale en grammes par millilitre | 1,00000 | 1,10589 | 1,21502 |
Le remplacement de l’hydrogène par le deutérium dans les systèmes biologiques peut modifier de façon marquée les processus délicatement équilibrés. Il a été établi que ni les plantes ni les animaux ne continuent à vivre et à prospérer dans une eau contenant de l’oxyde de deutérium en forte concentration.
Le deutérium et le tritium présentent un intérêt en relation avec les réactions thermonucléaires (fusion). L’explosion d’une bombe à hydrogène implique la collision et la fusion de noyaux légers, dont le deutérium et le tritium. Si l’on parvenait à contrôler ces processus de fusion, comme on l’a fait avec le processus de fission de la première bombe atomique, la matière première d’un approvisionnement énergétique pratiquement illimité serait disponible dans le deutérium contenu dans l’eau. De telles réactions de fusion sont la source de l’énergie solaire.
L’oxyde de deutérium est utile dans les réacteurs nucléaires comme modérateur pour ralentir les neutrons, mais sans les capturer de manière appréciable. Il a l’avantage d’être un liquide qui n’absorbe que faiblement les neutrons.