Deutério

format_list_bulleted Contenido keyboard_arrow_down

ImprimirCitar

Isótopo de hidrogênio com um nêutron

Deutério (ou hidrogênio-2, símbolo ²
H
ou D, também conhecido como hidrogênio pesado) é um dos dois isótopos estáveis de hidrogênio (o outro sendo protium, ou hidrogênio-1). O núcleo de um átomo de deutério, chamado de deuteron, contém um próton e um nêutron, enquanto o prótio, muito mais comum, não possui nêutrons no núcleo. O deutério tem uma abundância natural nos oceanos da Terra de cerca de um átomo de deutério entre cada 6.420 átomos de hidrogênio (veja água pesada). Assim, o deutério representa aproximadamente 0,0156% em número (0,0312% em massa) de todo o hidrogênio que ocorre naturalmente nos oceanos, enquanto o prótio representa mais de 99,98%. A abundância de deutério muda ligeiramente de um tipo de água natural para outro (consulte Água Oceânica Média Padrão de Viena). (O trítio é outro isótopo de hidrogênio com o símbolo ³
H
ou T. Tem dois nêutrons e é radioativo e muito mais raro que o deutério.)

O nome deutério é derivado do grego deuteros, significando "segundo", para denotar as duas partículas que compõem o núcleo. O deutério foi descoberto pelo químico americano Harold Urey em 1931. Urey e outros produziram amostras de água pesada na qual o teor de deutério estava altamente concentrado. A descoberta do deutério rendeu a Urey um Prêmio Nobel em 1934.

O deutério é destruído no interior das estrelas mais rapidamente do que é produzido. Acredita-se que outros processos naturais produzam apenas uma quantidade insignificante de deutério. Quase todo o deutério encontrado na natureza foi produzido no Big Bang há 13,8 bilhões de anos, já que a proporção básica ou primordial de hidrogênio-1 para deutério (cerca de 26 átomos de deutério por milhão de átomos de hidrogênio) tem sua origem nessa época. Essa é a proporção encontrada nos planetas gigantes gasosos, como Júpiter. A análise das proporções deutério-prótio em cometas encontrou resultados muito semelhantes à proporção média nos oceanos da Terra (156 átomos de deutério por milhão de átomos de hidrogênio). Isso reforça as teorias de que grande parte da água oceânica da Terra é de origem cometária. A proporção deutério-prótio do cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko, medida pela sonda espacial Rosetta, é cerca de três vezes maior que a da água da Terra. Este valor é o mais alto já medido em um cometa.

As proporções deutério-prótio continuam a ser um tópico ativo de pesquisa em astronomia e climatologia.

Diferenças do hidrogênio comum (prótio)

Símbolo químico

Tubo de descarga de deutério

O deutério é freqüentemente representado pelo símbolo químico D. Como é um isótopo de hidrogênio com número de massa 2, também é representado por ²
H
. A IUPAC permite D e ²
H
, embora ²
H
é o preferido. Um símbolo químico distinto é usado por conveniência devido ao uso comum do isótopo em vários processos científicos. Além disso, sua grande diferença de massa com protium (¹H) (deutério tem uma massa de 2.014102 u, em comparação com o peso atômico médio de hidrogênio de 1.007947 u e massa do protium de 1.007825 u) confere dissimilaridades químicas não negligenciáveis com compostos contendo prótio, enquanto as proporções de peso de isótopos dentro de outros elementos químicos são amplamente insignificantes a esse respeito.

Espectroscopia

Na mecânica quântica, os níveis de energia dos elétrons nos átomos dependem da massa reduzida do sistema de elétron e núcleo. Para o átomo de hidrogênio, o papel da massa reduzida é visto de maneira mais simples no modelo do átomo de Bohr, onde a massa reduzida aparece em um cálculo simples da constante de Rydberg e da equação de Rydberg, mas a massa reduzida também aparece na equação de Schrödinger, e a equação de Dirac para calcular os níveis de energia atômica.

A massa reduzida do sistema nessas equações é próxima à massa de um único elétron, mas difere dela por uma pequena quantidade aproximadamente igual à razão entre a massa do elétron e o núcleo atômico. Para o hidrogênio, essa quantidade é de cerca de 1837/1836, ou 1,000545, e para deutério é ainda menor: 3671/3670, ou 1.0002725. As energias das linhas espectroscópicas para deutério e hidrogênio leve (hidrogênio-1) diferem, portanto, pelas proporções desses dois números, que é 1,000272. Os comprimentos de onda de todas as linhas espectroscópicas de deutério são mais curtos do que as linhas correspondentes de hidrogênio leve, por um fator de 1,000272. Na observação astronômica, isso corresponde a um deslocamento Doppler azul de 0,000272 vezes a velocidade da luz, ou 81,6 km/s.

As diferenças são muito mais pronunciadas em espectroscopia vibracional, como espectroscopia de infravermelho e espectroscopia Raman, e em espectros rotacionais, como espectroscopia de micro-ondas, porque a massa reduzida do deutério é marcadamente maior que a do prótio. Na espectroscopia de ressonância magnética nuclear, o deutério tem uma frequência de NMR muito diferente (por exemplo, 61 MHz quando o prótio está a 400 MHz) e é muito menos sensível. Solventes deuterados são geralmente usados em prótio NMR para evitar que o solvente se sobreponha ao sinal, embora deutério NMR por si só também seja possível.

Nucleossíntese do Big Bang

Acredita-se que o deutério tenha desempenhado um papel importante na definição do número e das proporções dos elementos que foram formados no Big Bang. Combinando a termodinâmica e as mudanças provocadas pela expansão cósmica, pode-se calcular a fração de prótons e nêutrons com base na temperatura no ponto em que o universo esfriou o suficiente para permitir a formação de núcleos. Esse cálculo indica sete prótons para cada nêutron no início da nucleogênese, proporção que permaneceria estável mesmo após o término da nucleogênese. Essa fração era inicialmente favorável aos prótons, principalmente porque a massa menor do próton favorecia sua produção. À medida que o Universo se expandia, ele esfriava. Os nêutrons e prótons livres são menos estáveis que os núcleos de hélio, e os prótons e nêutrons tiveram uma forte razão energética para formar o hélio-4. No entanto, a formação de hélio-4 requer a etapa intermediária de formação de deutério.

Durante a maior parte dos poucos minutos após o Big Bang durante o qual a nucleossíntese poderia ter ocorrido, a temperatura era alta o suficiente para que a energia média por partícula fosse maior do que a energia de ligação do deutério fracamente ligado; portanto, qualquer deutério formado foi imediatamente destruído. Essa situação é conhecida como gargalo do deutério. O gargalo atrasou a formação de qualquer hélio-4 até que o Universo esfriasse o suficiente para formar deutério (a uma temperatura equivalente a 100 keV). Neste ponto, houve uma explosão repentina de formação de elementos (primeiro deutério, que imediatamente se fundiu em hélio). No entanto, muito pouco tempo depois, vinte minutos após o Big Bang, o Universo tornou-se muito frio para qualquer outra fusão nuclear e nucleossíntese ocorrer. Neste ponto, as abundâncias elementares foram quase fixas, com a única mudança como alguns dos produtos radioativos da nucleossíntese do Big Bang (como o trítio) decaem. O gargalo do deutério na formação do hélio, juntamente com a falta de formas estáveis para o hélio se combinar com o hidrogênio ou consigo mesmo (não há núcleos estáveis com números de massa de cinco ou oito) significava que uma quantidade insignificante de carbono, ou quaisquer elementos mais pesado que o carbono, formado no Big Bang. Esses elementos, portanto, exigiam formação em estrelas. Ao mesmo tempo, o fracasso de grande parte da nucleogênese durante o Big Bang garantiu que haveria bastante hidrogênio no universo posterior disponível para formar estrelas de vida longa, como o nosso Sol.

Abundância

O deutério ocorre em quantidades vestigiais naturalmente como gás deutério, escrito ²
H
₂ ou D₂, mas a maioria dos átomos de deutério que ocorrem naturalmente no Universo estão ligados a um típico ¹
H
para formar um gás chamado deutereto de hidrogênio (HD ou ¹
H
²
H
). Da mesma forma, a água natural contém vestígios de moléculas deuteradas, quase todas como água semipesada HDO com apenas um átomo de deutério.

A existência de deutério na Terra, em outras partes do Sistema Solar (como confirmado por sondas planetárias) e nos espectros das estrelas também é um dado importante na cosmologia. A radiação gama da fusão nuclear comum dissocia o deutério em prótons e nêutrons, e não há processos naturais conhecidos além da nucleossíntese do Big Bang que possam ter produzido deutério em algo próximo de sua abundância natural observada. O deutério é produzido pelo raro decaimento do aglomerado e absorção ocasional de nêutrons que ocorrem naturalmente pelo hidrogênio leve, mas essas são fontes triviais. Acredita-se que haja pouco deutério no interior do Sol e de outras estrelas, pois nessas temperaturas as reações de fusão nuclear que consomem o deutério acontecem muito mais rapidamente do que a reação próton-próton que cria o deutério. No entanto, o deutério persiste na atmosfera solar externa aproximadamente na mesma concentração que em Júpiter, e isso provavelmente não mudou desde a origem do Sistema Solar. A abundância natural de deutério parece ser uma fração muito semelhante de hidrogênio, onde quer que o hidrogênio seja encontrado, a menos que haja processos óbvios em ação que o concentrem.

A existência de deutério em uma fração primordial baixa, mas constante, em todo o hidrogênio é outro dos argumentos a favor da teoria do Big Bang sobre a teoria do estado estacionário do Universo. As proporções observadas de hidrogênio para hélio e deutério no universo são difíceis de explicar, exceto com um modelo do Big Bang. Estima-se que as abundâncias de deutério não tenham evoluído significativamente desde sua produção há cerca de 13,8 bilhões de anos. As medições do deutério galáctico da Via Láctea a partir da análise espectral ultravioleta mostram uma proporção de até 23 átomos de deutério por milhão de átomos de hidrogênio em nuvens de gás não perturbadas, que é apenas 15% abaixo da proporção primordial estimada pelo WMAP de cerca de 27 átomos por milhão do Big Bang. Isso foi interpretado como significando que menos deutério foi destruído na formação de estrelas na galáxia da Via Láctea do que o esperado, ou talvez o deutério tenha sido reabastecido por uma grande queda de hidrogênio primordial de fora da galáxia. No espaço a algumas centenas de anos-luz do Sol, a abundância de deutério é de apenas 15 átomos por milhão, mas esse valor é presumivelmente influenciado pela adsorção diferencial de deutério em grãos de poeira de carbono no espaço interestelar.

A abundância de deutério na atmosfera de Júpiter foi medida diretamente pela sonda espacial Galileo como 26 átomos por milhão de átomos de hidrogênio. As observações ISO-SWS encontram 22 átomos por milhão de átomos de hidrogênio em Júpiter. e acredita-se que essa abundância esteja próxima da proporção primordial do Sistema Solar. Isso é cerca de 17% da razão deutério-para-hidrogênio terrestre de 156 átomos de deutério por milhão de átomos de hidrogênio.

Corpos cometários como o cometa Hale-Bopp e o cometa Halley foram medidos para conter relativamente mais deutério (cerca de 200 átomos D por milhão de hidrogênios), proporções que são enriquecidas em relação à suposta proporção de nebulosa protosolar, provavelmente devido ao aquecimento, e que são semelhantes às proporções encontradas na água do mar da Terra. A medição recente de quantidades de deutério de 161 átomos D por milhão de hidrogênio no cometa 103P/Hartley (um antigo objeto do cinturão de Kuiper), uma proporção quase exatamente igual à dos oceanos da Terra, enfatiza a teoria de que a água da superfície da Terra podem ser em grande parte derivados de cometas. Mais recentemente, a proporção deutério-prócio (D-H) de 67P/Churyumov-Gerasimenko, conforme medido por Rosetta, é cerca de três vezes maior que a da água da Terra, um valor alto. Isso causou interesse renovado em sugestões de que a água da Terra pode ser parcialmente de origem asteroidal.

O deutério também foi observado concentrado sobre a abundância solar média em outros planetas terrestres, em particular Marte e Vênus.

Produção

O deutério é produzido para fins industriais, científicos e militares, começando com água comum - uma pequena fração da qual é água pesada natural - e depois separando a água pesada pelo processo de sulfeto de Girdler, destilação ou outros métodos.

Em teoria, o deutério para água pesada poderia ser criado em um reator nuclear, mas a separação da água comum é o processo de produção em massa mais barato.

O principal fornecedor mundial de deutério foi a Atomic Energy of Canada Limited até 1997, quando a última usina de água pesada foi fechada. O Canadá usa água pesada como moderador de nêutrons para a operação do projeto do reator CANDU.

Outro grande produtor de água pesada é a Índia. Todas as usinas de energia atômica da Índia, exceto uma, são usinas de água pesada pressurizada, que usam urânio natural (isto é, não enriquecido). A Índia possui oito usinas de água pesada, das quais sete estão em operação. Seis usinas, das quais cinco estão em operação, são baseadas na troca D-H em gás amônia. As outras duas usinas extraem deutério da água natural em um processo que utiliza gás sulfídrico em alta pressão.

Embora a Índia seja autossuficiente em água pesada para uso próprio, a Índia agora também exporta água pesada para reatores.

Propriedades

Dados para deutério molecular

Fórmula: D₂ ou ²
₁H
₂

Densidade: 0,180 kg/m³ at STP (0 °C, 101325 Pa).
Peso atômico: 2.0141017926 Da.
Abundância média em água oceânica (de VSMOW) 155.76 ± 0,1 átomos de deutério por milhão de átomos de todos os isótopos de hidrogênio (uma proporção de 1 átomo de de deutério por aproximadamente 6420 átomos de todo o hidrogênio de isótopos), ou seja, cerca de 0,015% dos átomos de deutério em uma amostra de água oceânica com todo o hidrogênio de isótopos por número

Dados em aproximadamente 18 K para D₂ (ponto triplo):

Densidade:
- Líquido: 162,4 kg/m³
- Gás: 0.452 kg/m³
Viscosidade: 12,6 μPa·s a 300 K (fase de gás)
Capacidade de calor específica a pressão constante c_p:
- Sólido: 2950 J/(kg·K)
- Gás: 5200 J/(kg·K)

Propriedades físicas

Comparado ao hidrogênio em sua composição natural na Terra, o deutério puro (D₂) tem um ponto de fusão mais alto (18,72 K vs. 13,99 K), um ponto de ebulição mais alto (23,64 K vs. 20,27 K), uma temperatura crítica mais alta (38,3 K vs. 32,94 K) e uma pressão crítica mais alta (1,6496 MPa vs. 1,2858 MPa).

As propriedades físicas dos compostos de deutério podem exibir efeitos isotópicos cinéticos significativos e outras diferenças de propriedades físicas e químicas dos análogos de prótio. D2O, por exemplo, é mais viscoso que H2O. Quimicamente, existem diferenças na energia de ligação e no comprimento dos compostos de isótopos pesados de hidrogênio em comparação com o prótio, que são maiores do que as diferenças isotópicas em qualquer outro elemento. As ligações envolvendo deutério e trítio são um pouco mais fortes do que as ligações correspondentes no prótio, e essas diferenças são suficientes para causar mudanças significativas nas reações biológicas. As empresas farmacêuticas estão interessadas no fato de que o deutério é mais difícil de remover do carbono do que o prótio.

Deuterium pode substituir protium em moléculas de água para formar água pesada (D₂O), que é cerca de 10,6% mais denso do que a água normal (para que o gelo feito dele afunda na água comum). A água pesada é ligeiramente tóxica em animais eucarióticos, com 25% de substituição da água corporal causando problemas de divisão celular e esterilidade, e 50% de substituição causando morte por síndrome citotóxica (falha de medula óssea e falha de revestimento gastrointestinal). Organismos procariontes, no entanto, podem sobreviver e crescer em água pesada pura, embora se desenvolvam lentamente. Apesar desta toxicidade, o consumo de água pesada em circunstâncias normais não representa uma ameaça de saúde para os seres humanos. Estima-se que uma pessoa de 70 kg (154 lb) pode beber 4,8 litros (1.3 US gal) de água pesada sem consequências graves. Pequenas doses de água pesada (algumas gramas em humanos, contendo uma quantidade de deutério comparável à que normalmente presente no corpo) são usadas rotineiramente como rastreadores metabólicos inofensivos em humanos e animais.

Propriedades do Quantum

O dêuteron tem spin +1 ("estado tripleto") e é, portanto, um bóson. A frequência de RMN do deutério é significativamente diferente do hidrogênio leve comum. A espectroscopia infravermelha também diferencia facilmente muitos compostos deuterados, devido à grande diferença na frequência de absorção IR observada na vibração de uma ligação química contendo deutério, versus hidrogênio leve. Os dois isótopos estáveis de hidrogênio também podem ser distinguidos usando espectrometria de massa.

O nucleão deutério trigêmeo mal está ligado a E_B = 2,23 MeV, e nenhum dos estados de maior energia está ligado. O dêuteron singleto é um estado virtual, com uma energia de ligação negativa de ~60 keV. Não existe tal partícula estável, mas esta partícula virtual existe transitoriamente durante a dispersão inelástica de nêutron-próton, representando a seção transversal de dispersão de nêutrons incomumente grande do próton.

Propriedades nucleares (o deutério)

Massa e raio de Deuteron

O núcleo do deutério é chamado de deuteron. Tem uma massa de 2.013553 212745(40) Da (pouco mais de 1.875 GeV).

O raio de carga do dêuteron é 2,127 99(74) fm.

Assim como o raio do próton, medições usando deutério muônico produzem um resultado menor: 2,12562(78) fm.

Giro e energia

O deutério é um dos apenas cinco nuclídeos estáveis com um número ímpar de prótons e um número ímpar de nêutrons. (²
H
, 6Li, 10B, 14N, 180mTa; também, os nuclídeos radioativos de vida longa 40K, 50V, 138La, 176Lu ocorrem naturalmente.) A maioria dos núcleos ímpares-ímpares são instáveis em relação ao decaimento beta, porque os produtos de decaimento são pares-pares e, portanto, estão mais fortemente ligados, devido aos efeitos de pareamento nuclear. O deutério, no entanto, se beneficia de ter seu próton e nêutron acoplados a um estado de spin-1, o que dá uma atração nuclear mais forte; o estado spin-1 correspondente não existe no sistema de dois nêutrons ou dois prótons, devido ao princípio de exclusão de Pauli, que exigiria que uma ou outra partícula idêntica com o mesmo spin tivesse algum outro número quântico diferente, como orbital momento angular. Mas o momento angular orbital de qualquer partícula dá uma menor energia de ligação para o sistema, principalmente devido ao aumento da distância das partículas no gradiente acentuado da força nuclear. Em ambos os casos, isso faz com que o núcleo dipróton e dineutrônico seja instável.

O próton e o nêutron que compõem o deutério podem ser dissociados por meio de interações de corrente neutra com neutrinos. A seção transversal para essa interação é comparativamente grande e o deutério foi usado com sucesso como alvo de neutrinos no experimento do Sudbury Neutrino Observatory.

O deutério diatômico (D₂) possui isômeros de spin nuclear orto e para como o hidrogênio diatômico, mas com diferenças no número e na população de estados de spin e níveis rotacionais, que ocorrem porque o deutério é um bóson com spin nuclear igual a um.

Estado singleto de isospin do deuteron

Devido à semelhança de massa e propriedades nucleares entre o próton e o nêutron, eles são às vezes considerados como dois tipos simétricos do mesmo objeto, um núcleon. Embora apenas o próton tenha uma carga elétrica, isso geralmente é insignificante devido à fraqueza da interação eletromagnética em relação à interação nuclear forte. A simetria relacionando o próton e o nêutron é conhecida como isospin e denotada como I (ou às vezes T).

Isospin é uma simetria SU(2), como o spin comum, portanto é completamente análogo a ele. O próton e o nêutron, cada um com isospin-1⁄2, formam um dupleto de isospin (análogo a um dupleto de spin), com um "down" estado (↓) sendo um nêutron e um "up" estado (↑) sendo um próton. Um par de núcleons pode estar em um estado antissimétrico de isospin chamado singleto, ou em um estado simétrico chamado tripleto. Em termos de "para baixo" estado e "para cima" estado, o singleto é

{displaystyle {frac {1}{sqrt {2}}}{Big (}|{uparrow downarrow }rangle -|{downarrow uparrow }rangle {Big)}.}

, que também pode ser escrito:

{displaystyle {frac {1}{sqrt {2}}}{Big (}|pnrangle -|nprangle {Big)}.}

Este é um núcleo com um próton e um nêutron, ou seja, um núcleo de deutério. O trigêmeo é

{displaystyle left({begin{array}{ll}|{uparrow uparrow }rangle \{frac {1}{sqrt {2}}}(|{uparrow downarrow }rangle +|{downarrow uparrow }rangle)\|{downarrow downarrow }rangle end{array}}right)}

e assim consiste em três tipos de núcleos, que são supostos ser simétricos: um núcleo de deutério (na verdade, um estado altamente excitado dele), um núcleo com dois prótons, e um núcleo com dois neutrões. Estes estados não são estáveis.

Função de onda aproximada do deuterono

A função de onda do dêuteron deve ser antissimétrica se a representação isospin for usada (uma vez que um próton e um nêutron não são partículas idênticas, a função de onda não precisa ser antisimétrico em geral). Além de seu isospin, os dois núcleons também têm spin e distribuições espaciais de sua função de onda. O último é simétrico se o deuteron for simétrico sob paridade (ou seja, tem uma paridade "par" ou "positiva") e antissimétrico se o deuteron é antissimétrico sob paridade (ou seja, tem um " paridade 34;ímpar" ou "negativa"). A paridade é totalmente determinada pelo momento angular orbital total dos dois núcleons: se for par, a paridade é par (positiva), e se for ímpar, a paridade é ímpar (negativa).

O deuteron, sendo um singleto de isospin, é antisimétrico sob troca de núcleons devido a isospin e, portanto, deve ser simétrico sob a dupla troca de spin e localização. Portanto, pode estar em qualquer um dos seguintes dois estados diferentes:

A rotação simétrica e a paridade simétrica. Neste caso, a troca dos dois núcleos multiplicará a função de onda deutério por (−1) da troca de isospin, (+1) da troca de rotação e (+1) da paridade (intercâmbio de deslocamento), para um total de (−1) conforme necessário para a antisimetria.
A rotação antissimétrica e antisimétrica sob paridade. Neste caso, a troca dos dois núcleos irá multiplicar a onda de deutério por (−1) da troca de isospin, (−1) da troca de rotação e (−1) da paridade (intercâmbio de deslocamento), novamente para um total de (−1) conforme necessário para a antisimetria.

No primeiro caso, o deuteron é um triplo de spin, de modo que seu spin total s é 1. Ele também tem paridade par e, portanto, momento angular orbital par l; Quanto menor seu momento angular orbital, menor sua energia. Portanto, o menor estado de energia possível tem s = 1, l = 0.

No segundo caso, o deuteron é um spin singleto, de modo que seu spin total s é 0. Ele também tem uma paridade ímpar e, portanto, momento angular orbital ímpar l. Portanto, o menor estado de energia possível tem s = 0, l = 1.

Como s = 1 fornece uma atração nuclear mais forte, o estado fundamental do deutério está no s = 1, l = 0 estado.

As mesmas considerações levam aos possíveis estados de um trio isospin tendo s = 0, l = par ou s = 1, l = ímpar. Assim, o estado de menor energia tem s = 1, l = 1, maior do que o singleto isospin.

A análise dada é de fato apenas aproximada, tanto porque o isospin não é uma simetria exata, quanto mais importante porque a forte interação nuclear entre os dois núcleons está relacionada ao momento angular na interação spin-órbita que mistura diferentes estados s e l. Ou seja, s e l não são constantes no tempo (eles não comutam com o hamiltoniano) e, ao longo do tempo, um estado como s = 1, l = 0 pode se tornar um estado de s = 1, l = 2. A paridade ainda é constante no tempo, então eles não se misturam com estados l ímpares (como s = 0, l = 1). Portanto, o estado quântico do deutério é uma superposição (uma combinação linear) do s = 1, l = 0 estado e s = 1, l = 2 estado, embora o primeiro componente seja muito maior. Como o momento angular total j também é um bom número quântico (é uma constante no tempo), ambos os componentes devem ter o mesmo j e, portanto, j = 1. Este é o spin total do núcleo de deutério.

Para resumir, o núcleo de deutério é antissimétrico em termos de isospin e tem spin 1 e paridade par (+1). O momento angular relativo de seus núcleons l não está bem definido, e o dêuteron é uma superposição de principalmente l = 0 com algum l = 2.

Multipolos magnéticos e elétricos

Para encontrar teoricamente o momento de dipolo magnético do deutério μ, usa-se a fórmula para um momento magnético nuclear

{displaystyle mu ={frac {1}{j+1}}{bigl langle }(l,s),j,m_{j}{=}j,{bigr |},{vec {mu }}cdot {vec {jmath }},{bigl |},(l,s),j,m_{j}{=}j{bigr rangle }}

com

{displaystyle {vec {mu }}=g^{(l)}{vec {l}}+g^{(s)}{vec {s}}}

g^(l) e g^(s) são fatores g dos núcleons.

Uma vez que o próton e o nêutron têm valores diferentes para g^(Eu...) e g^(S), deve-se separar as suas contribuições. Cada um recebe metade do momentum angular orbital deutério ${vec {l}}$ e girar ${vec {s}}$ . Um chega a

{displaystyle mu ={frac {1}{j+1}}{Bigl langle }(l,s),j,m_{j}{=}j,{Bigr |}left({frac {1}{2}}{vec {l}}{g^{(l)}}_{p}+{frac {1}{2}}{vec {s}}({g^{(s)}}_{p}+{g^{(s)}}_{n})right)cdot {vec {jmath }},{Bigl |},(l,s),j,m_{j}{=}j{Bigr rangle }}

onde os subscritos p e n representam o próton e o nêutron, e g^(l)_n = 0.

Usando as mesmas identidades aqui e usando o valor g^(l)_p = 1, chegamos no seguinte resultado, em unidades do magneton nuclear μ_N

{displaystyle mu ={frac {1}{4(j+1)}}left[({g^{(s)}}_{p}+{g^{(s)}}_{n}){big (}j(j+1)-l(l+1)+s(s+1){big)}+{big (}j(j+1)+l(l+1)-s(s+1){big)}right]}

Para s = 1, l = 0 estado (j = 1), obtemos

{displaystyle mu ={frac {1}{2}}({g^{(s)}}_{p}+{g^{(s)}}_{n})=0.879}

Para s = 1, l = 2 estado (j = 1), obtemos

{displaystyle mu =-{frac {1}{4}}({g^{(s)}}_{p}+{g^{(s)}}_{n})+{frac {3}{4}}=0.310}

O valor medido do momento de dipolo magnético do deutério é 0,857 μ_N, que é 97,5% do 0,879 μ_N valor obtido pela simples soma dos momentos do próton e do nêutron. Isso sugere que o estado do deutério é de fato uma boa aproximação s = 1, l = 0 estado, que ocorre com ambos os núcleons girando na mesma direção, mas seus momentos magnéticos subtraindo por causa do momento negativo do nêutron.

Mas o número experimental ligeiramente inferior ao que resulta da simples adição de momentos de prótons e nêutrons (negativos) mostra que o deutério é na verdade uma combinação linear de principalmente s = 1, estado l = 0 com uma leve mistura de s = 1, l = 2 estado.

O dipolo elétrico é zero, como de costume.

O quadrupolo elétrico medido do deutério é 0,2859 e·fm². Embora a ordem de grandeza seja razoável, uma vez que o raio do deutério é da ordem de 1 femtômetro (veja abaixo) e sua carga elétrica é e, o modelo acima não é suficiente para seu cálculo. Mais especificamente, o quadrupolo elétrico não recebe uma contribuição do estado l =0 (que é o dominante) e recebe uma contribuição de um termo que mistura o l = 0 e os estados l =2, porque o operador quadrupolo elétrico não comuta com o momento angular.

A última contribuição é dominante na ausência de uma contribuição l = 0 pura, mas não pode ser calculada sem conhecer a forma espacial exata da função de onda dos nucleons dentro do deutério.

Momentos multipolares magnéticos e elétricos mais altos não podem ser calculados pelo modelo acima, por razões semelhantes.

Aplicativos

O deutério tem vários usos comerciais e científicos. Esses incluem:

Reatores nucleares

Deutério ionizado em um reator de rotação dando seu brilho cor-de-rosa característico

O deutério é usado em reatores de fissão moderada de água pesada, geralmente como líquido D₂O, para diminuir a velocidade de nêutrons sem a alta absorção de nêutrons do hidrogênio comum. Este é um uso comercial comum para grandes quantidades de deutério.

Em reatores de pesquisa, o líquido D₂ é usado em fontes frias para moderar nêutrons a energias e comprimentos de onda muito baixos, apropriados para experimentos de espalhamento.

Experimentalmente, o deutério é o nuclídeo mais comum usado em projetos de reatores de fusão nuclear, especialmente em combinação com trítio, devido à grande taxa de reação (ou seção de choque nuclear) e alto rendimento de energia da reação D–T. Há uma reação de fusão D–3He de rendimento ainda maior, embora o ponto de equilíbrio de D–³
Ele
é maior do que a maioria das outras reações de fusão; juntamente com a escassez de ³
Ele
, isso torna implausível como uma fonte de energia prática até que pelo menos as reações de fusão D–T e D–D tenham sido realizadas em escala comercial. A fusão nuclear comercial ainda não é uma tecnologia completa.

Espectroscopia de RMN

Espectro de emissão de uma lâmpada de arco de deutério ultravioleta

O deutério é mais comumente usado em espectroscopia de ressonância magnética nuclear de hidrogênio (NMR de prótons) da seguinte maneira. A RMN normalmente requer que os compostos de interesse sejam analisados como dissolvidos em solução. Por causa das propriedades de spin nuclear do deutério, que diferem do hidrogênio leve geralmente presente em moléculas orgânicas, os espectros de NMR de hidrogênio/prótio são altamente diferenciáveis dos do deutério e, na prática, o deutério não é "visto" por causa das propriedades de spin nuclear do deutério. por um instrumento NMR sintonizado para hidrogênio leve. Solventes deuterados (incluindo água pesada, mas também compostos como clorofórmio deuterado, CDCl₃) são, portanto, usados rotineiramente em espectroscopia de RMN, a fim de permitir que apenas os espectros de hidrogênio leve do composto de interesse sejam medidos, sem interferência de sinal de solvente.

A espectroscopia de ressonância magnética nuclear também pode ser usada para obter informações sobre o ambiente do dêuteron em amostras marcadas isotopicamente (Deuterium NMR). Por exemplo, a configuração de cadeias de hidrocarbonetos em bicamadas lipídicas pode ser quantificada usando RMN de deutério no estado sólido com moléculas lipídicas marcadas com deutério.

Os espectros de RMN do deutério são especialmente informativos no estado sólido devido ao seu momento quadrupolo relativamente pequeno em comparação com os de núcleos quadrupolares maiores, como o cloro-35, por exemplo.

Rastreamento

Em química, bioquímica e ciências ambientais, o deutério é usado como um marcador isotópico estável não radioativo, por exemplo, no teste de água duplamente marcada. Em reações químicas e vias metabólicas, o deutério se comporta de maneira um tanto semelhante ao hidrogênio comum (com algumas diferenças químicas, conforme observado). Ele pode ser distinguido do hidrogênio comum mais facilmente por sua massa, usando espectrometria de massa ou espectrometria de infravermelho. O deutério pode ser detectado por espectroscopia de infravermelho de femtosegundo, uma vez que a diferença de massa afeta drasticamente a frequência das vibrações moleculares; as vibrações da ligação deutério-carbono são encontradas em regiões espectrais livres de outros sinais.

As medições de pequenas variações nas abundâncias naturais de deutério, juntamente com as dos isótopos estáveis de oxigênio pesado ¹⁷O e ¹⁸O, são importantes em hidrologia, para traçar a origem geográfica das águas da Terra. Os isótopos pesados de hidrogênio e oxigênio na água da chuva (a chamada água meteórica) são enriquecidos em função da temperatura ambiente da região em que a precipitação cai (e, portanto, o enriquecimento está relacionado à latitude média). O enriquecimento relativo dos isótopos pesados na água da chuva (conforme referenciado para significar a água do oceano), quando plotado contra a temperatura cai previsivelmente ao longo de uma linha chamada linha de água meteórica global (GMWL). Este gráfico permite a identificação de amostras de água originada pela precipitação juntamente com informações gerais sobre o clima em que ela se originou. Os processos evaporativos e outros em corpos d'água, e também os processos de águas subterrâneas, também alteram diferencialmente as proporções de isótopos pesados de hidrogênio e oxigênio em águas doces e salgadas, de maneiras características e muitas vezes distintivas regionalmente. A proporção de concentração de ²H para ¹H é geralmente indicada com um delta como δ²H e os padrões geográficos desses valores são plotados em mapas denominados como isoscapes. Isótopos estáveis são incorporados em plantas e animais e uma análise das proporções em um pássaro ou inseto migratório pode ajudar a sugerir um guia aproximado de suas origens.

Propriedades de contraste

As técnicas de dispersão de nêutrons se beneficiam particularmente da disponibilidade de amostras deuteradas: as seções de choque H e D são muito distintas e diferentes em sinal, o que permite variação de contraste em tais experimentos. Além disso, um problema incômodo do hidrogênio comum é sua grande seção de choque incoerente de nêutrons, que é nula para D. A substituição de átomos de deutério por átomos de hidrogênio reduz, assim, o ruído de espalhamento.

O hidrogênio é um componente importante e importante em todos os materiais da química orgânica e das ciências da vida, mas quase não interage com os raios-X. Como o hidrogênio (e o deutério) interagem fortemente com os nêutrons, as técnicas de espalhamento de nêutrons, juntamente com uma moderna instalação de deuteração, preenchem um nicho em muitos estudos de macromoléculas em biologia e muitas outras áreas.

Armas nucleares

Isto é discutido abaixo. É notável que, embora a maioria das estrelas, incluindo o Sol, gere energia durante a maior parte de suas vidas fundindo hidrogênio em elementos mais pesados, essa fusão de hidrogênio leve (protium) nunca foi bem-sucedida nas condições atingíveis na Terra. Assim, toda fusão artificial, incluindo a fusão de hidrogênio que ocorre nas chamadas bombas de hidrogênio, requer hidrogênio pesado (trítio ou deutério, ou ambos) para que o processo funcione.

Drogas

Um medicamento deuterado é um medicamento de molécula pequena em que um ou mais átomos de hidrogênio contidos na molécula do medicamento foram substituídos por deutério. Devido ao efeito isotópico cinético, as drogas contendo deutério podem ter taxas de metabolismo significativamente mais baixas e, portanto, uma meia-vida mais longa. Em 2017, a deutetrabenazina se tornou o primeiro medicamento deuterado a receber a aprovação do FDA.

Nutrientes essenciais reforçados

O deutério pode ser usado para reforçar ligações C-H vulneráveis à oxidação específicas dentro de nutrientes essenciais ou condicionalmente essenciais, como certos aminoácidos ou ácidos graxos poliinsaturados (PUFA), tornando-os mais resistentes a danos oxidativos. Os ácidos graxos poliinsaturados deuterados, como o ácido linoléico, retardam a reação em cadeia da peroxidação lipídica que danifica as células vivas. O éster etílico deuterado do ácido linoléico (RT001), desenvolvido pela Retrotope, está em um estudo de uso compassivo na distrofia neuroaxonal infantil e concluiu com sucesso um estudo de Fase I/II na ataxia de Friedreich.

Termoestabilização

As vacinas vivas, como a vacina oral contra o poliovírus, podem ser estabilizadas pelo deutério, isoladamente ou em combinação com outros estabilizadores, como o MgCl2.

Retardar as oscilações circadianas

O deutério demonstrou prolongar o período de oscilação do relógio circadiano quando administrado em ratos, hamsters e dinoflagelados Gonyaulax. Em ratos, a ingestão crônica de 25% D₂O interrompe a ritmicidade circadiana ao prolongar o período circadiano dos ritmos dependentes do núcleo supraquiasmático no hipotálamo do cérebro. Experimentos em hamsters também apóiam a teoria de que o deutério age diretamente no núcleo supraquiasmático para alongar o período circadiano de funcionamento livre.

História

Suspeita de isótopos de elementos mais leves

A existência de isótopos não radioativos de elementos mais leves foi suspeitada em estudos de neon já em 1913, e comprovada por espectrometria de massa de elementos leves em 1920. Naquela época, o nêutron ainda não havia sido descoberto, e a teoria predominante era que os isótopos de um elemento diferem pela existência de prótons adicionais no núcleo acompanhados por um número igual de elétrons nucleares. Nesta teoria, o núcleo de deutério com massa dois e carga um conteria dois prótons e um elétron nuclear. No entanto, era esperado que o elemento hidrogênio com uma massa atômica média medida muito próxima a 1 Da, a massa conhecida do próton, sempre tem um núcleo composto por um único próton (uma partícula conhecida), e não poderia conter um segundo próton. Assim, pensava-se que o hidrogênio não tinha isótopos pesados.

Deutério detectado

Harold Urey, descobridor de deutério

Ele foi detectado espectroscopicamente pela primeira vez no final de 1931 por Harold Urey, um químico da Universidade de Columbia. O colaborador de Urey, Ferdinand Brickwedde, destilou cinco litros de hidrogênio líquido produzido criogenicamente para 1 mL de líquido, usando o laboratório de física de baixa temperatura que havia sido recentemente estabelecido no National Bureau of Standards em Washington, DC (agora o National Institute of Standards and Technology). A técnica já havia sido usada para isolar isótopos pesados de neon. A técnica de evaporação criogênica concentrou a fração do isótopo de massa 2 do hidrogênio a um grau que tornou sua identificação espectroscópica inequívoca.

Nomenclatura do isótopo e Prêmio Nobel

Urey criou os nomes protium, deutério e trítio em um artigo publicado em 1934. O nome é baseado em parte no conselho de G. N. Lewis, que propôs o nome "deutium". O nome é derivado do grego deuteros ('segundo'), e o núcleo será chamado de "deuteron" ou "deuton". Isótopos e novos elementos receberam tradicionalmente o nome que seu descobridor decidiu. Alguns cientistas britânicos, como Ernest Rutherford, queriam que o isótopo fosse chamado de "diplogen", do grego diploos ('duplo'), e o núcleo será chamado de "diplon".

A quantidade inferida para a abundância normal deste isótopo pesado de hidrogênio era tão pequena (apenas cerca de 1 átomo em 6.400 átomos de hidrogênio na água do oceano (156 deutérios por milhão de hidrogênios)) que não afetou visivelmente as medições anteriores de (média) massa atômica do hidrogênio. Isso explicava por que não havia suspeita experimental antes. Urey foi capaz de concentrar água para mostrar enriquecimento parcial de deutério. Lewis preparou as primeiras amostras de água pesada pura em 1933. A descoberta do deutério, antes da descoberta do nêutron em 1932, foi um choque experimental para a teoria, mas quando o nêutron foi relatado, tornando a existência do deutério mais explicável, o deutério rendeu a Urey o Prêmio Nobel de Química em 1934. Lewis ficou amargurado por ter sido preterido por esse reconhecimento dado a seu ex-aluno.

"Água pesada" experimentos na Segunda Guerra Mundial

Pouco antes da guerra, Hans von Halban e Lew Kowarski mudaram sua pesquisa sobre moderação de nêutrons da França para a Grã-Bretanha, contrabandeando todo o suprimento global de água pesada (que havia sido produzida na Noruega) em 26 tambores de aço.

Durante a Segunda Guerra Mundial, a Alemanha nazista era conhecida por conduzir experimentos usando água pesada como moderador para o projeto de um reator nuclear. Tais experimentos eram uma fonte de preocupação porque poderiam permitir a produção de plutônio para uma bomba atômica. Em última análise, levou à operação aliada chamada de "sabotagem de água pesada norueguesa", cujo objetivo era destruir a instalação de produção/enriquecimento de deutério de Vemork na Noruega. Na época, isso foi considerado importante para o progresso potencial da guerra.

Após o fim da Segunda Guerra Mundial, os Aliados descobriram que a Alemanha não estava colocando tanto esforço sério no programa quanto se pensava anteriormente. Os alemães haviam concluído apenas um pequeno reator experimental parcialmente construído (que havia sido escondido) e não conseguiram sustentar uma reação em cadeia. No final da guerra, os alemães não tinham nem um quinto da quantidade de água pesada necessária para operar o reator, em parte devido à operação norueguesa de sabotagem de água pesada. No entanto, mesmo que os alemães tivessem conseguido colocar um reator operacional (como os EUA fizeram com o Chicago Pile-1 no final de 1942), eles ainda estariam pelo menos vários anos longe do desenvolvimento de uma bomba atômica. O processo de engenharia, mesmo com esforço e financiamento máximos, exigiu cerca de dois anos e meio (do primeiro reator crítico à bomba) tanto nos EUA quanto na URSS, por exemplo.

Em armas termonucleares

O invólucro de dispositivo "Sausage" da bomba Ivy Mike H, ligado à instrumentação e equipamentos criogênicos. A bomba 20-ft-tall realizou um frasco de Dewar criogênico com espaço para 160 kg de deutério líquido.

O dispositivo Ivy Mike de 62 toneladas construído pelos Estados Unidos e explodido em 1º de novembro de 1952, foi a primeira "bomba de hidrogênio" (bomba termonuclear). Nesse contexto, foi a primeira bomba em que a maior parte da energia liberada veio dos estágios de reação nuclear que se seguiram ao estágio de fissão nuclear primária da bomba atômica. A bomba Ivy Mike era um edifício semelhante a uma fábrica, em vez de uma arma entregável. Em seu centro, um grande frasco cilíndrico isolado a vácuo ou criostato continha deutério líquido criogênico em um volume de cerca de 1.000 litros (160 quilos de massa, se esse volume tivesse sido completamente preenchido). Então, uma bomba atômica convencional (a "primária") em uma extremidade da bomba foi usada para criar as condições de temperatura e pressão extremas necessárias para desencadear a reação termonuclear.

Em poucos anos, os chamados "secos" bombas de hidrogênio foram desenvolvidas que não precisavam de hidrogênio criogênico. Informações divulgadas sugerem que todas as armas termonucleares construídas desde então contêm compostos químicos de deutério e lítio em seus estágios secundários. O material que contém o deutério é principalmente deutério de lítio, com o lítio consistindo no isótopo lítio-6. Quando o lítio-6 é bombardeado com nêutrons rápidos da bomba atômica, o trítio (hidrogênio-3) é produzido e, em seguida, o deutério e o trítio se envolvem rapidamente em fusão termonuclear, liberando energia abundante, hélio-4 e ainda mais nêutrons livres. "Puro" armas de fusão, como a Tsar Bomba, são consideradas obsoletas. Na maioria das armas termonucleares modernas ('reforçadas'), a fusão fornece diretamente apenas uma pequena fração da energia total. A fissão de uma adulteração de urânio natural U-238 por nêutrons rápidos produzidos a partir da fusão D-T é responsável por uma liberação de energia muito maior (ou seja, aumentada) do que a própria reação de fusão.

Pesquisa moderna

Em agosto de 2018, os cientistas anunciaram a transformação do deutério gasoso em uma forma metálica líquida. Isso pode ajudar os pesquisadores a entender melhor os planetas gasosos gigantes, como Júpiter, Saturno e exoplanetas relacionados, pois acredita-se que esses planetas contenham uma grande quantidade de hidrogênio metálico líquido, que pode ser responsável por seus poderosos campos magnéticos observados.

Antideutério

Um antideuteron é a contraparte de antimatéria do núcleo de deutério, consistindo de um antipróton e um antinêutron. O antideuteron foi produzido pela primeira vez em 1965 no Proton Synchrotron no CERN e no Alternating Gradient Synchrotron no Brookhaven National Laboratory. Um átomo completo, com um pósitron orbitando o núcleo, seria chamado antideutério, mas até 2019 o antideutério ainda não havia sido criado. O símbolo proposto para o antideutério é
D
, ou seja, D com barra superior.

Contenido relacionado

Más resultados...