Deuterio

Deuterio (o hidrógeno-2, símbolo ²
H
o D, también conocido como hidrógeno pesado) es uno de dos isótopos estables de hidrógeno (el otro es protio o hidrógeno-1). El núcleo de un átomo de deuterio, llamado deuterón, contiene un protón y un neutrón, mientras que el protio mucho más común no tiene neutrones en el núcleo. El deuterio tiene una abundancia natural en los océanos de la Tierra de aproximadamente un átomo de deuterio entre todos 6420 átomos de hidrógeno (ver agua pesada). Así, el deuterio representa aproximadamente el 0,0156 % en número (0,0312 % en masa) de todo el hidrógeno natural en los océanos, mientras que el protio representa más del 99,98 %. La abundancia de deuterio cambia ligeramente de un tipo de agua natural a otro (ver Agua oceánica media estándar de Viena). (El tritio es otro isótopo de hidrógeno con el símbolo ³
H
o T. Tiene dos neutrones, es radiactivo y mucho más raro que el deuterio.)

El nombre deuterio se deriva del griego deuteros, que significa "segundo", para denotar las dos partículas que componen el núcleo. El deuterio fue descubierto por el químico estadounidense Harold Urey en 1931. Urey y otros produjeron muestras de agua pesada en las que el contenido de deuterio estaba muy concentrado. El descubrimiento del deuterio le valió a Urey el Premio Nobel en 1934.

El deuterio se destruye en el interior de las estrellas más rápido de lo que se produce. Se cree que otros procesos naturales producen solo una cantidad insignificante de deuterio. Casi todo el deuterio que se encuentra en la naturaleza se produjo en el Big Bang hace 13 800 millones de años, ya que la proporción básica o primordial de hidrógeno-1 a deuterio (alrededor de 26 átomos de deuterio por millón de átomos de hidrógeno) tiene su origen en ese momento. Esta es la proporción que se encuentra en los planetas gigantes gaseosos, como Júpiter. El análisis de la relación deuterio-protio en los cometas encontró resultados muy similares a la relación media en los océanos de la Tierra (156 átomos de deuterio por millón de átomos de hidrógeno). Esto refuerza las teorías de que gran parte del agua de los océanos de la Tierra es de origen cometario. La relación deuterio-protio del cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko, medida por la sonda espacial Rosetta, es aproximadamente tres veces mayor que la del agua de la Tierra. Esta cifra es la más alta medida hasta ahora en un cometa.

Por lo tanto, las relaciones deuterio-protio continúan siendo un tema activo de investigación tanto en astronomía como en climatología.

Diferencias con el hidrógeno común (protio)

Símbolo químico

Tubo de descarga de de deuterio

El deuterio se representa con frecuencia con el símbolo químico D. Dado que es un isótopo de hidrógeno con número de masa 2, también se representa con ²
H
. IUPAC permite D y ²
H
, aunque ²
H
. Se usa un símbolo químico distinto por conveniencia debido al uso común del isótopo en varios procesos científicos. Además, su gran diferencia de masa con el protio (¹H) (el deuterio tiene una masa de 2,014102 u, en comparación con el peso atómico medio del hidrógeno de 1,007947 u, y masa de protio de 1,007825 u) confiere diferencias químicas no despreciables con compuestos que contienen protio, mientras que las proporciones de peso de isótopos dentro de otros elementos químicos son en gran medida insignificantes a este respecto.

Espectroscopía

En la mecánica cuántica, los niveles de energía de los electrones en los átomos dependen de la masa reducida del sistema de electrones y núcleos. Para el átomo de hidrógeno, el papel de la masa reducida se ve más simplemente en el modelo del átomo de Bohr, donde la masa reducida aparece en un cálculo simple de la constante de Rydberg y la ecuación de Rydberg, pero la masa reducida también aparece en la ecuación de Schrödinger, y 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 el núcleo atómico. Para el hidrógeno, esta cantidad es aproximadamente 1837/1836, o 1,000545, y para el deuterio es incluso menor: 3671/3670, o 1,0002725. Las energías de las líneas espectroscópicas para el deuterio y el hidrógeno ligero (hidrógeno-1), por lo tanto, difieren en las proporciones de estos dos números, que es 1,000272. Las longitudes de onda de todas las líneas espectroscópicas de deuterio son más cortas que las correspondientes líneas de hidrógeno ligero, por un factor de 1,000272. En la observación astronómica, esto corresponde a un desplazamiento Doppler azul de 0,000272 veces la velocidad de la luz, o 81,6 km/s.

Las diferencias son mucho más pronunciadas en la espectroscopia vibratoria, como la espectroscopia infrarroja y la espectroscopia Raman, 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. Los solventes deuterados se usan generalmente en la RMN de protio para evitar que el solvente se superponga con la señal, aunque también es posible la RMN de deuterio por derecho propio.

Nucleosintesis del Big Bang

Se cree que el deuterio desempeñó un papel importante en el establecimiento del número y las proporciones de los elementos que se formaron en el Big Bang. Combinando la termodinámica y los cambios provocados 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 permanecería estable incluso después de que terminara la nucleogénesis. Esta fracción estaba inicialmente a favor de los protones, principalmente porque la menor masa del protón favorecía su producción. A medida que el Universo se expandía, se enfriaba. Los protones y neutrones 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 formación de deuterio.

Durante gran parte de los pocos minutos posteriores al Big Bang durante los cuales podría haber ocurrido la nucleosíntesis, la temperatura fue lo suficientemente alta como para que la energía media por partícula fuera mayor que la energía de enlace del deuterio débilmente enlazado; por lo tanto, cualquier deuterio que se formó fue inmediatamente destruido. Esta situación se conoce como cuello de botella de 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 100 keV). En este punto, hubo un estallido repentino de formación de elementos (primero deuterio, que inmediatamente se fusionó con helio). Sin embargo, muy poco tiempo después, veinte minutos después del Big Bang, el Universo se volvió demasiado frío para que ocurriera más fusión nuclear y nucleosíntesis. En este punto, las abundancias elementales estaban casi fijas, con el único cambio de que algunos de los productos radiactivos de la nucleosíntesis del Big Bang (como el tritio) se descomponen. El cuello de botella del deuterio en la formación de helio, junto con la falta de formas estables para que el helio se combine con el hidrógeno o consigo mismo (no hay núcleos estables con números de masa de cinco u ocho) significaba que una cantidad insignificante de carbono o cualquier elemento más pesado que el carbono, formado en el Big Bang. Por tanto, estos elementos requerían formación en estrellas. Al mismo tiempo, el fracaso de gran parte de la nucleogénesis durante el Big Bang aseguró que habría mucho hidrógeno disponible en el universo posterior para formar estrellas de larga vida, como nuestro Sol.

Abundancia

El deuterio se encuentra naturalmente en pequeñas cantidades como gas de deuterio, escrito ²
H
₂ o D₂, pero la mayoría de los átomos de deuterio que ocurren naturalmente en el Universo están unidos con un típico ¹
H
átomo para formar un gas llamado deuteruro de hidrógeno (HD o ¹
H
²
H
). De manera similar, el agua natural contiene trazas de moléculas deuteradas, casi todas como agua semipesada HDO con un solo átomo de deuterio.

La existencia de deuterio en la Tierra, en otras partes del Sistema Solar (como lo confirmaron las sondas planetarias) y en los espectros de las estrellas, también es un dato importante en cosmología. La radiación gamma de la fusión nuclear ordinaria disocia el deuterio en protones y neutrones, y no hay procesos naturales conocidos, aparte de la nucleosíntesis del Big Bang, que podrían haber producido deuterio en algo cercano a su abundancia natural observada. El deuterio se produce por la rara descomposición del cúmulo y la absorción ocasional de neutrones naturales por parte del hidrógeno ligero, pero estas son fuentes triviales. 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 crea deuterio. Sin embargo, el deuterio persiste en la atmósfera solar exterior en aproximadamente la misma concentración que en Júpiter, y esto probablemente no ha cambiado desde el origen del Sistema Solar. La abundancia natural de deuterio parece ser una fracción muy similar de hidrógeno, dondequiera que se encuentre hidrógeno, a menos que existan procesos obvios 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 de la teoría del Big Bang sobre la teoría del Estado Estacionario del Universo. Las proporciones observadas de hidrógeno a helio a deuterio en el universo son difíciles de explicar excepto con un modelo Big Bang. Se estima que la abundancia de deuterio no ha evolucionado significativamente desde su producción hace unos 13.800 millones de años. 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, que es solo un 15% por debajo de la proporción primordial estimada por WMAP de aproximadamente 27 átomos por millón de la Gran Golpe. Esto se ha interpretado en el sentido de que se ha destruido menos deuterio en la formación de estrellas en nuestra galaxia de lo esperado, o quizás el deuterio se ha reabastecido por una gran caída de hidrógeno primordial desde el exterior de la galaxia. En el espacio, a unos pocos cientos de años luz del Sol, la abundancia de deuterio es de solo 15 átomos por millón, pero este valor probablemente esté influenciado por la adsorción diferencial de deuterio en los granos de polvo de carbono en el espacio interestelar.

La sonda espacial Galileo ha medido directamente la abundancia de deuterio en la atmósfera de Júpiter en 26 átomos por millón de átomos de hidrógeno. Las observaciones de ISO-SWS encuentran 22 átomos por millón de átomos de hidrógeno en Júpiter. y se cree que esta abundancia representa una proporción cercana al sistema solar primordial. Esto es aproximadamente el 17% de la proporción terrestre de deuterio a hidrógeno de 156 átomos de deuterio por millón de átomos de hidrógeno.

Se ha medido que los cuerpos cometarios como el cometa Hale-Bopp y el cometa Halley contienen relativamente más deuterio (alrededor de 200 átomos D por millón de hidrógenos), proporciones que están enriquecidas con respecto a la supuesta proporción de nebulosa protosolar, probablemente debido al calentamiento, y que son similares a las proporciones que se encuentran en el agua de mar de la Tierra. La medición reciente de cantidades de deuterio de 161 átomos D 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, enfatiza la teoría de que el agua superficial de la Tierra puede ser en gran parte derivado de un cometa. Más recientemente, la relación deuterio-protio (D-H) de 67P/Churyumov-Gerasimenko, medida por Rosetta, es aproximadamente tres veces mayor que la del agua de la Tierra, una cifra que es alta. Esto ha provocado un interés renovado en las sugerencias de que el agua de la Tierra puede ser en parte de origen asteroidal.

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.

Producción

El deuterio se produce con fines industriales, científicos y militares, comenzando con agua común (una pequeña fracción de la cual es agua pesada natural) y luego separando el agua pesada mediante el proceso de sulfuro de Girdler, destilación u otros métodos..

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

El principal proveedor mundial de deuterio fue Atomic Energy of Canada Limited hasta 1997, cuando se cerró la última planta de agua pesada. Canadá utiliza agua pesada como moderador de neutrones para la operación del diseño del reactor CANDU.

Otro importante productor de agua pesada es la India. Todas menos una de las plantas de energía atómica de la India son plantas de agua pesada presurizadas, que utilizan uranio natural (es decir, no enriquecido). India tiene ocho plantas de agua pesada, de las cuales siete están en funcionamiento. Seis plantas, de las cuales cinco están en funcionamiento, se basan en el intercambio D–H en gas amoníaco. Las otras dos plantas extraen deuterio del agua natural en un proceso que utiliza gas de sulfuro de hidrógeno a alta presión.

Si bien India es autosuficiente en agua pesada para su propio uso, ahora también exporta agua pesada para reactores.

Propiedades

Datos de deuterio molecular

Fórmula: D₂ o 21H₂

• Densidad: 0,180 kg/m³ en STP (0 °C, 101.325 kPa).
• Peso atómico: 2.0141017926Da.
• La abundancia de agua oceánica (de VSMOW) 155,76 ± 0,1 ppm (una proporción de 1 parte por aproximadamente 6420 partes), es decir, aproximadamente 0,015% de los átomos en una muestra (por número, no peso)

Datos a aproximadamente 18 K para D₂ (punto triple):

• Densidad:
  • Líquido: 162,4 kg/m³
  • Gas: 0.452 kg/m³
• Viscosidad: 12.6 μPa·s a 300 K (Fase del gas)
• Capacidad de calor específica a presión constante c_p:
  • Sólido: 2950 J/(kg·K)
  • Gas: 5200 J/(kg·K)

Propiedades físicas

En comparación con el hidrógeno en su composición natural en la Tierra, el deuterio puro (D₂) 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).

Las propiedades físicas de los compuestos de deuterio pueden exhibir efectos isotópicos cinéticos significativos y otras diferencias de propiedades físicas y químicas con respecto a los análogos de protio. D2O, por ejemplo, es más viscoso que H2O. Químicamente, existen diferencias en la energía de enlace y la longitud de los compuestos de isótopos pesados de hidrógeno en comparación con el protio, que son mayores que las diferencias isotópicas en cualquier otro elemento. Los enlaces que involucran deuterio y tritio son algo más fuertes que los enlaces correspondientes en protium, y estas diferencias son suficientes para causar cambios significativos en las reacciones biológicas. Las empresas farmacéuticas están interesadas en el hecho de que el deuterio es más difícil de eliminar del carbono que el protio.

El deuterio puede reemplazar el protio en las moléculas de agua para formar agua pesada (D₂O), que es aproximadamente un 10,6 % más densa que el agua normal (de modo que el hielo hecho con él se hunde en el agua ordinaria). El agua pesada es ligeramente tóxica en animales eucariotas, con un 25% de sustitución del agua corporal que causa problemas de división celular y esterilidad, y un 50% de sustitución que causa la muerte por síndrome citotóxico (insuficiencia de la médula ósea y del revestimiento gastrointestinal). Los organismos procarióticos, sin embargo, pueden sobrevivir y crecer en agua pesada pura, aunque se desarrollan lentamente. A pesar de esta toxicidad, el consumo de agua pesada en circunstancias normales no representa una amenaza para la salud de los seres humanos. Se estima que una persona de 70 kg (154 lb) podría beber 4,8 litros (1,3 US gal) de agua pesada sin consecuencias graves. 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 usan habitualmente como marcadores metabólicos inofensivos en humanos y animales.

Propiedades cuánticas

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

El nucleón triplete deuterón apenas se une a E_B = 2,23 MeV, y ninguno de los estados de mayor energía está ligado. El deuterón singulete 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 de neutrones y protones, lo que explica la sección transversal de dispersión de neutrones inusualmente grande del protón.

Propiedades nucleares (el deuterón)

Masa y radio del deuterón

El núcleo del deuterio se llama deuterón. Tiene una masa de 2,013553 212745(40) Da (poco más de 1,875 GeV).

El radio de carga del deuterón es 2,127 99(74) fm.

Al igual que el radio del protón, las mediciones con deuterio muónico producen un resultado más pequeño: 2,12562(78) fm.

Spin y energía

El deuterio es uno de los únicos cinco nucleidos estables con un número impar de protones y un número impar de neutrones. (²
H
, 6Li, 10B, 14N, 180mTa; también, los nucleidos radiactivos de vida larga 40K, 50V, 138La, 176Lu ocurren naturalmente.) La mayoría de los núcleos impares son inestables con respecto a la desintegración beta, porque los productos de desintegración son pares-pares y, por lo tanto, están más fuertemente unidos debido a a los efectos de emparejamiento nuclear. El deuterio, sin embargo, se beneficia al tener su protón y neutrón acoplados a un estado de espín-1, lo que genera una atracción nuclear más fuerte; el estado de spin-1 correspondiente no existe en el sistema de dos neutrones o dos protones, debido al principio de exclusión de Pauli que requeriría que una u otra partícula idéntica con el mismo spin tuviera algún otro número cuántico diferente, como orbital momento angular. Pero el momento angular orbital de cualquiera de las partículas da una energía de enlace más baja para el sistema, principalmente debido al aumento de la distancia de las partículas en el fuerte gradiente de la fuerza nuclear. En ambos casos, esto hace que el núcleo de diprotones y dineutrones sea inestable.

El protón y el neutrón que componen el deuterio pueden disociarse mediante interacciones de corriente neutra con neutrinos. La sección transversal de esta interacción es comparativamente grande, y el deuterio se utilizó con éxito como objetivo de neutrinos en el experimento del Observatorio de neutrinos de Sudbury.

El deuterio diatómico (D₂) tiene isómeros de espín nuclear orto y para como el hidrógeno diatómico, pero con diferencias en el número y población de estados de espín y niveles de rotación, que se producen porque el deuterón es un bosón con espín nuclear igual a uno.

Estado de singlete isospín del deuterón

Debido a la similitud en la masa y las propiedades nucleares entre el protón y el neutrón, a veces se los considera como dos tipos simétricos del mismo objeto, un nucleón. Si bien solo el protón tiene carga eléctrica, esta suele ser insignificante debido a la debilidad de la interacción electromagnética en relación con la interacción nuclear fuerte. La simetría que relaciona el protón y el neutrón se conoce como isospín y se denota I (oa veces T).

Isospin es una simetría SU(2), como el espín ordinario, por lo que es completamente análoga. El protón y el neutrón, cada uno de los cuales tiene isospín-1⁄2, forman un doblete de isospín (análogo a un doblete de espín), con un "abajo" estado (↓) siendo un neutrón y un "arriba" estado (↑) siendo un protón. Un par de nucleones puede estar en un estado antisimétrico de isospín llamado singlete, o en un estado simétrico llamado triplete. En términos de "abajo" estado y "arriba" estado, la camiseta es

12()Silencio↑ ↑ ↓ ↓ .. − − Silencio↓ ↓ ↑ ↑ .. ).{displaystyle {frac {1}{sqrt {2}} {Big (} sobrevivir {uparrow downarrow }rangle - sobrevivir {downarrow uparrow }rangle {Big)}.}, que también se puede escribir:12()Silenciopn.. − − Silencionp.. ).{displaystyle {frac {1}{sqrt {2}}{Big (}Principalidad - perpetuanprangle {Big)}}

Este es un núcleo con un protón y un neutrón, es decir, un núcleo de deuterio. el triplete es

()Silencio↑ ↑ ↑ ↑ .. 12()Silencio↑ ↑ ↓ ↓ .. +Silencio↓ ↓ ↑ ↑ .. )Silencio↓ ↓ ↓ ↓ .. ){displaystyle left {begin{array} {uparrow uparrow }rangle \{frac} {1}{sqrt {2}} {fncipiente {uparrow downarrow }rangle + sobreviviente {downarrow uparrow }rangle)\fnción{downarrow downarrow }rangle end{array}right)}}

y, por lo tanto, consta de tres tipos de núcleos, que se supone que son simétricos: un núcleo de deuterio (en realidad, un estado altamente excitado), un núcleo con dos protones y un núcleo con dos neutrones. Estos estados no son estables.

Función de onda aproximada del deuterón

La función de onda del deuterón debe ser antisimétrica si se usa la representación isospín (dado que un protón y un neutrón no son partículas idénticas, la función de onda no necesita ser antisimétrica en general). Además de su isospin, los dos nucleones también tienen distribuciones espaciales y de espín de su función de onda. Este último es simétrico si el deuterón es simétrico en paridad (es decir, tiene una paridad 'par' o 'positiva'), y antisimétrico si el deuterón es antisimétrico en paridad (es decir, tiene una paridad ' 34;paridad impar o 'negativa'). La paridad está completamente determinada por el momento angular orbital total de los dos nucleones: si es par, entonces la paridad es par (positiva), y si es impar, entonces la paridad es impar (negativa).

El deuterón, al ser un singlete de isospín, es antisimétrico bajo el intercambio de nucleones debido al isospín, y por lo tanto debe ser simétrico bajo el doble intercambio de su espín y ubicación. Por lo tanto, puede estar en cualquiera de los siguientes dos estados diferentes:

• Espina simétrica y simétrica bajo paridad. En este caso, el intercambio de los dos núcleos multiplicará la función de onda deuterio por (−1) a partir del intercambio de isospinas (+1) a partir del intercambio de giro y (+1) a partir de la paridad (intercambio de ubicación), por un total de (−1) según sea necesario para la antisimetría.
• Espina antisimétrica y antisimétrica bajo paridad. En este caso, el intercambio de los dos núcleos multiplicará la función de onda deuterio por (−1) a partir del intercambio de isospinas (−1) a partir del intercambio de columnas y (−1) a partir de la paridad (intercambio de ubicación), de nuevo por un total de (−1) según sea necesario para la antisimetría.

En el primer caso, el deuterón es un triplete de espín, por lo que su espín total s es 1. También tiene una paridad par y, por lo tanto, un momento angular orbital par l; Cuanto menor sea su momento angular orbital, menor será su energía. Por lo tanto, el estado de energía más bajo posible tiene s = 1, l = 0.

En el segundo caso, el deuterón es un singlete de espín, por lo que su espín total s es 0. También tiene una paridad impar y, por lo tanto, un momento angular orbital impar l. Por lo tanto, el estado de energía más bajo posible tiene s = 0, l = 1.

Dado que s = 1 produce una atracción nuclear más fuerte, el estado fundamental del deuterio está en s = 1, l = 0 estado.

Las mismas consideraciones conducen a los posibles estados de un triplete isospín que tiene s = 0, l = par o s = 1, l = impar. Así, el estado de menor energía tiene s = 1, l = 1, más alto que el del singlete isospin.

El análisis que se acaba de dar es, de hecho, solo aproximado, porque el isospín no es una simetría exacta y, lo que es más importante, porque la fuerte interacción nuclear entre los dos nucleones está relacionada con el momento angular en la interacción espín-órbita que mezcla diferentes estados s y l. Es decir, s y l no son constantes en el tiempo (no conmutan con el hamiltoniano), y con el tiempo un estado como s = 1, l = 0 puede convertirse en un estado de s = 1, l = 2. La paridad sigue siendo constante en el tiempo, por lo que no se mezclan con estados impares l (como s = 0, l = 1). Por lo tanto, el estado cuántico del deuterio es una superposición (una combinación lineal) de las s = 1, l = 0 estado y s = 1, l = 2 estado, aunque el primer componente es mucho más grande. Dado que el momento angular total j también es un buen número cuántico (es una constante en el tiempo), ambas componentes deben tener el mismo j y, por lo tanto, j = 1. Este es el espín total del núcleo de deuterio.

Para resumir, el núcleo de deuterio es antisimétrico en términos de isospín y tiene paridad de espín 1 e incluso (+1). El momento angular relativo de sus nucleones l no está bien definido, y el deuterón es una superposición de mayoritariamente l = 0 con algo de l = 2.

Multipolos magnéticos y eléctricos

Para encontrar teóricamente el momento dipolar magnético de deuterio μ, se usa la fórmula para un momento magnético nuclear

μ μ =1j+1.()l,s),j,mj=jSilencioμ μ → → ⋅ ⋅ ȷ ȷ → → Silencio()l,s),j,mj=j.{bigllangle }(l,s),j,m_{j}{,{bigr Н},{bigr Н},{bigr Н},{vec {mu }cdot {jmath },{bigl } {i} {g} {cccccccccccccccccccccccccccccccH00cccH00cH00cccccH00ccccccH00}cccccH00cH00cH00}cH00}cH00}ccH00cccH00cccH00}ccc

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g^(l) y g^(s) son factores g de los nucleones.

Puesto que el protón y el neutron tienen valores diferentes para g^()l) y g^()s), uno debe separar sus contribuciones. Cada uno obtiene la mitad del impulso angular del deuterio l→ → {displaystyle {vec}} y vuelta s→ → {displaystyle {vec}}. Uno llega a

μ μ =1j+1.()l,s),j,mj=jSilencio()12l→ → g()l)p+12s→ → ()g()s)p+g()s)n))⋅ ⋅ ȷ ȷ → → Silencio()l,s),j,mj=j.{displaystyle mu ={frac {1}{j+1}{Bigl langle }(l,s),j,m_{j}{=}j,{\ Más grande que nunca. {1}{2}{vec} {g} {c} {c}}} {f}}} {f} {f}} {f}}} {f}} {f} {fnK}}} {f}} {f}} {f} {f}}} {f}}}} {f}} {f}}} {f}}}}} {f}}}}} {f} {f}}}}} {f}}} {f}} {f} {f} {f} {f} {f}f}}}}}}}f}f}}}}f} {f} {f} {f} {f}}f}} {f} {f}f}f}}f}f}}}}}}}}f}f}f}f}f}f}}}}}}}}} {2} {fn} {fn} {fn}}p} {fn} {fn} {cH00}}} {cH00}}} {fn}} {fn}}}}} {fn} {ccH00}}}} {cH00}}}} {c}}}}}}}} {cH}}}}}}}}}} {cH}}}} {cH}}}}}} {c}}}}}}}} {c}}}}} {cc}} {p}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {c} {p} {c}}}}}}}}}}} {p} {p} {p}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {c}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {fnMicrosoft Sans Serif}, {fnMicrosoft Sans Serif},(l,s),j,m_{j}{=}j{ Más grande.

donde los subíndices p y n representan el protón y el neutrón, y g^(l)_n = 0.

Usando las mismas identidades que aquí y usando el valor g^(l)_p = 1, llegamos en el siguiente resultado, en unidades del magnetón nuclear μ_N

μ μ =14()j+1)[()g()s)p+g()s)n)()j()j+1)− − l()l+1)+s()s+1))+()j()j+1)+l()l+1)− − s()s+1))]{fnMicrosoft Sans Serif} {fn]} {fn} {fn} {fn} {g}g} {g} {g}}n}} {bign} {big} {bign}} {gn}gcccH00cH00}}}cccccccccccccH00ccccH00cH00cH00cH00cccH00ccH00ccH00cH00cH00cccH00cH00}ccccccccccH00cH00cH00cH00cH00cH00}}}}cH00ccH00cH00cH00}}}ccH

Para las s = 1, l = 0 estado (j = 1), obtenemos

μ μ =12()g()s)p+g()s)n)=0.879{displaystyle mu ={2}({g^{(s)}_{p}+{g^{(s)}}_{n})=0.879}

Para los s = 1, l = 2 estado (j = 1), obtenemos

μ μ =− − 14()g()s)p+g()s)n)+34=0.310{displaystyle mu =-{4}({g^{(s)}_{p}+{g^{(s)}}_{n})+{frac {3}{4}=0.310}

El valor medido del momento dipolar magnético de deuterio es 0,857 μ_N, que es el 97,5 % del 0,879 μ_N valor obtenido simplemente sumando los momentos del protón y el neutrón. Esto sugiere que el estado del deuterio es de hecho una buena aproximación s = 1, l = 0 estado, que ocurre cuando ambos nucleones giran en la misma dirección, pero sus momentos magnéticos se restan debido al momento negativo del neutrón.

Pero el número experimental ligeramente más bajo que el que resulta de la simple suma de momentos de protones y neutrones (negativos) muestra que el deuterio es en realidad una combinación lineal de principalmente s = 1, l = 0 estado con una ligera mezcla de s = 1, l = 2 estado.

El dipolo eléctrico es cero como de costumbre.

El cuadrupolo eléctrico medido del deuterio es 0,2859 e·fm². Si bien el orden de magnitud es razonable, dado que el radio del deuterio es del orden de 1 femtómetro (ver más abajo) y su carga eléctrica es e, el modelo anterior no es suficiente para su cálculo. Más específicamente, el cuadrupolo eléctrico no recibe una contribución del estado l =0 (que es el dominante) y sí recibe una contribución de un término que mezcla el l = 0 y los estados l =2, porque el operador del cuadrupolo eléctrico no conmuta con el momento angular.

La última contribución es dominante en ausencia de una contribución l = 0 pura, pero no se puede calcular sin conocer la forma espacial exacta de la función de onda de los nucleones dentro del deuterio.

El modelo anterior no puede calcular los momentos multipolares magnéticos y eléctricos más altos, por razones similares.

Aplicaciones

El deuterio tiene varios usos comerciales y científicos. Éstas incluyen:

Reactores nucleares

Deuterio ionizado en un reactor de fusor que emite su característico resplandor rosado

El deuterio se utiliza en reactores de fisión moderados por agua pesada, generalmente como D₂O líquido, para retardar los neutrones sin la alta absorción de neutrones del hidrógeno común. Este es un uso comercial común para grandes cantidades de deuterio.

En los reactores de investigación, el D₂ líquido se utiliza en fuentes frías para moderar los neutrones a energías muy bajas y longitudes de onda apropiadas para experimentos de dispersión.

Experimentalmente, el deuterio es el nucleido más común utilizado en los diseños de reactores de fusión nuclear, especialmente en combinación con tritio, debido a la gran velocidad de reacción (o sección transversal nuclear) y el alto rendimiento energético de la reacción D-T. Hay una reacción de fusión D–3He de rendimiento aún mayor, aunque el punto de equilibrio de D–³
Él
es mayor que la de la mayoría de las demás reacciones de fusión; junto con la escasez de ³
He
, esto lo hace inverosímil como fuente de energía práctica hasta que al menos las reacciones de fusión D-T y D-D se hayan realizado a escala comercial. La fusión nuclear comercial aún no es una tecnología consumada.

Espectroscopía de RMN

espectro de emisiones de una lámpara de arco de deuterio ultravioleta

El deuterio se usa más comúnmente en la espectroscopia de resonancia magnética nuclear de hidrógeno (NMR de protones) de la siguiente manera. Normalmente, la RMN 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 muy diferenciables de los del deuterio y, en la práctica, el deuterio no se 've'. por un instrumento de RMN sintonizado para hidrógeno ligero. Por lo tanto, los disolventes deuterados (incluida el agua pesada, pero también compuestos como el cloroformo deuterado, CDCl₃) se utilizan de forma rutinaria en la espectroscopia de RMN, para permitir medir solo los espectros de hidrógeno ligero del compuesto de interés., sin interferencia de señal de solvente.

La espectroscopia de resonancia magnética nuclear también se puede utilizar para obtener información sobre el entorno del deuterón en muestras marcadas isotópicamente (RMN de deuterio). Por ejemplo, la configuración de las cadenas hidrocarbonadas en las bicapas lipídicas se puede cuantificar utilizando RMN de deuterio en estado sólido con moléculas lipídicas marcadas con deuterio.

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

Rastreo

En química, bioquímica y ciencias ambientales, el deuterio se usa como un trazador isotópico estable no radiactivo, por ejemplo, en la prueba de agua doblemente marcada. En las reacciones químicas y las rutas metabólicas, el deuterio se comporta de manera similar al hidrógeno común (con algunas diferencias químicas, como se señaló). Se puede distinguir del hidrógeno ordinario más fácilmente por su masa, usando 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; Las vibraciones del enlace deuterio-carbono se encuentran en regiones espectrales libres de otras señales.

Las mediciones de pequeñas variaciones en las abundancias naturales de deuterio, junto con las de los isótopos estables de oxígeno pesado ¹⁷O y ¹⁸O, son de importancia en hidrología, para trazar el origen geográfico de las aguas de la Tierra. Los isótopos pesados de hidrógeno y oxígeno en el agua de lluvia (llamada agua meteórica) se enriquecen en función de la temperatura ambiental de la región en la que cae la precipitación (y por lo tanto el enriquecimiento está relacionado con la latitud media). El enriquecimiento relativo de los isótopos pesados en el agua de lluvia (como se hace referencia al agua oceánica media), cuando se grafica contra la temperatura, cae de manera predecible a lo largo de una línea llamada línea de agua meteórica global (GMWL). Este gráfico permite identificar muestras de agua originada por precipitaciones junto con información general sobre el clima en el que se originó. Los procesos de evaporación y otros en cuerpos de agua, y también los procesos de aguas subterráneas, también alteran diferencialmente las proporciones de isótopos pesados de hidrógeno y oxígeno en aguas dulces y saladas, en formas características y, a menudo, regionalmente distintivas. La relación de concentración de ²H a ¹H generalmente se indica con un delta como δ²H 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.

Propiedades de contraste

Las técnicas de dispersión de neutrones se benefician especialmente de la disponibilidad de muestras deuteradas: las secciones transversales H y D son muy distintas y tienen un signo diferente, lo que permite la variación del contraste en tales experimentos. Además, un problema molesto del hidrógeno ordinario es su gran sección eficaz de neutrones incoherentes, que es nula para D. La sustitución de átomos de hidrógeno por átomos de deuterio reduce así el ruido de dispersión.

El hidrógeno es un componente importante y principal en todos los materiales de la química orgánica y las ciencias de la vida, pero apenas interactúa con los rayos X. Como el hidrógeno (y el deuterio) interactúan fuertemente con los neutrones, las técnicas de dispersión de neutrones, junto con una instalación moderna de deuteración, llenan un nicho en muchos estudios de macromoléculas en biología y muchas otras áreas.

Armas nucleares

Esto se analiza a continuación. Es notable que aunque la mayoría de las estrellas, incluido el Sol, generan energía durante la mayor parte de sus vidas fusionando hidrógeno en elementos más pesados, tal 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 que se produce en las llamadas bombas de hidrógeno, requiere hidrógeno pesado (ya sea tritio o deuterio, o ambos) para que el proceso funcione.

Drogas

Un fármaco deuterado es un medicamento de molécula pequeña en el que uno o más de los átomos de hidrógeno contenidos en la molécula del fármaco han sido reemplazados por deuterio. Debido al efecto del isótopo cinético, los medicamentos que contienen deuterio pueden tener tasas de metabolismo significativamente más bajas y, por lo tanto, una vida media más prolongada. En 2017, la deutetrabenazina se convirtió en el primer fármaco deuterado en recibir la aprobación de la FDA.

Nutrientes esenciales reforzados

El deuterio se puede usar para reforzar enlaces C-H específicos vulnerables a la oxidación dentro de nutrientes esenciales o condicionalmente esenciales, como ciertos aminoácidos o ácidos grasos poliinsaturados (PUFA), 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. 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.

Termoestabilización

Las vacunas vivas, como la vacuna oral contra el poliovirus, se pueden estabilizar con deuterio, ya sea solo o en combinación con otros estabilizadores como el MgCl2.

Disminución de las oscilaciones circadianas

Se ha demostrado que el deuterio alarga el período de oscilación del reloj circadiano cuando se dosifica en ratas, hámsters y dinoflagelados Gonyaulax. En ratas, la ingesta crónica de 25 % de D₂O interrumpe el ritmo circadiano al alargar el período circadiano de los ritmos dependientes del núcleo supraquiasmático en el hipotálamo del cerebro. Los experimentos en hámsters también respaldan la teoría de que el deuterio actúa directamente sobre el núcleo supraquiasmático para alargar el período circadiano de funcionamiento libre.

Historia

Sospecha de isótopos de elementos más ligeros

La existencia de isótopos no radiactivos de elementos ligeros se sospechaba en estudios de neón desde 1913 y se demostró mediante espectrometría de masas de elementos ligeros en 1920. En ese momento aún no se había descubierto el neutrón y la teoría predominante era que los isótopos de un elemento se diferencian por la existencia de protones adicionales en el núcleo acompañados de un número igual de electrones nucleares. En esta teoría, el núcleo de deuterio con masa dos y carga uno contendría dos protones y un electrón nuclear. Sin embargo, se esperaba que el elemento hidrógeno con una masa atómica promedio medida muy cercana a 1 Da, la masa conocida del protón, siempre tiene un núcleo compuesto por un solo protón (una partícula conocida), y no podría contener un segundo protón. Por lo tanto, se pensaba que el hidrógeno no tenía isótopos pesados.

Deuterio detectado

Harold Urey, descubridor del deuterio

Se detectó espectroscópicamente por primera vez a finales de 1931 por Harold Urey, químico de la Universidad de Columbia. El colaborador de Urey, Ferdinand Brickwedde, destiló cinco litros de hidrógeno líquido producido criogénicamente hasta 1 mL de líquido, utilizando el laboratorio de física de baja temperatura que se había establecido recientemente en la Oficina Nacional de Normas en Washington, D.C. (ahora el Instituto Nacional de Normas y Tecnología). La técnica se había utilizado previamente para aislar isótopos pesados de neón. La técnica de ebullición criogénica concentró la fracción del isótopo de hidrógeno de masa 2 en un grado que hizo que su identificación espectroscópica fuera inequívoca.

Denominación del isótopo y Premio Nobel

Urey creó los nombres protium, deuterio y tritium en un artículo publicado en 1934. El nombre se basa en parte en el consejo de G. N. Lewis, quien había propuesto el nombre "deutium". El nombre se deriva del griego deuteros ('segundo'), y el núcleo se llamará "deuteron" o "deutón". Los isótopos y los nuevos elementos recibieron tradicionalmente el nombre que decidió su descubridor. Algunos científicos británicos, como Ernest Rutherford, querían que el isótopo se llamara "diplogen", del griego diploos ('doble'), y el núcleo se llamaría "diplon".

La cantidad inferida para la abundancia normal de este isótopo pesado de hidrógeno era tan pequeña (solo alrededor de 1 átomo en 6400 átomos de hidrógeno en el agua del océano (156 deuterio por millón de hidrógenos)) que no había afectado notablemente las mediciones anteriores de (promedio) masa atómica del hidrógeno. Esto explicaba por qué no se había sospechado experimentalmente antes. Urey pudo concentrar agua para mostrar un enriquecimiento parcial de deuterio. Lewis había preparado las primeras muestras de agua pesada pura en 1933. El descubrimiento del deuterio, que se produjo antes del descubrimiento del neutrón en 1932, fue un shock experimental para la teoría, pero cuando se informó del neutrón, la existencia del deuterio se hizo más evidente. explicable, el deuterio le valió a Urey el Premio Nobel de Química en 1934. Lewis estaba amargado por haber sido pasado por alto por este reconocimiento otorgado a su antiguo alumno.

"Agua pesada" experimentos en la Segunda Guerra Mundial

Poco antes de la guerra, Hans von Halban y Lew Kowarski trasladaron su investigación sobre la moderación de neutrones de Francia a Gran Bretaña, pasando de contrabando todo el suministro mundial de agua pesada (que se había fabricado en Noruega) en veintiséis bidones de acero.

Durante la Segunda Guerra Mundial, se sabía que la Alemania nazi realizaba experimentos utilizando agua pesada como moderador para el diseño de un reactor nuclear. Tales experimentos eran una fuente de preocupación porque podrían permitirles producir plutonio para una bomba atómica. En última instancia, condujo a la operación aliada llamada 'sabotaje de agua pesada noruega', cuyo propósito era destruir la instalación de producción/enriquecimiento de deuterio de Vemork en Noruega. En ese momento, esto se consideró importante para el progreso potencial de la guerra.

Después de que terminó la Segunda Guerra Mundial, los Aliados descubrieron que Alemania no estaba poniendo tanto esfuerzo serio en el programa como se había pensado anteriormente. Los alemanes habían completado solo un pequeño reactor experimental parcialmente construido (que había estado escondido) y no habían podido sostener una reacción en cadena. Al final de la guerra, los alemanes no tenían ni siquiera una quinta parte de la cantidad de agua pesada necesaria para hacer funcionar el reactor, en parte debido a la operación de sabotaje de agua pesada noruega. Sin embargo, incluso si los alemanes hubieran logrado poner en funcionamiento un reactor (como lo hicieron los EE. UU. con Chicago Pile-1 a fines de 1942), todavía habrían estado al menos varios años antes del desarrollo de una bomba atómica. El proceso de ingeniería, incluso con el máximo esfuerzo y financiación, requirió aproximadamente dos años y medio (desde el primer reactor crítico hasta la bomba) tanto en EE. UU. como en la URSS, por ejemplo.

En armas termonucleares

El casquillo de dispositivo "Sausage" de la bomba Ivy Mike H, apegado a instrumentación y equipo criogénico. La bomba de 20 pies de altura mantuvo un frasco criogénico de Dewar con espacio para 160 kg de deuterio líquido.

El dispositivo Ivy Mike de 62 toneladas construido por los Estados Unidos y que explotó el 1 de noviembre de 1952 fue la primera "bomba de hidrógeno" (bomba termonuclear). En este contexto, fue la primera bomba en la que la mayor parte de la energía liberada provino de etapas de reacción nuclear que siguieron a la etapa de fisión nuclear primaria de la bomba atómica. La bomba Ivy Mike era un edificio parecido a una fábrica, en lugar de un arma entregable. En su centro, un matraz de vacío o criostato aislado, cilíndrico y muy grande, contenía deuterio líquido criogénico en un volumen de unos 1000 litros (160 kilogramos de masa, si este volumen se hubiera llenado por completo). Luego, se usó una bomba atómica convencional (la 'primaria') en un extremo de la bomba para crear las condiciones de temperatura y presión extremas que se necesitaban para desencadenar la reacción termonuclear.

Dentro de unos años, los llamados "seco" Se desarrollaron bombas de hidrógeno que no necesitaban 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, y 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 involucran rápidamente en la fusión termonuclear, liberando abundante energía, helio-4 e incluso más neutrones libres.. "Puro" Se cree que las armas de fusión como la Tsar Bomba están obsoletas. En la mayoría de las armas termonucleares modernas ('reforzadas'), la fusión proporciona directamente solo una pequeña fracción de la energía total. La fisión de un tamper de uranio natural U-238 por neutrones rápidos producidos a partir de la fusión D-T representa una liberación de energía mucho mayor (es decir, aumentada) que la propia reacción de fusión.

Investigación moderna

En agosto de 2018, los científicos anunciaron la transformación del deuterio gaseoso en una forma metálica líquida. Esto puede ayudar a los investigadores a comprender mejor los planetas gaseosos gigantes, como Júpiter, Saturno y exoplanetas relacionados, ya que se cree que estos planetas contienen una gran cantidad de hidrógeno metálico líquido, que puede ser responsable de los poderosos campos magnéticos observados.

Antideuterio

Un antideuterón es la contraparte de antimateria del núcleo de deuterio, que consta de un antiprotón y un antineutrón. El antideuterón se produjo por primera vez en 1965 en el Proton Synchrotron del CERN y en el Alternating Gradient Synchrotron del Brookhaven National Laboratory. Un átomo completo, con un positrón orbitando alrededor del núcleo, se llamaría antideuterio, pero a partir de 2019 aún no se ha creado antideuterio. El símbolo propuesto para el antideuterio es
D
, es decir, D con una barra superior.