Deuterio (o hidrógeno-2 , símbolo2
h
o D , también conocido como hidrógeno pesado ) es uno de los dos isótopos estables del hidrógeno (el otro es el 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 cada 6.420 átomos de hidrógeno (ver agua pesada ). Así, el deuterio representa aproximadamente el 0,0156% en número (0,0312% en masa) de todo el hidrógeno que se encuentra naturalmente en los océanos (es decir,4,85 × 10 13 toneladas de deuterio –principalmente en forma de HOD y sólo raramente en forma de D 2 O – en1,4 × 10 18 toneladas de agua), mientras que el protio representa el 99,98%. La abundancia de deuterio cambia ligeramente de un tipo de agua natural a otro (ver Norma de Viena sobre agua oceánica media ).
El nombre deuterio se deriva del griego deuteros , que significa "segundo". [3] [4] 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 había estado altamente 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 sólo 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 relación básica o primordial entre hidrógeno-1 y deuterio (unos 26 átomos de deuterio por millón de átomos de hidrógeno) tiene su origen en esa época. Esta es la proporción que se encuentra en los planetas gigantes gaseosos, como Júpiter. El análisis de las proporciones deuterio-protio en los cometas encontró resultados muy similares a la proporción 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 del océano de la Tierra es de origen cometario. [5] [6] La proporción 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. [7] Por lo tanto, las proporciones deuterio-protio continúan siendo un tema activo de investigación tanto en astronomía como en climatología.
El deuterio se representa frecuentemente con el símbolo químico D. Dado que es un isótopo de hidrógeno con número de masa 2, también está representado por2
h
. La IUPAC permite tanto D como2
h
, a pesar de2
h
se prefiere. [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 ( 1 H) (el deuterio tiene una masa de2,014 · 102 u , en comparación con el peso atómico medio del hidrógeno de1.007 947 u , y la masa de protio de1.007 825 u ) confiere diferencias químicas no despreciables con compuestos que contienen protio, mientras que las relaciones de peso de isótopos dentro de otros elementos químicos 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 de electrón y núcleo. 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 está cerca de 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 aproximadamente1837/1836, o 1,000545, y para el deuterio es aún menor:3671/3670, o 1,0002725. Por lo tanto , las energías de las líneas espectrales electrónicas para el deuterio y el hidrógeno ligero ( hidrógeno-1 ) difieren en la proporción de estos dos números, que es 1,000272. Las longitudes de onda de todas las líneas espectroscópicas de 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 de 0,000272 veces la velocidad de la luz, o 81,6 km/s. [9]
Las diferencias son mucho más pronunciadas en la espectroscopia vibratoria, 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. Los disolventes deuterados se suelen utilizar en la RMN de protio para evitar que el disolvente se superponga con la señal, aunque también es posible la RMN de deuterio por sí sola.
Se cree que el deuterio jugó un papel importante en la determinación 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 se mantendría estable incluso después de terminada la nucleogénesis. Inicialmente esta fracción estaba a favor de los protones, principalmente porque la menor masa del protón favorecía su producción. A medida que el Universo se expandió, se enfrió. 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, para formar helio-4 se requiere el paso intermedio de formar deuterio.
Durante gran parte de los pocos minutos posteriores al Big Bang durante los cuales pudo 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 unido; por lo tanto, cualquier deuterio que se formara era 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 (aproximadamente a una temperatura equivalente a 100 keV ). En este punto se produjo un repentino estallido de formación de elementos (el primer deuterio, que inmediatamente se fusionó en helio). Sin embargo, muy poco después, veinte minutos después del Big Bang, el Universo se enfrió demasiado para que se produjeran más fusiones nucleares y nucleosíntesis. En este punto, las abundancias elementales eran casi fijas, con el único cambio cuando algunos de los productos radiactivos de la nucleosíntesis del Big Bang (como el tritio ) se desintegran. [11] 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) significó que una cantidad insignificante de carbono, o cualquier elemento más pesado que el carbono, formado en el Big Bang. Por tanto, estos elementos requirieron formación en estrellas. Al mismo tiempo, el fracaso de gran parte de la nucleogénesis durante el Big Bang aseguró que habría suficiente hidrógeno en el universo posterior disponible para formar estrellas de larga vida, como el Sol.
El deuterio se produce naturalmente en pequeñas cantidades como gas deuterio , escrito2
h
2 o D 2 , pero la mayoría de los átomos de deuterio que se encuentran naturalmente en el Universo están unidos con un típico1
h
átomo para formar un gas llamado deuteruro de hidrógeno (HD o1
h
2
h
). [12] 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 confirman las sondas planetarias) y en los espectros de las estrellas , 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 conocen procesos naturales distintos de la nucleosíntesis del Big Bang que podrían haber producido deuterio en una cantidad cercana a su abundancia natural observada. El deuterio se produce por la rara desintegración de los cúmulos 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 a la del 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 frente a la teoría del Estado Estacionario del Universo. Las proporciones observadas entre hidrógeno, helio y deuterio en el universo son difíciles de explicar excepto con un modelo del Big Bang. Se estima que la abundancia de deuterio no ha evolucionado significativamente desde su producción hace unos 13.800 millones de años. [13] 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 está sólo un 15% por debajo de la proporción primordial estimada por WMAP de aproximadamente 27 átomos por millón. del Big Bang. Se ha interpretado que esto significa que se ha destruido menos deuterio de lo esperado durante la formación estelar en la Vía Láctea, o tal vez el deuterio se ha repuesto mediante una gran caída de hidrógeno primordial desde fuera de la galaxia. [14] En el espacio a unos cientos de años luz del Sol, la abundancia de deuterio es de sólo 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. [15]
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 ISO-SWS encuentran 22 átomos por millón de átomos de hidrógeno en Júpiter. [16] y se cree que esta abundancia representa una proporción cercana a la proporción primordial del Sistema Solar. [6] Esto es aproximadamente el 17% de la proporción terrestre deuterio-hidrógeno de 156 átomos de deuterio por millón de átomos de hidrógeno.
Se ha medido que cuerpos cometarios como el cometa Hale-Bopp y el cometa Halley contienen relativamente más deuterio (unos 200 átomos D por millón de hidrógenos), proporciones que se enriquecen con respecto a la supuesta proporción de nebulosa protosolar, probablemente debido al calentamiento, y que son proporciones similares a las que se encuentran en el agua de mar de la Tierra. La reciente medición 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 exacta a la de los océanos de la Tierra, enfatiza la teoría de que el agua de la superficie de la Tierra puede provenir en gran medida de los cometas. [5] [6] 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. [7] Esto ha provocado un renovado interés 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. [17]
El deuterio se produce para fines industriales, científicos y militares, comenzando con agua ordinaria (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. [18]
En teoría, el deuterio para agua pesada podría crearse en un reactor nuclear, pero la separación del agua corriente es el proceso de producción a granel más barato.
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 el funcionamiento del diseño del reactor CANDU .
Otro gran productor de agua pesada es la India. Todas menos una de las plantas de energía atómica de la India son plantas de agua pesada a presión, 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 amoniaco. Las otras dos plantas extraen deuterio del agua natural en 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 apta para reactores.
Fórmula: D 2 o2
1h
2
Datos a aproximadamente 18 K para D 2 ( punto triple ):
En comparación con el hidrógeno en su composición natural en la Tierra, el deuterio puro (D 2 ) 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 vs 32,94 K) y una presión crítica más alta (1,6496 MPa vs 1,2858 MPa). [19]
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. El D 2 O , por ejemplo, es más viscoso que el H 2 O . [20] Químicamente, existen diferencias en la energía y la longitud del enlace para los compuestos de isótopos de hidrógeno pesados en comparación con el protio, que son mayores que las diferencias isotópicas en cualquier otro elemento. Los enlaces que involucran al deuterio y al tritio son algo más fuertes que los enlaces correspondientes del 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 deuterio es más difícil de eliminar del carbono que el protio. [21]
El deuterio puede reemplazar al protio en las moléculas de agua para formar agua pesada (D 2 O), que es aproximadamente un 10,6% más densa que el agua normal (de modo que el hielo elaborado con ella se hunde en agua corriente). El agua pesada es ligeramente tóxica en animales eucariotas : una sustitución del 25% del agua corporal provoca problemas de división celular y esterilidad, y una sustitución del 50% provoca 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 pura pesada, aunque se desarrollan lentamente. [22] 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 gal EE.UU.) de agua pesada sin consecuencias graves. [23] 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 habitualmente como trazadores metabólicos inofensivos en humanos y animales.
El deuterón tiene espín +1 (" estado triplete ") y, por 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 de infrarrojos que se observa en la vibración de un enlace químico que contiene deuterio, frente al hidrógeno ligero. Los dos isótopos estables del hidrógeno también se pueden distinguir mediante espectrometría de masas .
El triplete del nucleón deuterón apenas está unido en E B =2,23 MeV , y ninguno de los estados de mayor energía está vinculado. El deuterón singlete es un estado virtual, con una energía de enlace negativa de~60keV . No existe tal partícula estable, pero esta partícula virtual existe transitoriamente durante la dispersión inelástica de neutrones-protones, lo que explica la sección transversal inusualmente grande de dispersión de neutrones del protón. [24]
El núcleo del deuterio se llama deuterón . Tiene una masa de2.013 553 212 745 (40) Da (poco más1,875 GeV ). [25] [26]
El radio de carga del deuterón es2.127 99 (74) fm . [27]
Al igual que el radio del protón , las mediciones que utilizan deuterio muónico producen un resultado más pequeño:2.125 62 (78) fm . [28]
El deuterio es uno de los cinco nucleidos estables con un número impar de protones y un número impar de neutrones. (2
h
,6li,10B,14
norte
,180m
Ejército de reserva
; Además, los nucleidos radiactivos de larga vida.40k,50V,138
La
,176
Lu
ocurren naturalmente.) La mayoría de los núcleos impares son inestables con respecto a la desintegración beta , porque los productos de la desintegración son pares-pares y, por lo tanto, están más fuertemente unidos, debido a los efectos del apareamiento nuclear . El deuterio, sin embargo, se beneficia de tener su protón y neutrón acoplados a un estado de espín-1, lo que proporciona una atracción nuclear más fuerte; el correspondiente estado de espín-1 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 espín tuviera algún otro número cuántico diferente, como el orbital . momento angular . Pero el momento angular orbital de cualquiera de las partículas da una menor energía de enlace para el sistema, principalmente debido al aumento de la distancia de las partículas en el pronunciado gradiente de la fuerza nuclear. En ambos casos, esto provoca que el núcleo de diprotón y dineutrón sea inestable .
El protón y el neutrón que componen el deuterio se pueden disociar mediante interacciones de corriente neutra con neutrinos . La sección transversal para 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 (D 2 ) 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 ocurren porque el deuterón es un bosón con espín nuclear igual a uno. [29]
Debido a la similitud en masa y 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 a menudo es 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 isospin y se denota por I (o, a veces, por T ).
Isospin es una simetría SU(2) , como el espín ordinario , por lo que es completamente análogo a él. El protón y el neutrón, cada uno de los cuales tiene isoespín - 1 ⁄ 2 , forman un doblete de isospín (análogo a un doblete de espín ), siendo un estado "abajo" (↓) un neutrón y un estado "arriba" ( ↑) siendo un protón. [ cita requerida ] Un par de nucleones puede estar en un estado antisimétrico de isospin llamado singlete , o en un estado simétrico llamado triplete . En términos del estado "abajo" y el estado "arriba", el singlete es
Se trata de un núcleo con un protón y un neutrón, es decir, un núcleo de deuterio. El triplete es
y, por tanto, consta de tres tipos de núcleos, que se supone que son simétricos: un núcleo de deuterio (en realidad, en un estado muy excitado ), un núcleo con dos protones y un núcleo con dos neutrones. Estos estados no son estables.
La función de onda de deuterón debe ser antisimétrica si se utiliza la representación de isospin (dado que un protón y un neutrón no son partículas idénticas, la función de onda no necesita ser antisimétrica en general). Además de su isospín, los dos nucleones también tienen distribuciones espaciales y de espín de su función de onda. Este último es simétrico si el deuterón es simétrico bajo paridad (es decir, tiene una paridad "par" o "positiva") y antisimétrico si el deuterón es antisimétrico bajo paridad (es decir, tiene una paridad "impar" o "negativa"). La paridad está totalmente 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 isospin, es antisimétrico bajo el intercambio de nucleones debido al isospin y, por lo tanto, debe ser simétrico bajo el doble intercambio de su espín y ubicación. Por tanto, puede encontrarse en cualquiera de los dos estados diferentes siguientes:
En el primer caso, el deuterón es un triplete de espín, de modo 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, de modo que su espín total s es 0. También tiene una paridad impar y, por 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 proporciona una atracción nuclear más fuerte, el estado fundamental del deuterio está en el estado s = 1 , l = 0 .
Las mismas consideraciones conducen a los posibles estados de un triplete de isospin que tiene s = 0 , l = par o s = 1 , l = impar . Así, el estado de menor energía tiene s = 1 , l = 1 , mayor que el del singlete isospin.
De hecho, el análisis que acabamos de dar es sólo aproximado, porque el isospin no es una simetría exacta y, lo que es más importante, porque la interacción nuclear fuerte 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 l impares (como s = 0 , l = 1 ). Por tanto, el estado cuántico del deuterio es una superposición (una combinación lineal) del estado s = 1 , l = 0 y del estado s = 1 , l = 2 , aunque el primer componente sea mucho mayor. 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 tanto j = 1 . Este es el espín total del núcleo de deuterio.
En resumen, el núcleo de deuterio es antisimétrico en términos de isospin 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 principalmente l = 0 con algo de l = 2 .
Para encontrar teóricamente el momento dipolar magnético del deuterio μ , se utiliza la fórmula para un momento magnético nuclear
con
g ( l ) y g ( s ) son factores g de los nucleones.
Dado que el protón y el neutrón tienen valores diferentes para g ( l ) y g ( s ) , es necesario separar sus contribuciones. Cada uno obtiene la mitad del momento angular orbital y del espín del deuterio . uno llega a
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 al siguiente resultado, en unidades del magnetón nuclear μ N
Para el estado s = 1 , l = 0 ( j = 1 ), obtenemos
Para el estado s = 1 , l = 2 ( j = 1 ), obtenemos
El valor medido del momento dipolar magnético del deuterio es0,857 μ N , que es el 97,5% de laValor de 0,879 μ N obtenido simplemente sumando momentos del protón y del neutrón. Esto sugiere que el estado del deuterio es de hecho, con una buena aproximación, s = 1 , l = 0 , lo que ocurre con ambos nucleones girando en la misma dirección, pero sus momentos magnéticos se restan debido al momento negativo del neutrón.
Pero el número experimental ligeramente menor que el que resulta de la simple adición de momentos de protones y neutrones (negativos) muestra que el deuterio es en realidad una combinación lineal de estado mayoritariamente s = 1 , l = 0 con una ligera mezcla de s = 1 , l = 2 estado.
El dipolo eléctrico es cero como siempre .
El cuadrupolo eléctrico medido del deuterio es0,2859 mi · fm 2 . 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 los estados l =0 y l =2, porque el operador del cuadrupolo eléctrico no no conmuta con el momento angular .
Esta última contribución es dominante en ausencia de una contribución pura l = 0 , pero no puede calcularse sin conocer la forma espacial exacta de la función de onda de los nucleones dentro del deuterio.
El modelo anterior no puede calcular momentos multipolares magnéticos y eléctricos más altos por razones similares.
El deuterio tiene varios usos comerciales y científicos. Éstas incluyen:
El deuterio se utiliza en reactores de fisión moderados con agua pesada , generalmente como D 2 O líquido, para ralentizar los neutrones sin la alta absorción de neutrones del hidrógeno ordinario. [30] 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 y longitudes de onda muy bajas 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. Existe un D- de rendimiento aún mayor.3Élreacción de fusión, aunque el punto de equilibrio de D–3
Él
es mayor que el de la mayoría de las otras reacciones de fusión; junto con la escasez de3
Él
, 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 lograda.
El deuterio se utiliza más comúnmente en espectroscopia de resonancia magnética nuclear de hidrógeno ( RMN de protones ) de la siguiente manera. La RMN normalmente requiere que los compuestos de interés se analicen disueltos en una solución. Debido a las propiedades de espín nuclear del deuterio, que difieren del hidrógeno ligero normalmente presente en las moléculas orgánicas, los espectros de RMN del hidrógeno/protio son altamente diferenciables del del deuterio y, en la práctica, el deuterio no es "visto" por un instrumento de RMN sintonizado para el hidrógeno ligero. . Por lo tanto , los disolventes deuterados (incluida el agua pesada, pero también compuestos como el cloroformo deuterado, CDCl 3 ) se utilizan habitualmente en la espectroscopia de RMN, para permitir medir sólo los espectros de hidrógeno ligero del compuesto de interés, sin interferencias de la señal del disolvente.
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 de hidrocarburos en las bicapas lipídicas se puede cuantificar utilizando RMN de deuterio en estado sólido con moléculas lipídicas marcadas con deuterio. [31]
Los espectros de RMN del 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, donde todos o algunos átomos de hidrógeno se reemplazan con deuterio) se utilizan a menudo como estándares internos en espectrometría de masas . Al igual que otras especies marcadas isotópicamente , estos estándares mejoran la precisión , aunque a menudo tienen un costo mucho menor que otros estándares etiquetados isotópicamente. Las moléculas deuteradas suelen prepararse mediante reacciones de intercambio de isótopos de hidrógeno. [32] [33]
En química , bioquímica y ciencias ambientales , el deuterio se utiliza como marcador isotópico estable y no radiactivo , por ejemplo, en la prueba del agua doblemente marcada . En reacciones químicas y vías metabólicas , el deuterio se comporta de manera algo similar al hidrógeno ordinario (con algunas diferencias químicas, como se señaló). Se puede distinguir del hidrógeno ordinario más fácilmente por su masa, mediante espectrometría de masas o espectrometría infrarroja . El deuterio puede detectarse 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 17 O y 18 O, son de importancia en hidrología , para rastrear el origen geográfico de las aguas de la Tierra. Los isótopos pesados de hidrógeno y oxígeno del agua de lluvia (la llamada agua meteórica ) se enriquecen en función de la temperatura ambiental de la región en la que cae la precipitación (y, por tanto, el enriquecimiento está relacionado con la latitud media). El enriquecimiento relativo de los isótopos pesados en el agua de lluvia (en referencia al agua media del océano), cuando se compara con la temperatura, cae de manera predecible a lo largo de una línea llamada línea de agua meteórica global (GMWL). Esta gráfica 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 de otro tipo en cuerpos de agua, así como los procesos de aguas subterráneas, también alteran de manera diferencial las proporciones de isótopos pesados de hidrógeno y oxígeno en aguas dulces y saladas, de manera característica y, a menudo, distintiva regionalmente. [34] La relación de concentración de 2 H a 1 H generalmente se indica con un delta como δ 2 H y los patrones geográficos de estos valores se trazan 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. [35] [36]
Las técnicas de dispersión de neutrones se benefician particularmente de la disponibilidad de muestras deuteradas: las secciones transversales H y D son muy distintas y de signo diferente, lo que permite la variación del contraste en tales experimentos. Además, un problema molesto del hidrógeno ordinario es su gran sección transversal 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 de todos los materiales de la química orgánica y las ciencias biológicas, 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 moderna instalación de deuteración, [37] llenan un nicho en muchos estudios de macromoléculas en biología y muchas otras áreas.
Esto se analiza a continuación. Es de destacar que, aunque la mayoría de las estrellas, incluido el Sol, generan energía durante la mayor parte de su vida fusionando hidrógeno en elementos más pesados, esa fusión de hidrógeno ligero (protio) nunca ha tenido éxito en las condiciones que se pueden alcanzar en la Tierra. Por 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.
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 isotópico cinético , los fármacos que contienen deuterio pueden tener tasas de metabolismo significativamente más bajas y, por tanto, una vida media más larga . [38] [39] [40] En 2017, la deutetrabenazina se convirtió en el primer fármaco deuterado en recibir la aprobación de la FDA. [41]
El deuterio se puede utilizar para reforzar enlaces CH específicos vulnerables a la oxidación dentro de nutrientes esenciales o condicionalmente esenciales , [42] 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 peroxidación lipídica que daña las células vivas. [43] [44] 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 . [45] [41]
Las vacunas vivas, como la vacuna oral contra la polio , pueden estabilizarse con deuterio, solo o en combinación con otros estabilizadores como el MgCl 2 . [46]
Se ha demostrado que el deuterio alarga el período de oscilación del reloj circadiano cuando se administra en ratas, hámsteres y dinoflagelados de Gonyaulax . [47] [48] [49] [50] En ratas, la ingesta crónica de 25% de D 2 O altera el ritmo circadiano al alargar el período circadiano de los ritmos dependientes del núcleo supraquiasmático en el hipotálamo del cerebro. [49] Los experimentos en hámsteres también respaldan la teoría de que el deuterio actúa directamente sobre el núcleo supraquiasmático para alargar el período circadiano de funcionamiento libre. [51]
La existencia de isótopos no radiactivos de elementos más ligeros se había sospechado en estudios sobre el neón ya en 1913, y se había demostrado mediante espectrometría de masas de elementos ligeros en 1920. En aquella época aún no se había descubierto el neutrón y la teoría predominante era que los isótopos de elementos ligeros Un elemento se diferencia 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 a1 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 tanto, se pensaba que el hidrógeno no tenía isótopos pesados.
Fue detectado espectroscópicamente por primera vez 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 para1 ml de líquido, utilizando el laboratorio de física de baja temperatura que se había establecido recientemente en la Oficina Nacional de Estándares en Washington, DC (ahora Instituto Nacional de Estándares y Tecnología ). La técnica se había utilizado anteriormente para aislar isótopos pesados de neón. La técnica de ebullición criogénica concentró la fracción del isótopo de hidrógeno de masa 2 a un grado que hizo que su identificación espectroscópica fuera inequívoca. [52] [53]
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 Lewis , quien había propuesto el nombre "deucio". El nombre se deriva del griego deuteros ('segundo'), y el núcleo debe llamarse "deuteron" o "deuton". A los isótopos y a los nuevos elementos tradicionalmente se les daba el nombre que decidía su descubridor. Algunos científicos británicos, como Ernest Rutherford , querían que el isótopo se llamara "diplogen", del griego diploos ('doble'), y que el núcleo se llamara "diplon". [4] [54]
La cantidad inferida para la abundancia normal de este isótopo pesado de hidrógeno era tan pequeña (sólo alrededor de 1 átomo entre 6400 átomos de hidrógeno en el agua del océano (156 deuterios por millón de hidrógenos)) que no había afectado notablemente las mediciones anteriores de la masa atómica (promedio) del hidrógeno. . Esto explica por qué no se había sospechado experimentalmente antes. Urey pudo concentrar agua para mostrar un enriquecimiento parcial de deuterio. Lewis , asesor graduado de Urey en Berkeley , había preparado y caracterizado las primeras muestras de agua pesada pura en 1933. El descubrimiento del deuterio, anterior al descubrimiento del neutrón en 1932, supuso un shock experimental para la teoría , pero cuando se informó sobre el neutrón Para explicar mejor la existencia del deuterio, Urey recibió el Premio Nobel de Química sólo tres años después del aislamiento del isótopo. Lewis quedó 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. [55] [56] [57] [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, pasando de contrabando todo el suministro mundial de agua pesada (que se había fabricado en Noruega) en veintiséis bidones de acero. [58] [59]
Durante la Segunda Guerra Mundial , se sabía que la Alemania nazi estaba realizando experimentos utilizando agua pesada como moderador para el diseño de un reactor nuclear . Estos experimentos eran motivo de preocupación porque podrían permitirles producir plutonio para una bomba atómica . En última instancia, esto condujo a la operación aliada denominada " sabotaje noruego de agua pesada ", cuyo objetivo era destruir la instalación de producción y 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 en el programa como se había pensado anteriormente. Los alemanes sólo habían completado 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, [ se necesita aclaración ] en parte debido a la operación de sabotaje de agua pesada de Noruega. Sin embargo, incluso si los alemanes hubieran logrado poner en funcionamiento un reactor (como hizo Estados Unidos con Chicago Pile-1 a finales de 1942), todavía les habrían faltado al menos varios años para desarrollar una bomba atómica . El proceso de ingeniería, incluso con el máximo esfuerzo y financiación, requirió alrededor de 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 los Estados Unidos y que explotó el 1 de noviembre de 1952, fue la primera " bomba de hidrógeno " (bomba termonuclear) totalmente exitosa. 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, más que un arma entregable. En su centro, un criostato o matraz de vacío aislado, cilíndrico muy grande , contenía deuterio líquido criogénico en un volumen de aproximadamente 1000 litros (160 kilogramos de masa, si este volumen se hubiera llenado completamente). Luego, se utilizó una bomba atómica convencional (la "primaria") en un extremo de la bomba 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 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 , siendo el litio 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 rápidamente inician una fusión termonuclear , liberando abundante energía, helio-4 e incluso más neutrones libres. . Se cree que las armas de fusión "puras", como la Tsar Bomba, están obsoletas. En la mayoría de las armas termonucleares modernas ("impulsadas"), la fusión proporciona directamente sólo una pequeña fracción de la energía total. La fisión de un uranio natural U-238 mediante neutrones rápidos producidos a partir de la fusión DT supone una liberación de energía mucho mayor (es decir, aumentada) que la propia reacción de fusión.
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 dichos planetas contienen una gran cantidad de hidrógeno metálico líquido, que puede ser responsable de los potentes campos magnéticos observados . [60] [61]
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 sincrotrón de protones del CERN [62] y en el sincrotrón de gradiente alterno del Laboratorio Nacional Brookhaven . [63] Un átomo completo, con un positrón orbitando alrededor del núcleo, se llamaría antideuterio , pero hasta 2019 [actualizar]aún no se ha creado el antideuterio. El símbolo propuesto para el antideuterio es
D
, es decir, D con una barra superior. [64]
![{\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){\grande)}\derecha]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/a3c23357e4baf596b679ef024306fab09a5396a8)
