Francis William Aston 1927-ben az általa feltalált tömegspektrográf segítségével megfigyelte, hogy a hidrogén vonala a kémiai skálán 1,00756 atomsúlynak felel meg. Ez az érték a valószínű kísérleti hibánál nagyobb mértékben különbözött a hidrogénvegyületek kombinációs súlyán alapuló 1,00777-es értéktől. Más munkások kimutatták, hogy az eltérés kiküszöbölhető, ha egy 2-es tömegű hidrogénizotóp létezését tételezzük fel, amelynek aránya egy 2H (vagy D) atom az 1H 4500 atomjához. A probléma érdekelte Harold C. Urey amerikai vegyészt, aki elméleti alapokból megjósolta a hidrogén (H2) és a hidrogén-deuterid (HD) gőznyomása közötti különbséget, és így annak lehetőségét, hogy ezeket az anyagokat folyékony hidrogén desztillációjával szét lehessen választani. 1931-ben Urey és két munkatársa a folyékony hidrogén desztillációjának maradékában a deutériumot atomi spektruma alapján kimutatta. A deutériumot először a koncentrálás elektrolitikus módszerével állították elő tiszta formában: amikor egy elektrolit, például nátrium-hidroxid vizes oldatát elektrolizálják, a katódon keletkező hidrogén kisebb arányban tartalmaz deutériumot, mint a víz, és így a maradékban a deutérium koncentrálódik. Szinte tiszta deutérium-oxidot (D2O, nehézvíz) kapunk, ha az oldatot az eredeti térfogatának 0,00001-ére csökkentjük. A deutérium koncentrálható víz frakcionált desztillációjával és különböző kémiai csere reakciókkal is, mint például a következők (a g és 1 a gáznemű, illetve a folyékony állapotot jelöli): H2O(g) + HD(g) ⇌ HDO(g) + H2(g); HDO(g) + H2S(g) ⇌ HDS(g) + H2O(g); NH3(l) + HD(g) ⇌ NH2D(l) + H2(g).
A tríciumot (T) először 1935-ben állították elő úgy, hogy a deutériumot (deuterofoszforsav formájában) nagy energiájú deuteronokkal (deutérium atommagokkal) bombázták:
A trícium a természetes vízben parányi koncentrációban van jelen. A felső légkörben folyamatosan képződik kozmikus sugárzás indukálta magreakciók révén. A főként nagy energiájú protonokból álló kozmikus sugárzás nitrogénatomokkal reagálva neutronokat képez, amelyek viszont további nitrogénatomokkal reagálva tríciumot képeznek:
Ez a természetesen képződött trícium víz formájában kerül a Föld felszínére eső formájában. A trícium radioaktív; felezési ideje 12,5 év, egy nagyon lágy (alacsony energiájú) negatív béta-részecskére (elektron; a pozitív béta-részecskét pozitronnak nevezik) és hélium-3 atommagra bomlik. Amikor egy vízmintát tárolnak, a radioaktív bomlás miatt fokozatosan elveszíti a tríciumot. Így a víz tríciumtartalmának elemzésével lehetővé válik az óceánok, a légkör, a folyók és a tavak közötti vízkörforgás részleteinek tisztázása. A tríciumot mesterségesen atomreaktorokban termikus neutronok lítiummal való reakciójával állítják elő:
A hidrogénizotópok megfelelő vegyületei fizikai tulajdonságaikban kissé különböznek egymástól. Ezt a különbséget a táblázatban felsorolt vizek és a következő táblázatban felsorolt elemek tulajdonságai mutatják. Ugyanez igaz a kémiai tulajdonságaikra is, mind termodinamikai, mind kinetikai szempontból. Mind a deutérium, mind a trícium izotópos nyomjelzőként hasznos a kémiai szerkezetek és a reakciómechanizmusok vizsgálatában. Általában egy nyomjelző értéke abból adódik, hogy bár tömegkülönbsége vagy radioaktivitása lehetővé teszi kimutatását, lényegében ugyanúgy aktív, mint az elem közönséges atomjai. A legtöbb elem esetében az egy vagy néhány tömegegységnyi változás a teljes tömeg olyan kis százalékát teszi ki, hogy az izotópok közötti kémiai különbségek elhanyagolhatóak. A hidrogén esetében azonban a különböző izotópokat érintő kémiai reakciók mérhetően eltérő sebességgel mennek végbe. Ezek a kinetikai izotóphatások felhasználhatók a reakciómechanizmusok részletes vizsgálatában. A deutériumot vagy tríciumot tartalmazó vegyületek reakciósebessége általában kisebb, mint a közönséges hidrogén megfelelő vegyületeinek reakciósebessége.
| hidrogén-oxid | deutérium-oxid | trícium-oxid | |
|---|---|---|---|
| sűrűsége 25 Celsius fokon gramm per milliliterben | 0.99707 | 1.10451 | – |
| olvadáspont, Celsius fok | 0 | 3.81 | 4.49 |
| forráspont, Celsius fok | 100 | 101.41 | – |
| maximális sűrűség hőmérséklete, Celsius fok | 3.98 | 11.21 | 13.4 |
| maximális sűrűség, gramm per milliliterben | 1.00000 | 1.10589 | 1.21502 |
A hidrogén deutériummal való helyettesítése a biológiai rendszerekben jelentősen megváltoztathatja a kényes egyensúlyú folyamatokat. Megállapították, hogy sem a növények, sem az állatok nem élnek és fejlődnek tovább olyan vízben, amely nagy koncentrációban deutérium-oxidot tartalmaz.
A deutérium és a trícium a termonukleáris (fúziós) reakciókkal kapcsolatban érdekes. A hidrogénbomba robbanása könnyű atommagok, köztük deutérium és trícium ütközésével és fúziójával jár. Ha sikerülne módszert találni az ilyen fúziós folyamatok irányítására, mint ahogyan azt a korábbi atombomba hasadási folyamatánál tették, akkor a víz deutériumtartalmában rejlő deutériumban gyakorlatilag korlátlan energiaellátás nyersanyaga állna rendelkezésre. Az ilyen fúziós reakciók jelentik a napenergia forrását.
A deutérium-oxid hasznos az atomreaktorokban moderátorként, hogy lelassítsa, de ne fogja be észrevehetően a neutronokat. Előnye, hogy folyadékként csak kis mértékben nyeli el a neutronokat.