Med hjälp av den masspektrograf han uppfunnit observerade Francis William Aston 1927 att linjen för vätgas motsvarade en atomvikt på den kemiska skalan på 1,00756. Detta värde skiljde sig med mer än det sannolika experimentella felet från det värde som baserades på väteföreningarnas kombinationsvikter, 1,00777. Andra arbetare visade att diskrepansen kunde undanröjas genom att postulera existensen av en väteisotop med massan 2 i förhållandet en atom av 2H (eller D) till 4 500 atomer av 1H. Problemet intresserade den amerikanske kemisten Harold C. Urey, som utifrån teoretiska principer förutspådde en skillnad i ångtrycket för väte (H2) och väte deuterid (HD) och därmed möjligheten att separera dessa ämnen genom destillation av flytande väte. År 1931 upptäckte Urey och två medarbetare deuterium med hjälp av dess atomspektrum i restprodukten från en destillation av flytande väte. Deuterium framställdes först i ren form genom den elektrolytiska koncentrationsmetoden: när en vattenlösning av en elektrolyt, t.ex. natriumhydroxid, elektrolyseras innehåller det väte som bildas vid katoden en mindre fraktion deuterium än vattnet, och därmed koncentreras deuterium i restprodukten. Nästan ren deuteriumoxid (D2O, tungt vatten) erhålls när lösningen reduceras till 0,00001 av sin ursprungliga volym. Deuterium kan också koncentreras genom fraktionerad destillation av vatten och genom olika kemiska utbytesreaktioner, t.ex. följande (g och 1 anger gasformigt respektive flytande tillstånd): 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) framställdes för första gången 1935 genom att bombardera deuterium (i form av deuterofosforsyra) med högenergetiska deuteroner (deuteriumkärnor):
Tritium förekommer i mycket små koncentrationer i naturligt vatten. Det bildas kontinuerligt i den övre atmosfären genom kärnreaktioner inducerade av kosmisk strålning. Kosmisk strålning, som huvudsakligen består av protoner med hög energi, reagerar med kväveatomer för att bilda neutroner som i sin tur reagerar med fler kväveatomer för att bilda tritium:
Detta naturligt bildade tritium hamnar i form av vatten och når jordens yta i form av regn. Tritium är radioaktivt; det har en halveringstid på 12,5 år och sönderfaller till en mycket mjuk (låg energi) negativ betapartikel (elektron; den positiva betapartikeln kallas positron) och en helium-3-kärna. När ett vattenprov lagras förlorar det gradvis sitt tritium på grund av radioaktivt sönderfall. Genom att analysera vatten med avseende på dess tritiuminnehåll är det därför möjligt att belysa detaljerna i vattencirkulationen mellan oceaner, atmosfären, floder och sjöar. Tritium framställs artificiellt i kärnreaktorer genom att termiska neutroner reagerar med litium:
Korresponderande föreningar av väteisotoperna skiljer sig något i sina fysiska egenskaper. Denna skillnad framgår av egenskaperna hos vatten, som anges i tabellen, och hos grundämnena, som anges i följande tabell. Detsamma gäller deras kemiska egenskaper, både termodynamiska och kinetiska. Både deuterium och tritium är användbara som isotopspårare för undersökning av kemiska strukturer och reaktionsmekanismer. I allmänhet beror värdet av en spårämne på det faktum att även om dess skillnad i massa eller radioaktivitet gör det möjligt att upptäcka den, är den i huvudsak aktiv på samma sätt som de vanliga atomerna i grundämnet. För de flesta grundämnen är en förändring av en eller några få masseenheter en så liten andel av den totala massan att de kemiska skillnaderna mellan isotoper är försumbara. När det gäller väte går de kemiska reaktioner som involverar de olika isotoperna dock till med mätbart olika hastigheter. Dessa kinetiska isotopeffekter kan utnyttjas i detaljerade studier av reaktionsmekanismer. Reaktionshastigheterna för föreningar som innehåller deuterium eller tritium är vanligtvis lägre än för motsvarande föreningar av vanligt väte.
| väteoxid | deuteriumoxid | tritiumoxid | |
|---|---|---|---|
| Täthet vid 25 grader Celsius i gram per milliliter | 0.99707 | 1.10451 | – |
| Smältpunkt, grader Celsius | 0 | 3.81 | 4.49 |
| kokpunkt, grader Celsius | 100 | 101.41 | – |
| Temperatur för högsta densitet, grader Celsius | 3.98 | 11.21 | 13.4 |
| maximal densitet i gram per milliliter | 1,00000 | 1,10589 | 1,21502 |
Ersättandet av väte med deuterium i biologiska system kan märkbart förändra de känsligt balanserade processerna. Det har konstaterats att varken växter eller djur fortsätter att leva och frodas i vatten som innehåller deuteriumoxid i höga koncentrationer.
Deuterium och tritium är av intresse i samband med termonukleära (fusions)reaktioner. Explosionen av en vätebomb inbegriper kollision och fusion av lätta kärnor, inklusive deuterium och tritium. Om man skulle finna en metod för att kontrollera sådana fusionsprocesser, på samma sätt som man gjorde med fissionsprocessen i den tidigare atombomben, skulle råmaterialet för en praktiskt taget obegränsad energiförsörjning finnas tillgängligt i vattnets innehåll av deuterium. Sådana fusionsreaktioner är källan till solenergi.
Deuteriumoxid är användbart i kärnreaktorer som moderator för att bromsa men inte märkbart fånga in neutroner. Den har fördelen att vara en vätska som endast absorberar neutroner i liten utsträckning.