Per mezzo dello spettrografo di massa che aveva inventato, Francis William Aston nel 1927 osservò che la linea dell’idrogeno corrispondeva a un peso atomico sulla scala chimica di 1,00756. Questo valore differiva di più del probabile errore sperimentale dal valore basato sui pesi combinatori dei composti dell’idrogeno, 1,00777. Altri lavoratori dimostrarono che la discrepanza poteva essere rimossa postulando l’esistenza di un isotopo di idrogeno di massa 2 nella proporzione di un atomo di 2H (o D) per 4.500 atomi di 1H. Il problema interessò il chimico statunitense Harold C. Urey, che da principi teorici predisse una differenza nelle pressioni di vapore dell’idrogeno (H2) e dell’idrogeno deuteride (HD) e quindi la possibilità di separare queste sostanze per distillazione dell’idrogeno liquido. Nel 1931 Urey e due collaboratori rilevarono il deuterio dal suo spettro atomico nel residuo di una distillazione di idrogeno liquido. Il deuterio fu preparato per la prima volta in forma pura con il metodo elettrolitico di concentrazione: quando una soluzione d’acqua di un elettrolita, come l’idrossido di sodio, è elettrolitica, l’idrogeno formato al catodo contiene una frazione di deuterio più piccola dell’acqua, e così il deuterio è concentrato nel residuo. L’ossido di deuterio quasi puro (D2O, acqua pesante) si ottiene quando la soluzione è ridotta a 0,00001 del suo volume originale. Il deuterio può essere concentrato anche dalla distillazione frazionata dell’acqua e da varie reazioni di scambio chimico come le seguenti (g e 1 indicano rispettivamente gli stati gassoso e liquido): H2O(g) + HD(g) ⇌ HDO(g) + H2(g); HDO(g) + H2S(g) ⇌ HDS(g) + H2O(g); NH3(l) + HD(g) ⇌ NH2D(l) + H2(g).
Il trizio (T) fu preparato per la prima volta nel 1935 bombardando il deuterio (sotto forma di acido deuterofosforico) con deuteroni ad alta energia (nuclei di deuterio):
Il trizio è presente in concentrazioni minime nell’acqua naturale. Si forma continuamente nell’atmosfera superiore da reazioni nucleari indotte dai raggi cosmici. I raggi cosmici, costituiti principalmente da protoni ad alta energia, reagiscono con atomi di azoto per formare neutroni, che a loro volta reagiscono con altri atomi di azoto per formare trizio:
Questo trizio formato naturalmente finisce sotto forma di acqua e raggiunge la superficie della Terra sotto forma di pioggia. Il trizio è radioattivo; ha un’emivita di 12,5 anni, decadendo in una particella beta negativa (elettrone) molto debole (bassa energia); la particella beta positiva è chiamata positrone) e un nucleo di elio-3. Quando un campione di acqua viene conservato, perde gradualmente il trizio a causa del decadimento radioattivo. Così, analizzando l’acqua per il suo contenuto di trizio, è possibile chiarire i dettagli della circolazione dell’acqua tra gli oceani, l’atmosfera, i fiumi e i laghi. Il trizio è prodotto artificialmente nei reattori nucleari dalla reazione dei neutroni termici con il litio:
I composti corrispondenti degli isotopi dell’idrogeno differiscono leggermente nelle loro proprietà fisiche. Questa differenza è dimostrata dalle proprietà delle acque, elencate nella tabella, e degli elementi, elencati nella tabella seguente. Lo stesso vale per le loro proprietà chimiche, sia termodinamiche che cinetiche. Sia il deuterio che il trizio sono utili come traccianti isotopici per lo studio delle strutture chimiche e dei meccanismi di reazione. Generalmente il valore di un tracciante deriva dal fatto che, sebbene la sua differenza di massa o la sua radioattività ne permetta la rilevazione, è essenzialmente attivo nello stesso modo in cui lo sono gli atomi ordinari dell’elemento. Per la maggior parte degli elementi, un cambiamento di una o poche unità di massa è una percentuale così piccola della massa totale che le differenze chimiche tra isotopi sono trascurabili. Per l’idrogeno, tuttavia, le reazioni chimiche che coinvolgono i diversi isotopi procedono a velocità misurabilmente diverse. Questi effetti cinetici-isotopici possono essere utilizzati in studi dettagliati dei meccanismi di reazione. Le velocità di reazione dei composti contenenti deuterio o trizio sono solitamente inferiori a quelle dei corrispondenti composti dell’idrogeno ordinario.
| ossido di idrogeno | ossido di deuterio | ossido di trizio | |
|---|---|---|---|
| densità a 25 gradi Celsius in grammi per millilitro | 0.99707 | 1.10451 | – |
| punto di fusione, gradi Celsius | 0 | 3.81 | 4.49 |
| punto di ebollizione, gradi Celsius | 100 | 101.41 | – |
| temperatura di massima densità, gradi Celsius | 3.98 | 11.21 | 13.4 |
| densità massima in grammi per millilitro | 1,00000 | 1,10589 | 1,21502 |
La sostituzione dell’idrogeno con il deuterio nei sistemi biologici può alterare notevolmente i processi delicatamente equilibrati. È stato stabilito che né le piante né gli animali continuano a vivere e prosperare in acqua contenente ossido di deuterio in alte concentrazioni.
Il deuterio e il trizio sono interessanti in relazione alle reazioni termonucleari (fusione). L’esplosione di una bomba all’idrogeno comporta la collisione e la fusione di nuclei leggeri, tra cui il deuterio e il trizio. Se si trovasse un metodo per controllare tali processi di fusione, come è stato fatto con il processo di fissione della precedente bomba atomica, la materia prima per una fornitura praticamente illimitata di energia sarebbe disponibile nel contenuto di deuterio dell’acqua. Tali reazioni di fusione sono la fonte dell’energia solare.
L’ossido di deuterio è utile nei reattori nucleari come moderatore per rallentare ma non catturare sensibilmente i neutroni. Ha il vantaggio di essere un liquido che assorbe i neutroni solo leggermente.