Deuterio

El deuterio se representa a menudo con el símbolo químico D. Dado que es un isótopo del hidrógeno con número másico 2, también se representa como ^2H . La IUPAC permite tanto D como ^2H , aunque se prefiere 2H. ^{[ 8 ] Se} utiliza un símbolo químico distinto por conveniencia debido al uso común del isótopo en diversos procesos científicos. Además, su gran diferencia de masa con el protio ( ^1H ) confiere diferencias químicas no despreciables con los compuestos de ^1H . El deuterio tiene una masa de2,014 102 Da  , aproximadamente el doble del peso atómico medio del hidrógeno de1,007 947  Da , o el doble de la masa del protio.1,007 825  Da . Las proporciones de peso isotópico dentro de otros elementos son en gran medida insignificantes a este respecto.

En mecánica cuántica , los niveles de energía de los electrones en los átomos dependen de la masa reducida del sistema formado por el electrón y el núcleo. Para un átomo de hidrógeno , el papel de la masa reducida se observa de forma más sencilla en el modelo atómico de Bohr, donde aparece en un cálculo simple de la constante de Rydberg y la ecuación de Rydberg, pero también aparece en la ecuación de Schrödinger y en la ecuación de Dirac para calcular los niveles de energía atómica.

La masa reducida del sistema en estas ecuaciones es cercana a la masa de un solo electrón, pero difiere de ella en una pequeña cantidad aproximadamente igual a la relación entre la masa del electrón y la del núcleo. Para 1H ^, esta cantidad es aproximadamente 1837/1836 , o 1,000545 , y para ^2H es aún menor: 3671/3670 , ^{o 1,000272. Por lo tanto} , las energías de las líneas de los espectros electrónicos para 2H y ^1H difieren en la relación de estos dos números, que también es muy cercana a 1,000272. Las longitudes de onda de todas las líneas espectroscópicas del deuterio son más cortas que las líneas correspondientes del hidrógeno ligero, en un 0,0272%. En observación astronómica, esto corresponde a un desplazamiento Doppler azul del 0,0272% de la velocidad de la luz , o 81,6 km/s. ^{[ 9 ]} 

Las diferencias son mucho más pronunciadas en la espectroscopia vibracional, como la espectroscopia infrarroja y la espectroscopia Raman , ^{[ 10 ]} y en los espectros rotacionales, como la espectroscopia de microondas, porque la masa reducida del deuterio es notablemente mayor que la del protio. En la espectroscopia de resonancia magnética nuclear , el deuterio tiene una frecuencia de RMN muy diferente (por ejemplo, 61  MHz cuando el protio está a 400  MHz) y es mucho menos sensible. Generalmente se utilizan disolventes deuterados en la RMN de protio para evitar que el disolvente se solape con la señal, aunque también es posible la RMN de deuterio por sí sola.

La síntesis durante la formación del universo es la única forma significativa en que se ha creado deuterio de origen natural; se destruye en la fusión estelar . Se cree que el deuterio desempeñó un papel importante en la determinación del número y las proporciones de los elementos que se formaron en el Big Bang . ^{[ 11 ] : 24.2} Combinando la termodinámica y los cambios producidos por la expansión cósmica, se puede calcular la fracción de protones y neutrones en función de la temperatura en el punto en que el universo se enfrió lo suficiente como para permitir la formación de núcleos . Este cálculo indica siete protones por cada neutrón al comienzo de la nucleogénesis , una proporción que se mantendría estable incluso después de que la nucleogénesis hubiera terminado. Esta fracción favorecía a los protones inicialmente, principalmente porque la menor masa del protón favorecía su producción. A medida que el Universo se expandía, se enfriaba. Los neutrones y protones libres son menos estables que los núcleos de helio , y los protones y neutrones tenían una fuerte razón energética para formar helio-4 . Sin embargo, la formación de helio-4 requiere el paso intermedio de la formación de deuterio.

Durante gran parte de los pocos minutos posteriores al Big Bang en los que pudo haber ocurrido la nucleosíntesis, la temperatura era lo suficientemente alta como para que la energía media por partícula superara la energía de enlace del deuterio débilmente ligado; por lo tanto, cualquier deuterio que se formara se destruía inmediatamente. Esta situación se conoce como el cuello de botella del deuterio . El cuello de botella retrasó la formación de helio-4 hasta que el Universo se enfrió lo suficiente como para formar deuterio (a una temperatura equivalente a unos 100 keV ). En ese momento, se produjo una repentina explosión de formación de elementos (primero deuterio, que se fusionó inmediatamente en helio). Sin embargo, muy poco después, a los veinte minutos del Big Bang, el Universo se enfrió demasiado para cualquier fusión nuclear o nucleosíntesis posterior. En ese momento, las abundancias elementales estaban prácticamente fijas, cambiando solo a medida que algunos de los productos radiactivos de la nucleosíntesis del Big Bang (como el tritio ) se desintegraban. ^{[ 12 ]} El cuello de botella del deuterio en la formación del helio, junto con la falta de formas estables para que el helio se combine con el hidrógeno o consigo mismo (ningún núcleo estable tiene un número másico de 5 u 8), significó que una cantidad insignificante de carbono, o cualquier elemento más pesado que el carbono, se formó en el Big Bang. Por lo tanto, estos elementos requirieron formarse en las estrellas. Al mismo tiempo, el fracaso de gran parte de la nucleogénesis durante el Big Bang aseguró que habría abundante hidrógeno en el universo posterior disponible para formar estrellas longevas, como el Sol. 

El deuterio se presenta en cantidades ínfimas de forma natural como gas _deuterio ( ^2H2 o D2 ₎ , pero la mayor parte del deuterio en el Universo está unido a ^1H para formar un gas llamado deuteruro de hidrógeno (HD o ^1H2H ). ^{[ 13 ]} De manera similar, ^el agua natural contiene moléculas deuteradas, casi todas como agua semipesada HDO con solo un deuterio.

La existencia de deuterio en la Tierra, en otros lugares del Sistema Solar (como lo confirman las sondas planetarias) y en los espectros estelares , es también un dato importante en cosmología . La radiación gamma de la fusión nuclear ordinaria disocia el deuterio en protones y neutrones, y no se conoce ningún proceso natural, aparte de la nucleosíntesis del Big Bang , que pudiera haber producido deuterio en una abundancia cercana a la observada. El deuterio se produce por la rara desintegración de cúmulos estelares y por la absorción ocasional de neutrones naturales por hidrógeno ligero, pero estas son fuentes insignificantes. Se cree que hay poco deuterio en el interior del Sol y otras estrellas, ya que a estas temperaturas las reacciones de fusión nuclear que consumen deuterio ocurren mucho más rápido que la reacción protón-protón que lo crea. Sin embargo, el deuterio persiste en la atmósfera solar exterior en una concentración similar a la de Júpiter, y probablemente esta concentración no ha cambiado desde el origen del Sistema Solar. La abundancia natural de ^2H parece ser una fracción muy similar del hidrógeno, dondequiera que se encuentre hidrógeno, a menos que haya procesos obvios en acción que lo concentren.

La existencia de deuterio en una fracción primordial baja pero constante en todo el hidrógeno es otro de los argumentos a favor del Big Bang sobre la teoría del estado estacionario del universo. Las proporciones observadas de hidrógeno, helio y deuterio en el universo son difíciles de explicar excepto con un modelo del Big Bang. Se estima que las abundancias de deuterio no han evolucionado significativamente desde su producción hace unos 13.800 millones de años. ^{[ 14 ]} Las mediciones del deuterio galáctico de la Vía Láctea a partir del análisis espectral ultravioleta muestran una proporción de hasta 23 átomos de deuterio por millón de átomos de hidrógeno en nubes de gas no perturbadas, lo que es solo un 15 % inferior a la proporción primordial estimada por WMAP de unos 27 átomos por millón del Big Bang. Esto se ha interpretado como que se ha destruido menos deuterio en la formación estelar en la galaxia de la Vía Láctea de lo esperado, o quizás el deuterio se ha repuesto por una gran caída de hidrógeno primordial desde fuera de la galaxia. ^{[ 15 ]} En el espacio a unos cientos de años luz del Sol, la abundancia de deuterio es de solo 15 átomos por millón, pero este valor presumiblemente está influenciado por la adsorción diferencial de deuterio en granos de polvo de carbono en el espacio interestelar. ^{[ 16 ]}

La abundancia de deuterio en la atmósfera de Júpiter ha sido medida directamente por la sonda espacial Galileo como 26 átomos por millón de átomos de hidrógeno. Las observaciones de ISO-SWS encuentran 22 átomos por millón de átomos de hidrógeno en Júpiter, ^{[ 17 ]} y se cree que esta abundancia representa una proporción cercana a la del Sistema Solar primordial. ^{[ 6 ]} Esto es aproximadamente el 17% de la proporción terrestre de 156 átomos de deuterio por millón de átomos de hidrógeno.

Se ha medido que cometas como el cometa Hale-Bopp y el cometa Halley contienen más deuterio (alrededor de 200 átomos por millón de hidrógenos), proporciones que están enriquecidas con respecto a la proporción presunta de la nebulosa protosolar, probablemente debido al calentamiento, y que son similares a las proporciones encontradas en el agua de mar de la Tierra. La medición reciente de cantidades de deuterio de 161 átomos por millón de hidrógeno en el cometa 103P/Hartley (un antiguo objeto del cinturón de Kuiper ), una proporción casi exactamente igual a la de los océanos de la Tierra (155,76 ± 0,1, pero de hecho de 153 a 156 ppm), enfatiza la teoría de que el agua superficial de la Tierra puede provenir en gran parte de cometas. ^{[ 5 ] [ 6 ]} Más recientemente, el ² H ¹ HR de 67P/Churyumov-Gerasimenko según lo medido por Rosetta es aproximadamente tres veces el del agua de la Tierra. ^{[ 7 ]} Esto ha provocado un renovado interés en las sugerencias de que el agua de la Tierra puede ser en parte de origen asteroide.

También se ha observado que el deuterio se concentra por encima de la abundancia solar media en otros planetas terrestres, en particular Marte y Venus. ^{[ 18 ]}

El deuterio se produce con fines industriales, científicos y militares, partiendo de agua común —una pequeña fracción de la cual es agua pesada de origen natural— y luego separando el agua pesada mediante el proceso de sulfuro de Girdler , destilación u otros métodos. ^{[ 19 ]}

En teoría, el deuterio para el agua pesada podría crearse en un reactor nuclear, pero la separación del agua ordinaria es el proceso de producción a gran escala más económico.

Hasta 1997, cuando se clausuró la última planta de agua pesada, el principal proveedor mundial de deuterio fue Atomic Energy of Canada Limited . Canadá utiliza agua pesada como moderador de neutrones para el funcionamiento del reactor CANDU .

Otro importante productor de agua pesada es la India. Todas las centrales de energía atómica de la India, excepto una, son plantas de agua pesada presurizada, que utilizan uranio natural (es decir, no enriquecido). La India cuenta con ocho plantas de agua pesada, de las cuales siete están en funcionamiento. Seis de ellas, cinco en operación, se basan en el intercambio de deuterio-hidrógeno en gas amoníaco. Las otras dos plantas extraen deuterio del agua natural mediante un proceso que utiliza gas sulfuro de hidrógeno a alta presión.

Si bien la India es autosuficiente en agua pesada para su propio uso, también exporta agua pesada de calidad para reactores nucleares.

Fórmula: D ₂ o ² ₁ H₂

• Densidad: 0,180 kg/m³ ^en condiciones normales de presión y temperatura (0 °C, 101325 Pa).
• Peso atómico: 2,0141017926 Da.
• Abundancia media en el agua del océano (según VSMOW ) 155,76 ± 0,1 átomos de deuterio por millón de átomos de todos los isótopos de hidrógeno (aproximadamente 1 átomo de en 6420); es decir, aproximadamente el 0,015 % de todos los átomos de hidrógeno (de cualquier isótopo).

Datos a unos 18 K para ² H ₂ ( punto triple ):

• Densidad:
  • Líquido: 162,4 kg/ ^m³
  • Gas: 0,452 kg/ ^m³
  • ^Agua líquida : 1105,2 kg/m³ ^en condiciones normales de presión _y temperatura (CNPT).
• Viscosidad: 12,6 μPa·s a 300 K (fase gaseosa)
• Capacidad calorífica específica a presión constante c _p :
  • Sólido: 2950 J/(kg·K)
  • Gas: 5200 J/(kg·K)

En comparación con el hidrógeno en su composición natural en la Tierra, el deuterio puro ( _2H2 ⁾ tiene un punto de fusión más alto (18,72 K frente a 13,99 K), un punto de ebullición más alto (23,64 K frente a 20,27 K ), una temperatura crítica más alta (38,3 K frente a 32,94 K) y una presión crítica más alta (1,6496 MPa frente a 1,2858 MPa). ^{[ 20 ]}     

_{Las propiedades físicas de los compuestos de} deuterio pueden presentar importantes efectos isotópicos cinéticos y otras diferencias en las propiedades físicas y químicas con respecto a sus análogos de protio. Por ejemplo, el 2H₂O es más viscoso ^que el _H₂O normal . [ ^{21 ] Existen} diferencias en la energía y la longitud de los enlaces de los compuestos de isótopos pesados ​​de hidrógeno en comparación con el protio, diferencias que son mayores que las observadas en cualquier otro elemento. Los enlaces que involucran deuterio y tritio son algo más fuertes que los correspondientes en el protio, y estas diferencias son suficientes para provocar cambios significativos en las reacciones biológicas. Las empresas farmacéuticas están interesadas en el hecho de que ^{el 2H} es más difícil de eliminar del carbono que ^{el 1H} . ^{[ 22 ]}

El deuterio puede reemplazar ¹ H en las moléculas de agua para formar agua pesada ( ² H₂O ), que es aproximadamente un 10,6 % más densa que el agua normal (por lo que el hielo hecho con ella se hunde en agua normal). El agua pesada es ligeramente tóxica para los _animales eucariotas : una sustitución del 25 % del agua corporal causa problemas de división celular y esterilidad, y una sustitución del 50 % causa la muerte por síndrome citotóxico (insuficiencia de la médula ósea e insuficiencia del revestimiento gastrointestinal). Sin embargo, los organismos procariotas pueden sobrevivir y crecer en agua pesada pura, aunque su desarrollo es lento. ^{[ 23 ]} A pesar de esta toxicidad, el consumo de agua pesada en circunstancias normales no representa una amenaza para la salud humana. Se estima que una persona de 70 kg (154 lb) podría beber 4,8 litros (1,3 galones estadounidenses ) de agua pesada sin consecuencias graves. ^{[ 24 ]} Pequeñas dosis de agua pesada (unos pocos gramos en humanos, que contienen una cantidad de deuterio comparable a la que normalmente está presente en el cuerpo) se utilizan de forma rutinaria como trazadores metabólicos inocuos en humanos y animales.    

El deuterón tiene espín +1 ( estado triplete ) y, por lo tanto, es un bosón . La frecuencia de RMN del deuterio es significativamente diferente a la del hidrógeno normal. La espectroscopia infrarroja también permite diferenciar fácilmente muchos compuestos deuterados, debido a la gran diferencia en la frecuencia de absorción infrarroja observada en la vibración de un enlace químico que contiene deuterio, en comparación con el hidrógeno ligero. Los dos isótopos estables del hidrógeno también pueden distinguirse mediante espectrometría de masas .

El triplete deuterón-nucleón apenas está ligado a E _B =2,23  MeV , y ninguno de los estados de energía superior está ligado. El deuterón singlete es un estado virtual, con una energía de enlace negativa de~60  keV . No existe tal partícula estable, pero esta partícula virtual existe transitoriamente durante la dispersión inelástica neutrón-protón, lo que explica la sección transversal de dispersión de neutrones inusualmente grande del protón. ^{[ 25 ]}

El deuterio se utiliza en reactores de fisión moderados por agua pesada , generalmente como H₂O líquido ^, _para ralentizar los neutrones sin la alta absorción de neutrones del hidrógeno ordinario. ^{[ 32 ]} Este es un uso comercial común para grandes cantidades de deuterio.

En los reactores de investigación , el H₂ ^líquido _se utiliza en fuentes frías para moderar los neutrones a energías y longitudes de onda muy bajas, adecuadas para experimentos de dispersión .

Experimentalmente, el deuterio es el nucleido más común utilizado en el diseño de reactores de fusión , especialmente en combinación con tritio , debido a la alta velocidad de reacción (o sección transversal nuclear ) y el alto rendimiento energético de la reacción deuterio-tritio (DT). Existe una reacción de fusión ^2H – ^3He con un rendimiento aún mayor , aunque el punto de equilibrio de ^2H – ^3He es superior al de la mayoría de las demás reacciones de fusión; junto con la escasez de ^3He , esto la hace improbable como fuente de energía práctica, al menos hasta que la fusión DT y la fusión deuterio-deuterio (DD) se hayan llevado a cabo a escala comercial. La fusión nuclear comercial aún no es una tecnología consolidada.

El deuterio se utiliza con mayor frecuencia en la espectroscopia de resonancia magnética nuclear de hidrógeno ( RMN de protón ) de la siguiente manera. La RMN normalmente requiere que los compuestos de interés se analicen disueltos en solución. Debido a las propiedades de espín nuclear del deuterio, que difieren del hidrógeno ligero que suele estar presente en las moléculas orgánicas, los espectros de RMN de hidrógeno/protio son altamente diferenciables de los del deuterio, y en la práctica el deuterio no es "visto" por un instrumento de RMN sintonizado para ^1H . Por lo tanto , los disolventes deuterados (incluida el agua pesada, pero también compuestos como el cloroformo deuterado , CDCl3 _o C2HCl3 ⁾ _se utilizan de forma rutinaria en la espectroscopia de RMN, para permitir que solo se midan los espectros de hidrógeno ligero del compuesto de interés, sin interferencia de la señal del disolvente.

La espectroscopia de resonancia magnética nuclear también puede utilizarse para obtener información sobre el entorno del deuterio en muestras marcadas isotópicamente ( RMN de deuterio ). Por ejemplo, la configuración de las cadenas de hidrocarburos en bicapas lipídicas puede cuantificarse mediante RMN de deuterio en estado sólido con moléculas lipídicas marcadas con deuterio. ^{[ 33 ]}

Los espectros de RMN de deuterio son especialmente informativos en estado sólido debido a su momento cuadrupolar relativamente pequeño en comparación con los de núcleos cuadrupolares más grandes, como el cloro-35, por ejemplo.

Los compuestos deuterados (es decir, aquellos en los que todos o algunos átomos de hidrógeno se reemplazan por deuterio) se utilizan frecuentemente como patrones internos en espectrometría de masas . Al igual que otras especies marcadas isotópicamente , estos patrones mejoran la precisión , a menudo a un costo mucho menor que otros patrones marcados isotópicamente. Las moléculas deuteradas generalmente se preparan mediante reacciones de intercambio de isótopos de hidrógeno . ^{[ 34 ] [ 35 ]}

En química , bioquímica y ciencias ambientales , el deuterio se utiliza como trazador isotópico estable no radiactivo , por ejemplo, en la prueba del agua doblemente marcada . En reacciones químicas y vías metabólicas , el deuterio se comporta de forma similar al hidrógeno ordinario (con algunas diferencias químicas, como se ha indicado). Se puede distinguir del hidrógeno normal con mayor facilidad por su masa, utilizando espectrometría de masas o espectrometría infrarroja . El deuterio se puede detectar mediante espectroscopia infrarroja de femtosegundos , ya que la diferencia de masa afecta drásticamente la frecuencia de las vibraciones moleculares; se encuentran ^{dos vibraciones de enlace H-carbono en regiones espectrales libres de otras señales.}

Las mediciones de pequeñas variaciones en la abundancia natural de deuterio, junto con las de los isótopos estables de oxígeno pesado ^17O y ^18O , son importantes en hidrología para rastrear el origen geográfico de las aguas terrestres. Los isótopos pesados ​​de hidrógeno y oxígeno en el agua de lluvia ( agua meteórica ) se enriquecen en función de la temperatura de la región donde cae la precipitación (y, por lo tanto, el enriquecimiento está relacionado con la latitud). El enriquecimiento relativo de los isótopos pesados ​​en el agua de lluvia (con respecto al agua oceánica media), cuando se representa gráficamente en función de la temperatura, cae predeciblemente a lo largo de una línea denominada línea global de agua meteórica (GMWL). Esta gráfica permite identificar muestras de agua de origen pluvial, junto con información general sobre el clima en el que se originó. Los procesos de evaporación y otros procesos en cuerpos de agua, así como los procesos de aguas subterráneas, también alteran diferencialmente las proporciones de isótopos pesados ​​de hidrógeno y oxígeno en aguas dulces y saladas, de maneras características y a menudo distintivas regionalmente. ^{[ 36 ]} La relación de concentración de ² H a ¹ H se suele indicar con un delta como δ ² H y los patrones geográficos de estos valores se representan en mapas denominados isopaisajes. Los isótopos estables se incorporan a plantas y animales, y un análisis de las proporciones en un ave o insecto migratorio puede ayudar a sugerir una guía aproximada de sus orígenes. ^{[ 37 ] [ 38 ]}

Las técnicas de dispersión de neutrones se benefician especialmente de la disponibilidad de muestras deuteradas: las secciones transversales de ^¹H y ^²H son muy distintas y de signo diferente, lo que permite variar el contraste en estos experimentos. Además, un problema del hidrógeno normal es su elevada sección transversal de neutrones incoherentes, que es nula para ^{el ²H} . Por lo tanto, la sustitución del hidrógeno normal por deuterio reduce el ruido de dispersión.

El hidrógeno es un componente importante y fundamental en todos los materiales de la química orgánica y las ciencias de la vida, pero apenas interactúa con los rayos X. Dado que los átomos de hidrógeno (incluido el deuterio) interactúan fuertemente con los neutrones, las técnicas de dispersión de neutrones, junto con una moderna instalación de deuteración, ^{[ 39 ]} cubren una necesidad en muchos estudios de macromoléculas en biología y muchas otras áreas.

Véase más abajo. La mayoría de las estrellas, incluido el Sol, generan energía durante la mayor parte de su vida mediante la fusión de hidrógeno en elementos más pesados; sin embargo, dicha fusión de hidrógeno ligero (protio) nunca ha tenido éxito en las condiciones alcanzables en la Tierra. Por lo tanto, toda fusión artificial, incluida la fusión de hidrógeno en las bombas de hidrógeno, requiere hidrógeno pesado (deuterio, tritio o ambos). ^{[ 40 ]}

Un fármaco deuterado es un producto medicinal de molécula pequeña en el que uno o más átomos de hidrógeno de la molécula del fármaco han sido reemplazados por deuterio. Debido al efecto isotópico cinético , los fármacos que contienen deuterio pueden tener tasas de metabolismo significativamente más bajas y, por lo tanto, una vida media más larga . ^{[ 41 ] [ 42 ] [ 43 ]} En 2017, la deutetrabenazina se convirtió en el primer fármaco deuterado en recibir la aprobación de la FDA. ^{[ 44 ]}

El deuterio puede utilizarse para reforzar enlaces C–H específicos vulnerables a la oxidación dentro de nutrientes esenciales o condicionalmente esenciales , ^{[ 45 ]} como ciertos aminoácidos o ácidos grasos poliinsaturados (AGPI), haciéndolos más resistentes al daño oxidativo. Los ácidos grasos poliinsaturados deuterados , como el ácido linoleico , ralentizan la reacción en cadena de la peroxidación lipídica que daña las células vivas. ^{[ 46 ] [ 47 ]} El éster etílico deuterado del ácido linoleico ( RT001 ), desarrollado por Retrotope, se encuentra en un ensayo de uso compasivo en la distrofia neuroaxonal infantil y ha completado con éxito un ensayo de fase I/II en la ataxia de Friedreich . ^{[ 48 ] [ 44 ]}

Las vacunas vivas, como la vacuna oral contra la polio , pueden estabilizarse con deuterio, ya sea solo o en combinación con otros estabilizadores como _el MgCl₂ . ^{[ 49 ]}

Se ha demostrado que el deuterio prolonga el período de oscilación del reloj circadiano cuando se administra en ratas, hámsteres y dinoflagelados Gonyaulax . ^{[ 50 ] [ 51 ] [ 52 ] [ 53 ]} En ratas, la ingesta crónica de 25 % de ² H ₂ O altera el ritmo circadiano al prolongar el período circadiano de los ritmos dependientes del núcleo supraquiasmático en el hipotálamo del cerebro. ^{[ 52 ]} Los experimentos en hámsteres también respaldan la teoría de que el deuterio actúa directamente sobre el núcleo supraquiasmático para prolongar el período circadiano libre. ^{[ 54 ]}

La primera mención de alguna materia con las propiedades del deuterio fue una mención pasajera en la conferencia Bakeriana de Ernest Rutherford de 1919. [ ^{55 ] [ 56 ] En} esta teoría, el núcleo de deuterio con masa dos y carga uno contendría dos protones y un electrón nuclear. También en 1919, Otto Stern y Max Volmer informaron sobre experimentos de difusión con agua que, según afirmaron, desmentían la existencia de isótopos de hidrógeno; sus conclusiones se consideraron correctas durante toda la década de 1920. ^{[ 57 ] [ 56 ]}

Fue detectado por primera vez espectroscópicamente a finales de 1931 por Harold Urey , un químico de la Universidad de Columbia . El colaborador de Urey, Ferdinand Brickwedde , destiló cinco litros de hidrógeno líquido producido criogénicamente paraSe utilizó 1 ml  de líquido, empleando el laboratorio de física de baja temperatura recientemente establecido en la Oficina Nacional de Estándares (actualmente Instituto Nacional de Estándares y Tecnología ) en Washington, D.C. La técnica se había utilizado previamente para aislar isótopos pesados ​​de neón. La técnica de ebullición criogénica concentró la fracción del isótopo de masa 2 del hidrógeno hasta un grado que permitió su identificación espectroscópica inequívoca. ^{[ 58 ] [ 59 ]}

Urey creó los nombres protio , deuterio y tritio en un artículo publicado en 1934. El nombre se basa en parte en el consejo de Gilbert N. Lewis, quien había propuesto el nombre "deutio". El nombre proviene del griego deuteros , "segundo", y el núcleo se denominaría "deuterón" o "deutón". Tradicionalmente, a los isótopos y a los nuevos elementos se les daba el nombre que decidía su descubridor. Algunos científicos británicos, como Ernest Rutherford , querían llamar al isótopo "diplógeno", del griego diploos , "doble", y al núcleo "diplon". ^{[ 4 ] [ 60 ]}

La cantidad inferida para la abundancia normal de deuterio era tan pequeña (solo alrededor de 1 átomo en 6400 átomos de hidrógeno en el agua de mar [156 partes por millón]) que no había afectado notablemente las mediciones previas de la masa atómica (promedio) del hidrógeno. Esto explicaba por qué no se había sospechado antes. Urey pudo concentrar agua para demostrar el enriquecimiento parcial de deuterio. Lewis , el director de tesis de Urey en Berkeley , había preparado y caracterizado las primeras muestras de agua pesada pura en 1933. El descubrimiento del deuterio, que precedió al descubrimiento del neutrón en 1932, fue una conmoción experimental para la teoría ; pero cuando se informó del neutrón, lo que hizo más explicable la existencia del deuterio, Urey recibió el Premio Nobel de Química solo tres años después del aislamiento del isótopo. Lewis se sintió profundamente decepcionado por la decisión del Comité Nobel en 1934 y varios administradores de alto rango en Berkeley creyeron que esta decepción jugó un papel central en su suicidio una década después. ^{[ 61 ] [ 62 ] [ 63 ] [ 4 ]}

Poco antes de la guerra, Hans von Halban y Lew Kowarski trasladaron su investigación sobre la moderación de neutrones de Francia a Gran Bretaña, introduciendo de contrabando todo el suministro mundial de agua pesada (que se había producido en Noruega) en veintiséis bidones de acero. ^{[ 64 ] [ 65 ]}

Durante la Segunda Guerra Mundial , se sabía que la Alemania nazi realizaba experimentos con agua pesada como moderador para el diseño de un reactor nuclear . Estos experimentos eran motivo de preocupación, ya que podrían permitirles producir plutonio para una bomba atómica . Finalmente, esto condujo a la operación aliada conocida como el " sabotaje noruego con agua pesada ", cuyo objetivo era destruir la planta de producción y enriquecimiento de deuterio de Vemork en Noruega. En aquel momento, esto se consideró crucial para el posible desarrollo de la guerra.

Tras el fin de la Segunda Guerra Mundial, los Aliados descubrieron que Alemania no estaba dedicando tanto esfuerzo al programa como se creía. Los alemanes solo habían completado un pequeño reactor experimental, parcialmente construido (que había permanecido oculto), y no habían logrado mantener una reacción en cadena. Al final de la guerra, los alemanes no contaban ni siquiera con una quinta parte de la cantidad de agua pesada necesaria para operar el reactor, en parte debido al sabotaje noruego de agua pesada. Sin embargo, incluso si los alemanes hubieran logrado poner en funcionamiento un reactor (como lo hizo Estados Unidos con el Chicago Pile-1 a finales de 1942), aún les faltarían al menos varios años para desarrollar una bomba atómica . El proceso de ingeniería, incluso con el máximo esfuerzo y financiación, requería aproximadamente dos años y medio (desde el primer reactor crítico hasta la bomba) tanto en Estados Unidos como en la URSS , por ejemplo.

El dispositivo Ivy Mike, de 62 toneladas, construido por Estados Unidos y detonado el 1 de noviembre de 1952, fue la primera bomba de hidrógeno (bomba termonuclear) completamente exitosa. En este contexto, fue la primera bomba en la que la mayor parte de la energía liberada provino de las etapas de reacción nuclear posteriores a la etapa primaria de fisión nuclear de la bomba atómica . La bomba Ivy Mike era un edificio similar a una fábrica, más que un arma lanzable. En su centro, un enorme termo cilíndrico aislado, o criostato , contenía deuterio líquido criogénico en un volumen de aproximadamente 1000 litros (160 kilogramos de masa, si este volumen se hubiera llenado por completo). Luego, una bomba atómica convencional (la "primaria") en un extremo de la bomba se utilizó para crear las condiciones de temperatura y presión extremas necesarias para desencadenar la reacción termonuclear .

En pocos años, se desarrollaron las llamadas bombas de hidrógeno "secas", que no requerían hidrógeno criogénico. La información publicada sugiere que todas las armas termonucleares construidas desde entonces contienen compuestos químicos de deuterio y litio en sus etapas secundarias. El material que contiene el deuterio es principalmente deuteruro de litio , donde el litio consiste en el isótopo litio-6 . Cuando el litio-6 es bombardeado con neutrones rápidos de la bomba atómica, se produce tritio (hidrógeno-3), y luego el deuterio y el tritio se fusionan rápidamente en un proceso termonuclear , liberando abundante energía, helio-4 e incluso más neutrones libres. Se cree que las armas de fusión "pura", como la Tsar Bomba, están obsoletas. En la mayoría de las armas termonucleares modernas ("potenciadas"), la fusión proporciona directamente solo una pequeña fracción de la energía total. La fisión de un uranio-238 natural mediante neutrones rápidos producidos por la fusión D-T genera una liberación de energía mucho mayor (es decir, potenciada) que la propia reacción de fusión.

En agosto de 2018, los científicos anunciaron la transformación del deuterio gaseoso en una forma metálica líquida . Esto podría ayudar a los investigadores a comprender mejor los planetas gigantes gaseosos , como Júpiter, Saturno y algunos exoplanetas , ya que se cree que estos planetas contienen mucho hidrógeno metálico líquido, que podría ser responsable de sus potentes campos magnéticos observados . ^{[ 66 ] [ 67 ]}