Por meio do espectrógrafo de massa por ele inventado, Francis William Aston em 1927 observou que a linha para hidrogênio correspondia a um peso atômico na escala química de 1,00756. Este valor diferia por mais do que o provável erro experimental do valor baseado nos pesos combinados dos compostos de hidrogênio, 1,00777. Outros trabalhadores mostraram que a discrepância poderia ser removida postulando a existência de um isótopo de hidrogênio de massa 2 na proporção de um átomo de 2H (ou D) para 4.500 átomos de 1H. O problema interessou ao químico americano Harold C. Urey, que a partir de princípios teóricos previu uma diferença nas pressões de vapor do hidrogênio (H2) e do deuterídeo de hidrogênio (HD) e, portanto, a possibilidade de separar essas substâncias por destilação do hidrogênio líquido. Em 1931, Urey e dois colaboradores detectaram deutério pelo seu espectro atómico no resíduo de uma destilação de hidrogénio líquido. O deutério foi inicialmente preparado em forma pura pelo método eletrolítico de concentração: quando uma solução de água de um eletrólito, como o hidróxido de sódio, é eletrolítica, o hidrogênio formado no cátodo contém uma fração menor de deutério do que a água, e assim o deutério é concentrado no resíduo. O óxido de deutério quase puro (D2O, água pesada) é obtido quando a solução é reduzida a 0,00001 do seu volume original. O deutério pode ser concentrado também pela destilação fracionada da água e por várias reações de troca química como as seguintes (g e 1 indicam os estados gasoso e líquido, 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).
Tritium (T) foi preparado pela primeira vez em 1935 por bombardear deutério (na forma de ácido deuterofosfórico) com deuterões de alta energia (núcleos deutério):
Tritium está presente em concentrações minúsculas em água natural. É formado continuamente na atmosfera superior por reacções nucleares induzidas por raios cósmicos. Os raios cósmicos, constituídos principalmente por prótons de alta energia, reagem com átomos de nitrogênio para formar nêutrons, que por sua vez reagem com mais átomos de nitrogênio para formar trítio:
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Este trítio formado naturalmente termina na forma de água e chega à superfície da Terra na chuva. O trítio é radioativo; tem uma meia-vida de 12,5 anos, decaindo para uma partícula beta negativa (elétron; a partícula beta positiva é chamada de positron) e um núcleo de hélio-3. Quando uma amostra de água é armazenada, ela perde gradualmente seu trítio por causa do decaimento radioativo. Assim, ao analisar a água pelo seu teor em trítio, é possível elucidar detalhes da circulação da água entre os oceanos, a atmosfera, os rios e os lagos. O trítio é feito artificialmente em reatores nucleares pela reação de neutrões térmicos com lítio:
Os compostos correspondentes dos isótopos de hidrogênio diferem ligeiramente em suas propriedades físicas. Esta diferença é mostrada pelas propriedades das águas, listadas na Tabela, e dos elementos, listados na Tabela seguinte. O mesmo é válido para as suas propriedades químicas, tanto termodinâmicas como cinéticas. Tanto o deutério como o trítio são úteis como traçadores isotópicos para a investigação das estruturas químicas e dos mecanismos de reacção. Geralmente o valor de um traçador surge do fato de que, embora sua diferença de massa ou sua radioatividade permita sua detecção, ele é essencialmente ativo da mesma forma que os átomos comuns do elemento. Para a maioria dos elementos, uma mudança de uma ou poucas unidades de massa é uma percentagem tão pequena da massa total que as diferenças químicas entre os isótopos são insignificantes. Para o hidrogênio, entretanto, as reações químicas envolvendo os diferentes isótopos ocorrem a taxas mensuravelmente diferentes. Estes efeitos cinético-isótopos podem ser utilizados em estudos detalhados dos mecanismos de reacção. As taxas de reacções de compostos contendo deutério ou trítio são normalmente inferiores às dos compostos correspondentes do hidrogénio comum.
| Óxido de hidrogênio | Óxido de deutério | Óxido de trítio | |
|---|---|---|---|
| densidade a 25 graus Celsius em gramas por mililitro | 0.99707 | 1.10451 | – |
| ponto de fusão, graus Celsius | 0 | 3.81 | 4,49 |
| ponto de fusão, graus Celsius | 100 | 101.41 | – |
| temperatura de densidade máxima, graus Celsius | 3.98 | 11.21 | 13.4 |
| densidade máxima em gramas por mililitro | 1.00000 | 1.10589 | 1.21502 |
A substituição do hidrogénio por deutério em sistemas biológicos pode alterar marcadamente os processos delicadamente equilibrados. Foi estabelecido que nem as plantas nem os animais continuam a viver e a prosperar em água contendo óxido de deutério em concentrações elevadas.
Deutério e trítio são de interesse em relação às reacções termonucleares (fusão). A explosão de uma bomba de hidrogênio envolve a colisão e fusão de núcleos de luz, incluindo deutério e trítio. Caso seja encontrado um método para controlar tais processos de fusão, como foi feito com o processo de fissão da bomba atômica anterior, a matéria-prima para um suprimento de energia praticamente ilimitado estaria disponível no conteúdo de deutério da água. Tais reações de fusão são a fonte de energia solar.
Oxido de deutério é útil em reatores nucleares como moderador para retardar, mas não captar sensivelmente os nêutrons. Tem a vantagem de ser um líquido que absorve os nêutrons apenas ligeiramente.