Deutério - Deuterium

Deutério, hidrogênio-2,  2 H
Hidrogênio-2.svg
Isótopo de deutério destacado em uma tabela truncada de nuclídeos para os números atômicos de 1 a 29. O número de nêutrons começa em zero e aumenta para baixo. O número de prótons começa em um e aumenta para a direita. Isótopos estáveis em azul.
Em geral
Símbolo 2 H
Nomes deutério, H-2, hidrogênio-2, D
Prótons 1
Nêutrons 1
Dados de nuclídeos
Abundância natural 0,0156% (Terra)
Massa isotópica 2.01410177811 u
Rodar 1 +
Excesso de energia 13135,720 ± 0,001 keV
Energia de ligação 2224,52 ± 0,20 keV
Isótopos de hidrogênio
Tabela completa de nuclídeos

Deutério (ou hidrogênio-2 , símbolo2
H
ou
D
, também conhecido como hidrogênio pesado ) é um dos dois isótopos estáveis de hidrogênio (o outro sendo prótio , ou hidrogênio-1). O núcleo de um deutério átomo , chamado de deutério , contém um protão e um neutrão , enquanto que o protium muito mais comum não tem neutrões no núcleo. O deutério tem uma abundância natural nos oceanos da Terra de cerca de um átomo em6420 de hidrogênio. Assim, o deutério é responsável por aproximadamente 0,0156% (0,0312% em massa) de todo o hidrogênio que ocorre naturalmente nos oceanos, enquanto o prótio é responsável por mais de 99,98%. A abundância de deutério muda ligeiramente de um tipo de água natural para outro (ver Vienna Standard Mean Ocean Water ).

O nome deutério é derivado do grego deuteros , que significa "segundo", para denotar as duas partículas que compõem o núcleo. O deutério foi descoberto e nomeado em 1931 por Harold Urey . Quando o nêutron foi descoberto em 1932, a estrutura nuclear do deutério ficou óbvia, e Urey ganhou o Prêmio Nobel em 1934 "por sua descoberta do hidrogênio pesado". Logo após a descoberta do deutério, Urey e outros produziram amostras de " água pesada " nas quais o conteúdo de deutério estava altamente concentrado.

O deutério é destruído no interior das estrelas mais rápido 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, 13,8 bilhões de anos atrás, já que a razão 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. Esta é a proporção encontrada nos planetas gigantes gasosos, como Júpiter. A análise das proporções de 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 dos oceanos 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 a da água da Terra. Este número é o mais alto já medido em um cometa.

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

Diferenças do hidrogênio comum (protium)

Símbolo químico

Deutério é frequentemente representado pelo símbolo químico D. Uma vez que é um isótopo de hidrogênio com número de massa 2, também é representado por2
H
. IUPAC permite D e2
H
, Apesar 2
H
é preferível. 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 o protium ( 1 H) (deutério tem uma massa de2,014 102  u , em comparação com o peso atômico médio de hidrogênio de1,007 947  u , e a massa do prótio de1.007 825  u ) confere dissimilaridades químicas não desprezíveis com compostos contendo prótio, enquanto as razões 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 mais simplesmente no modelo de Bohr do átomo, 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 o cálculo dos 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 da massa do elétron para o núcleo atômico. Para o hidrogênio, essa quantidade é cerca de 1837/1836, ou 1,000545, e para o deutério é ainda menor: 3671/3670 ou 1,0002725. As energias das linhas espectroscópicas para deutério e hidrogênio leve ( hidrogênio-1 ), portanto, diferem 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 na espectroscopia vibracional, como espectroscopia infravermelha e espectroscopia Raman , e em espectros rotacionais, como espectroscopia de micro-ondas, porque a massa reduzida do deutério é marcadamente maior do que a do prótio. Na espectroscopia de ressonância magnética nuclear , o deutério tem uma frequência de RMN muito diferente (por exemplo, 61 MHz quando o prótio está a 400 MHz) e é muito menos sensível. Os solventes deuterados são geralmente usados ​​em RMN de prótio para evitar que o solvente se sobreponha ao sinal, embora a RMN de deutério por si só também seja possível.

Nucleossíntese Big Bang

Acredita-se que o deutério tenha desempenhado um papel importante na definição do número e da proporção dos elementos que se formaram 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 resfriou o suficiente para permitir a formação de núcleos . Este cálculo indica sete prótons para cada nêutron no início da nucleogênese , uma proporção que permaneceria estável mesmo após o término da nucleogênese. Essa fração era a favor dos prótons inicialmente, principalmente porque a massa inferior do próton favorecia sua produção. À medida que o Universo se expandia, ele esfriava. Nêutrons e prótons livres são menos estáveis ​​do que os núcleos de hélio , e os prótons e nêutrons tinham 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 grande parte dos poucos minutos após o Big Bang, durante os quais a nucleossíntese poderia ter ocorrido, a temperatura estava 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 de deutério . O gargalo atrasou a formação de qualquer hélio-4 até que o Universo esfriasse o suficiente para formar o deutério (a uma temperatura equivalente a 100 keV ). Neste ponto, houve uma explosão repentina de formação de elemento (primeiro deutério, que imediatamente se fundiu ao hélio). No entanto, logo depois disso, vinte minutos após o Big Bang, o Universo tornou-se frio demais para que ocorressem mais fusões nucleares e nucleossíntese. Neste ponto, as abundâncias elementares foram quase fixas, com a única mudança conforme alguns dos produtos radioativos da nucleossíntese do Big Bang (como o trítio ) decaem. O gargalo do deutério na formação do hélio, junto com a falta de formas estáveis ​​de 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 a formação de 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

Deutério ocorre em pequenas quantidades naturalmente como gás deutério , escrito2
H
2 ou D 2 , mas a maioria dos átomos que ocorrem naturalmente no Universo estão ligados a um típico1
H
átomo, um gás chamado deutereto de hidrogênio (HD ou1
H
2
H
)

A existência de deutério na Terra, em outras partes do Sistema Solar (conforme confirmado por sondas planetárias), e nos espectros de 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 à sua abundância natural observada. O deutério é produzido pelo raro decaimento do aglomerado e pela 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 rápido do que a reação próton-próton que cria o deutério. No entanto, o deutério persiste na atmosfera solar externa aproximadamente na mesma concentração de Júpiter, e isso provavelmente não mudou desde a origem do Sistema Solar. A abundância natural de deutério parece ser uma fração muito semelhante do 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 a abundância de deutério não evoluiu 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 está apenas 15% abaixo da proporção primordial estimada do 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 em nossa galáxia do que o esperado, ou talvez o deutério foi 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 pó 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 do ISO-SWS encontraram 22 átomos por milhão de átomos de hidrogênio em Júpiter. e acredita-se que essa abundância represente perto da proporção do sistema solar primordial. Isso é cerca de 17% da razão terrestre de deutério para hidrogênio 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 recente medição da quantidade de deutério de 161 átomos D por milhão de hidrogênio no cometa 103P / Hartley (um antigo objeto do cinturão de Kuiper ), uma proporção quase exata que nos oceanos da Terra, enfatiza a teoria de que a água da superfície da Terra pode ser em grande parte derivada de cometas. Mais recentemente, a proporção deutério-prótio (D-H) de 67P / Churyumov-Gerasimenko medida pela Rosetta é cerca de três vezes a da água da Terra, um valor alto. Isso gerou um interesse renovado em sugestões de que a água da Terra pode ser parcialmente de origem asteroidal.

Observou-se também que o deutério está 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 de ocorrência 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 tem oito usinas de água pesada, das quais sete estão em operação. Seis usinas, das quais cinco estão em operação, baseiam-se na troca D – H no gás amônia. As outras duas plantas extraem o deutério da água natural em um processo que usa gás sulfureto de hidrogênio em alta pressão.

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

Propriedades

Propriedades físicas

Comparado ao hidrogênio em sua composição natural na Terra, o deutério puro (D 2 ) 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 elevada (1,6496 MPa vs 1,2858 MPa).

As propriedades físicas dos compostos de deutério podem exibir efeitos de isótopos cinéticos significativos e outras diferenças de propriedades físicas e químicas dos análogos de protium. D 2 O , por exemplo, é mais viscoso do que o H 2 S . Quimicamente, existem diferenças na energia da ligação e no comprimento dos compostos de isótopos de hidrogênio pesados ​​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.

O deutério pode substituir o protium nas moléculas de água para formar a água pesada (D 2 O), que é cerca de 10,6% mais densa do que a água normal (de modo que o gelo feito a partir dele afunda na água comum). A água pesada é levemente tóxica em animais eucarióticos , com 25% da substituição da água corporal causando problemas de divisão celular e esterilidade, e 50% da substituição causando morte por síndrome citotóxica (falha da medula óssea e falha do revestimento gastrointestinal). Organismos procarióticos , entretanto, podem sobreviver e crescer em água pura e pesada, embora se desenvolvam lentamente. Apesar dessa toxidade, o consumo de água pesada em circunstâncias normais não representa uma ameaça à saúde humana. Estima-se que uma pessoa de 70 kg (154 lb) possa beber 4,8 litros (1,3 US gal) de água pesada sem consequências graves. Pequenas doses de água pesada (alguns gramas em humanos, contendo uma quantidade de deutério comparável à normalmente presente no corpo) são usadas rotineiramente como traçadores metabólicos inofensivos em humanos e animais.

Propriedades quânticas

O deutério tem spin +1 (" estado tripleto ") e, portanto, é um bóson . A frequência de NMR do deutério é significativamente diferente do hidrogênio leve comum. A espectroscopia de infravermelho também diferencia facilmente muitos compostos deuterados, devido à grande diferença na frequência de absorção de IV vista 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 núcleo tripleto deutério mal está ligado em E B =2,23 MeV , e nenhum dos estados de energia mais elevados são limitados. O singlete deuteron 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 o espalhamento inelástico nêutron-próton, sendo responsável pela seção transversal de espalhamento de nêutron incomumente grande do próton.

Propriedades nucleares (o deuteron)

Massa e raio de Deuteron

O núcleo de deutério é chamado de deutério . Tem uma massa de2.013 553 212 745 (40) u (um pouco mais1.875 GeV ).

O raio de carga do deuteron é2,127 99 (74)  fm .

Como o raio do próton , as medições usando deutério muônico produzem um resultado menor:2,125 62 (78)  fm .

Giro e energia

O deutério é um dos cinco nuclídeos estáveis com um número ímpar de prótons e um número ímpar de nêutrons. (2
H
, 6
Li
, 10
B
, 14
N
, 180m
Ta
; também, os nuclídeos radioativos de vida longa40
K
, 50
V
, 138
La
, 176
Lu
ocorrem naturalmente.) A maioria dos núcleos ímpares são instáveis ​​em relação ao decaimento beta , porque os produtos do decaimento são pares-pares e, portanto, estão mais fortemente ligados, devido aos efeitos de emparelhamento nuclear . O deutério, entretanto, se beneficia por ter seu próton e nêutron acoplados a um estado de spin-1, o que dá uma atração nuclear mais forte; o estado de 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 cada partícula dá uma energia de ligação mais baixa para o sistema, principalmente devido ao aumento da distância das partículas no gradiente íngreme da força nuclear. Em ambos os casos, isso faz com que o diproton e dineutron núcleo a ser instável .

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

O deutério diatômico (D 2 ) tem isômeros de spin orto e para nuclear como o hidrogênio diatômico, mas com diferenças no número e população de estados de spin e níveis de rotação , que ocorrem porque o deutério é um bóson com spin nuclear igual a um.

Estado isospin singlet do deuteron

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

Isospin é uma simetria SU (2) , como o spin comum , então é completamente análogo a ela. O próton e o nêutron, cada um dos quais com iso spin- 12 , formam um dupleto de isospin (análogo a um dupleto de spin ), com um estado "para baixo" (↓) sendo um nêutron e um estado "para cima" (↑) sendo um próton. Um par de nucleons pode estar em um estado anti-simétrico de isospin chamado singleto , ou em um estado simétrico chamado tripleto . Em termos de estado "para baixo" e estado "para cima", o singlet é

, que também pode ser escrito:

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

e, portanto, consiste em três tipos de núcleos, que deveriam ser simétricos: um núcleo de deutério (na verdade, um estado altamente excitado ), um núcleo com dois prótons e um núcleo com dois nêutrons. Esses estados não são estáveis.

Função de onda aproximada do deutério

A função de onda deutério 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 antissimétrica em geral). Além de sua isospin, os dois nucleons também têm spin e distribuições espaciais de sua função de onda. O último é simétrico se o deuteron é simétrico sob paridade (ou seja, tem uma paridade "par" ou "positiva"), e antissimétrico se o deuteron é antissimétrico sob paridade (ou seja, tem uma paridade "ímpar" ou "negativa"). A paridade é totalmente determinada pelo momento angular orbital total dos dois núcleons: se for par, então a paridade é par (positiva), e se for ímpar, então a paridade é ímpar (negativa).

O deutério, sendo um singuleto isospin, é antissimétrico sob a troca de nucleons devido à isospin e, portanto, deve ser simétrico sob a troca dupla de seu spin e localização. Portanto, pode estar em um dos dois estados diferentes a seguir:

  • Spin simétrico e simétrico sob paridade. Neste caso, a troca dos dois nucleons irá multiplicar a função de onda de deutério por (−1) de troca de isospin, (+1) de troca de spin e (+1) de paridade (troca de localização), para um total de (−1 ) conforme necessário para a anti-simetria.
  • Spin anti-simétrico e anti-simétrico sob paridade. Neste caso, a troca dos dois nucleons irá multiplicar a função de onda de deutério por (−1) de troca de isospin, (−1) de troca de spin e (−1) de paridade (troca de localização), novamente para um total de (- 1) conforme necessário para antissimetria.

No primeiro caso, o deutério é um tripleto de spin, de modo que seu spin total s é 1. Ele também tem uma paridade par e, portanto, momento angular orbital igual l  ; Quanto menor for o momento angular orbital, menor será a energia. Portanto, o estado de energia mais baixo possível tem s = 1 , l = 0 .

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

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

As mesmas considerações levam aos possíveis estados de um tripleto 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 singuleto isospin.

A análise que acabamos de dar é de fato apenas aproximada, tanto porque isospin não é uma simetria exata e, mais importante, porque a forte interação nuclear entre os dois nucleons 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, com o 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, portanto, eles não se misturam com l estados ímpares (como s = 0 , l = 1 ). Portanto, o estado quântico do deutério é uma superposição (uma combinação linear) do estado s = 1 , l = 0 e do estado s = 1 , l = 2 , 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 uniforme (+1). O momento angular relativo de seus núcleos l não está bem definido, e o deutério é uma superposição de principalmente l = 0 com algum l = 2 .

Multipolares magnéticos e elétricos

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

com

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

Como o próton e o nêutron têm valores diferentes para g (l) e g (s) , deve-se separar suas contribuições. Cada um obtém metade do momento angular orbital de deutério e do spin . Um chega em

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

Usando as mesmas identidades que aqui e usando o valor g (l) p = 1 , chegamos ao seguinte resultado, em unidades do magneto nuclear μ N

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

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

O valor medido do momento de dipolo magnético de deutério é0,857 μ N , que é 97,5% doValor de 0,879 μ N obtido simplesmente adicionando momentos do próton e do nêutron. Isso sugere que o estado do deutério está de fato em uma boa aproximação do estado s = 1 , l = 0 , o que ocorre com os dois núcleos 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 , l = 0 estado com uma ligeira mistura de s = 1 , l = 2 estados.

O dipolo elétrico é zero, como de costume .

O quadrupolo elétrico medido do deutério é0,2859  e · fm 2 . Embora a ordem de magnitude seja razoável, uma vez que o raio de 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 obtém uma contribuição do estado l = 0 (que é o dominante) e obtém uma contribuição de um termo que mistura os estados l = 0 e l = 2, porque o operador quadrupolo elétrico sim 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 núcleons dentro do deutério.

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

Formulários

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

Reatores nucleares

Deutério ionizado em um reator de fusor emitindo seu brilho vermelho-rosado característico

O deutério é usado em reatores de fissão moderada de água pesada , geralmente como D 2 O líquido , para desacelerar os 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 D 2 líquido é usado em fontes frias para moderar nêutrons a energias muito baixas e comprimentos de onda 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 , por causa da grande taxa de reação (ou seção transversal nuclear ) e alto rendimento de energia da reação D – T. Existe um rendimento ainda maior D-3
Ele
reação de fusão, embora o ponto de equilíbrio de D-3
Ele
é maior do que a maioria das outras reações de fusão; junto com a escassez de3
Ele
, isso o 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 realizada.

Espectroscopia NMR

Espectro de emissão de uma lâmpada de arco ultravioleta de deutério

O deutério é mais comumente usado na espectroscopia de ressonância magnética nuclear de hidrogênio ( RMN de prótons ) da seguinte maneira. O NMR normalmente requer que os compostos de interesse sejam analisados ​​como dissolvidos em solução. Devido às 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 de deutério e, na prática, o deutério não é "visto" por um instrumento de NMR ajustado para hidrogênio leve . Solventes deuterados (incluindo água pesada, mas também compostos como clorofórmio deuterado, CDCl 3 ) são, portanto, rotineiramente usados ​​em espectroscopia de NMR, 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 deutério em amostras marcadas isotopicamente ( RMN de deutério ). Por exemplo, a flexibilidade na cauda, ​​que é uma longa cadeia de hidrocarbonetos, em moléculas de lipídios marcados com deutério pode ser quantificada usando NMR de deutério de estado sólido.

Os espectros de RMN de deutério são especialmente informativos no estado sólido por causa de seu momento quadrupolar relativamente pequeno em comparação com aqueles de núcleos quadrupolares maiores, como o cloro-35, por exemplo.

Rastreamento

Em química , bioquímica e ciências ambientais , o deutério é usado como um traçador isotópico estável não radioativo , por exemplo, no teste de água duplamente marcado . Em reações químicas e vias metabólicas , o deutério se comporta de maneira 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 femtossegundo , 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, junto com aquelas dos isótopos pesados ​​estáveis ​​de oxigênio 17 O e 18 O, são importantes na hidrologia , para rastrear a origem geográfica das águas da Terra. Os pesados ​​isótopos de hidrogênio e oxigênio na água da chuva (a chamada água meteórica ) são enriquecidos em função da temperatura ambiente da região em que cai a precipitação (e, portanto, o enriquecimento está relacionado à latitude média). O enriquecimento relativo dos isótopos pesados ​​na água da chuva (como referenciado como 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 que amostras de água originada pela precipitação sejam identificadas juntamente com informações gerais sobre o clima em que se originou. Os processos evaporativos e outros em corpos d'água, e também os processos de água subterrânea, também alteram diferencialmente as proporções de isótopos pesados ​​de hidrogênio e oxigênio em águas doces e salgadas, de maneiras características e frequentemente distintas em termos regionais. A razão de concentração de 2 H para 1 H é geralmente indicada com um delta como δ 2 H e os padrões geográficos desses valores são plotados em mapas denominados como isoescapes. Isótopos estáveis ​​são incorporados a plantas e animais e uma análise das proporções em um pássaro ou inseto migrante pode ajudar a sugerir um guia aproximado de suas origens.

Propriedades de contraste

As técnicas de espalhamento de nêutrons lucram particularmente com a disponibilidade de amostras deuteradas: as seções transversais H e D são muito distintas e têm sinais diferentes, o que permite variação de contraste em tais experimentos. Além disso, um problema incômodo do hidrogênio comum é sua grande seção transversal incoerente de nêutrons, que é nula para D. A substituição de átomos de hidrogênio por átomos de deutério, portanto, reduz o ruído de espalhamento.

O hidrogênio é um componente importante e principal 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 na biologia e em muitas outras áreas.

Armas nucleares

Isso é discutido abaixo. É notável que embora a maioria das estrelas, incluindo o Sol, gerem energia durante a maior parte de suas vidas fundindo hidrogênio em elementos mais pesados, tal fusão de hidrogênio leve (prótio) nunca teve sucesso 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 pequena molécula em que um ou mais átomos de hidrogênio contidos na molécula do medicamento foram substituídos por deutério. Por causa do efeito do isótopo cinético , os medicamentos 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 CH específicas vulneráveis ​​à oxidação em nutrientes essenciais ou condicionalmente essenciais , como certos aminoácidos ou ácidos graxos poliinsaturados (PUFA), tornando-os mais resistentes ao dano oxidativo. Ácidos graxos poliinsaturados deuterados , como o ácido linoléico , desaceleram a reação em cadeia da peroxidação lipídica que danifica as células vivas. Éster etílico deuterado de ácido linoléico ( RT001 ), desenvolvido pela Retrotope, está em um teste de uso compassivo na distrofia neuroaxonal infantil e concluiu com sucesso um teste de Fase I / II na ataxia de Friedreich .

Termostabilização

Vacinas vivas, como a vacina oral de poliovírus , podem ser estabilizadas por deutério, sozinho ou em combinação com outros estabilizadores, como MgCl 2 .

Retardando ocilações circadianas

Foi demonstrado que o deutério prolonga o período de oscilação do relógio circadiano quando administrado em ratos, hamsters e dinoflagelados de Gonyaulax . Em ratos, a ingestão crônica de 25% de D 2 O interrompe a ritmicidade circadiana ao alongar o período circadiano dos ritmos dependentes do núcleo supraquiasmático no hipotálamo do cérebro. Experimentos em hamsters também apóiam a teoria de que o deutério atua diretamente no núcleo supraquiasmático para prolongar o período circadiano de corrida 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. A teoria prevalecente na época era que os isótopos de um elemento diferem pela existência de prótons adicionais no núcleo acompanhado por um número igual de elétrons nucleares . Nessa 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 de1 u , a massa conhecida do próton, sempre tem um núcleo composto por um único próton (uma partícula conhecida) e não pode conter um segundo próton. Assim, pensava-se que o hidrogênio não tinha isótopos pesados.

Deutério detectado

Harold Urey , o descobridor do deutério

Foi detectado pela primeira vez espectroscopicamente 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 paramL 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 boiloff criogênica concentrou a fração do isótopo massa-2 do hidrogênio a um grau que tornou sua identificação espectroscópica inequívoca.

Nomenclatura do isótopo e Prêmio Nobel

Urey criou os nomes protium , deutium e tritium em um artigo publicado em 1934. O nome é baseado em parte no conselho de GN Lewis, que propôs o nome "deutium". O nome é derivado do grego deuteros ('segundo'), e o núcleo deve ser chamado de "deuteron" ou "deuton". Isótopos e novos elementos tradicionalmente recebiam o nome que seu descobridor decidiu. Alguns cientistas britânicos, como Ernest Rutherford , queriam que o isótopo fosse chamado de "diplogênio", dos diploos gregos ('duplo'), e que o núcleo fosse chamado de "diplon".

A quantidade inferida para a abundância normal deste isótopo pesado de hidrogênio era tão pequena (apenas cerca de 1 átomo em 6400 átomos de hidrogênio na água do oceano (156 deutério por milhão de hidrogênios)) que não afetou visivelmente as medições anteriores da massa atômica (média) do hidrogênio . Isso explicava por que não havia sido suspeitado experimentalmente antes. Urey conseguiu 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 ganhou Urey recebeu o Prêmio Nobel de Química em 1934. Lewis ficou amargurado por ter sido preterido por este reconhecimento dado a seu ex-aluno.

Experimentos de "água pesada" na Segunda Guerra Mundial

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

Durante a Segunda Guerra Mundial , a Alemanha nazista era conhecida por realizar experimentos usando água pesada como moderador para o projeto de um reator nuclear . Esses experimentos eram uma fonte de preocupação porque poderiam permitir que produzissem plutônio para uma bomba atômica . No final das contas, isso levou à operação Aliada chamada de " sabotagem norueguesa de água pesada ", cujo objetivo era destruir a instalação de produção / enriquecimento de deutério da 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. Eles foram incapazes de sustentar uma reação em cadeia. Os alemães haviam concluído apenas um pequeno reator experimental parcialmente construído (que estava escondido). No final da guerra, os alemães não tinham nem um quinto da quantidade de água pesada necessária para fazer funcionar o reator, em parte devido à operação norueguesa de sabotagem de água pesada. No entanto, mesmo se os alemães tivessem conseguido colocar um reator operacional (como os EUA fizeram com um reator de grafite 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) nos Estados Unidos e na URSS , por exemplo.

Em armas termonucleares

O invólucro do dispositivo "Salsicha" da bomba Ivy Mike H , anexado a instrumentação e equipamento criogênico. A bomba de 20 pés de altura continha um frasco 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 " totalmente bem-sucedida (bomba termonuclear). Nesse contexto, foi a primeira bomba em que a maior parte da energia liberada veio de estágios de reação nuclear que se seguiram ao estágio de fissão nuclear primária da bomba atômica . A bomba Ivy Mike era um prédio parecido com uma fábrica, ao invés de uma arma disponível. Em seu centro, um grande frasco cilíndrico isolado a vácuo ou criostato , continha deutério líquido criogênico em um volume de cerca de 1000 litros (160 quilogramas de massa, se este volume tivesse sido completamente preenchido). Em seguida, uma bomba atômica convencional (a "primária") em uma extremidade da bomba foi usada para criar as condições de temperatura e pressão extremas necessárias para detonar a reação termonuclear .

Em poucos anos, foram desenvolvidas as chamadas bombas "secas" de hidrogênio, que não precisavam de hidrogênio criogênico. As 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 deutereto 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 rapidamente se envolvem na fusão termonuclear , liberando energia abundante, hélio-4 e ainda mais nêutrons livres .

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 , uma vez que acredita-se que tais planetas contenham uma grande quantidade de hidrogênio metálico líquido, que pode ser responsável por seus poderosos campos magnéticos observados .

Dados para deutério elementar

Fórmula: D 2 ou2
1
H
2

  • Densidade: 0,180 kg / m 3 em STP (0 ° C ,101,325 kPa ).
  • Peso atômico: 2.014 101 7926  u .
  • Abundância média na água do oceano (de VSMOW ) 155,76 ± 0,1 ppm (uma proporção de 1 parte por aproximadamente 6420 partes), ou seja, cerca de0,015% dos átomos em uma amostra (por número, não peso)

Dados em aproximadamente 18 K para D 2 ( ponto triplo ):

  • Densidade:
    • Líquido: 162,4 kg / m 3
    • Gás: 0,452 kg / m 3
  • Viscosidade: 12,6  μPa · s em300 K (fase gasosa)
  • Capacidade de calor específico a pressão constante c p :
    • Sólido: 2950 J / (kg · K)
    • Gás: 5200 J / (kg · K)

Antideutério

Um antideuteron é a contraparte de antimatéria do núcleo de deutério, consistindo de um antiproton e um antineutron . 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 de antideutério , mas em 2019 o antideutério ainda não foi criado. O símbolo proposto para o antideutério é
D
, ou seja, D com uma barra superior.

Veja também

Referências

links externos


Isqueiro:
hidrogênio-1
Deutério é um
isótopo de hidrogênio
Mais pesado:
trítio
Produto de decomposição de:
-
Cadeia
de decomposição de deutério
Decai para:
Estável