În 1927, cu ajutorul spectrografului de masă pe care l-a inventat, Francis William Aston a observat că linia hidrogenului corespunde unei greutăți atomice pe scara chimică de 1,00756. Această valoare se deosebea cu mai mult decât eroarea experimentală probabilă de valoarea bazată pe greutățile combinate ale compușilor hidrogenului, 1,00777. Alți cercetători au arătat că discrepanța ar putea fi eliminată prin postularea existenței unui izotop de hidrogen de masă 2 în proporție de un atom de 2H (sau D) la 4.500 de atomi de 1H. Problema l-a interesat pe chimistul american Harold C. Urey, care, pornind de la principii teoretice, a prezis o diferență între presiunile de vapori ale hidrogenului (H2) și ale hidrogenului deuterat (HD) și, prin urmare, posibilitatea de a separa aceste substanțe prin distilarea hidrogenului lichid. În 1931, Urey și doi colaboratori au detectat deuteriul prin spectrul său atomic în reziduul unei distilări de hidrogen lichid. Deuteriul a fost preparat pentru prima dată în formă pură prin metoda electrolitică de concentrare: atunci când o soluție de apă a unui electrolit, cum ar fi hidroxidul de sodiu, este electrolizată, hidrogenul format la catod conține o fracțiune mai mică de deuteriu decât apa și, astfel, deuteriul este concentrat în reziduu. Oxidul de deuteriu aproape pur (D2O, apă grea) se obține atunci când soluția este redusă la 0,00001 din volumul său inițial. Deuteriul poate fi concentrat și prin distilarea fracționată a apei și prin diverse reacții de schimb chimic, cum ar fi următoarele (g și 1 indică starea gazoasă și, respectiv, lichidă): H2O(g) + HD(g) ⇌ HDO(g) + H2(g); HDO(g) + H2S(g) ⇌ HDS(g) + H2O(g); NH3(l) + HD(g) ⇌ NH2D(l) + H2(g).
Tritiul (T) a fost preparat pentru prima dată în 1935 prin bombardarea deuteriului (sub formă de acid deuterofosforic) cu deuteroni de mare energie (nuclee de deuteriu):
Trițiul este prezent în concentrații infime în apa naturală. Se formează continuu în atmosfera superioară prin reacții nucleare induse de raze cosmice. Razele cosmice, formate în principal din protoni de mare energie, reacționează cu atomii de azot pentru a forma neutroni, care, la rândul lor, reacționează cu mai mulți atomi de azot pentru a forma tritiu:
Acest tritiu format în mod natural sfârșește sub formă de apă și ajunge la suprafața Pământului sub formă de ploaie. Tritiul este radioactiv; are un timp de înjumătățire de 12,5 ani, dezintegrându-se într-o particulă beta negativă (electron; particula beta pozitivă se numește pozitron) foarte moale (cu energie scăzută) și un nucleu de heliu-3. Atunci când o mostră de apă este depozitată, aceasta își pierde treptat tritiul din cauza dezintegrării radioactive. Astfel, prin analizarea apei în funcție de conținutul de tritiu, este posibil să se elucideze detaliile circulației apei între oceane, atmosferă, râuri și lacuri. Tritiul este obținut în mod artificial în reactoarele nucleare prin reacția neutronilor termici cu litiu:
Compușii corespunzători ai izotopilor de hidrogen diferă ușor în ceea ce privește proprietățile lor fizice. Această diferență este evidențiată de proprietățile apelor, enumerate în tabel, și ale elementelor, enumerate în tabelul următor. Același lucru este valabil și pentru proprietățile lor chimice, atât termodinamice, cât și cinetice. Atât deuteriul, cât și tritiul sunt utile ca urmăritori izotopici pentru investigarea structurilor chimice și a mecanismelor de reacție. În general, valoarea unui trasor rezultă din faptul că, deși diferența de masă sau radioactivitatea sa permite detectarea sa, acesta este în esență activ în același mod în care sunt activi atomii obișnuiți ai elementului. Pentru majoritatea elementelor, o schimbare de una sau de câteva unități de masă reprezintă un procent atât de mic din masa totală încât diferențele chimice dintre izotopi sunt neglijabile. Cu toate acestea, în cazul hidrogenului, reacțiile chimice care implică diferiți izotopi se desfășoară la viteze diferite măsurabile. Aceste efecte cinetice-izotopice pot fi utilizate în studii detaliate ale mecanismelor de reacție. Vitezele de reacție ale compușilor care conțin deuteriu sau tritiu sunt, de obicei, mai mici decât cele ale compușilor corespunzători ai hidrogenului obișnuit.
| oxid de hidrogen | oxid de deuteriu | oxid de tritiu | ||
|---|---|---|---|---|
| densitate la 25 grade Celsius în grame pe mililitru | 0.99707 | 1,10451 | – | |
| punctul de topire, grade Celsius | 0 | 3.81 | 4,49 | |
| punctul de fierbere, grade Celsius | 100 | 101.41 | – | temperatura de densitate maximă, grade Celsius | 3,98 | 11,21 | 13.4 | densitatea maximă în grame pe mililitru | 1,00000 | 1,10589 | 1,21502 |
Înlocuirea hidrogenului cu deuteriu în sistemele biologice poate altera în mod semnificativ procesele delicat echilibrate. S-a stabilit că nici plantele, nici animalele nu continuă să trăiască și să se dezvolte în apa care conține oxid de deuteriu în concentrații mari.
Deuteriul și tritiul prezintă interes în legătură cu reacțiile termonucleare (de fuziune). Explozia unei bombe cu hidrogen implică ciocnirea și fuziunea nucleelor ușoare, inclusiv a deuteriului și a tritiului. În cazul în care s-ar găsi o metodă de a controla astfel de procese de fuziune, așa cum s-a procedat în cazul procesului de fisiune al bombei atomice anterioare, materia primă pentru o sursă practic nelimitată de energie ar fi disponibilă în conținutul de deuteriu din apă. Astfel de reacții de fuziune reprezintă sursa de energie solară.
Oxidul de deuteriu este util în reactoarele nucleare ca moderator pentru a încetini, dar nu pentru a capta în mod apreciabil neutronii. Are avantajul de a fi un lichid care nu absoarbe decât foarte puțin neutronii.
.