Tabla periódica

Hidrógeno-2 (H-2)

El deuterio es el isótopo pesado estable del hidrógeno, un protón y un neutrón, y supone el 0,0156 % del hidrógeno natural. El agua pesada que forma modera neutrones en reactores de uranio natural, y la misma diferencia de masa lo convierte en trazador en química y medicina.

El doble de masa, y se nota

Los isótopos de un mismo elemento suelen ser intercambiables. El carbono 13 se comporta como el 12 en cualquier reacción que importe, con una diferencia de masa del 8 %.

El deuterio es un 100 % más pesado que el protio. Nada más en la tabla periódica presenta esa proporción, y por eso los isótopos del hidrógeno tienen nombres en vez de números.

Las consecuencias se miden. El agua pesada hierve a 101,4 °C en lugar de a 100, se congela a 3,8 °C en lugar de a 0, y es un 11 % más densa — un cubito de agua pesada se hunde en un vaso de agua.

⚠️ Más útil para los químicos: un enlace con deuterio se rompe más despacio que uno con protio, por un factor de seis o siete. Si sustituir un hidrógeno por deuterio ralentiza una reacción, es que ese hidrógeno intervenía en el paso lento. Este efecto isotópico cinético es una de las pocas herramientas que revelan directamente un mecanismo de reacción.

Harold Urey identificó el deuterio en 1931 y recibió el Nobel de Química tres años después.

Moderar sin absorber

Un reactor debe frenar sus neutrones. Los neutrones rápidos atraviesan el uranio 235 sin provocar fisión; frenarlos hasta energías térmicas aumenta enormemente la probabilidad.

Cualquier cosa ligera los frenará, pero el moderador debe además no absorberlos. El agua corriente frena bien y absorbe regular — lo suficiente para que un reactor que la use exija uranio enriquecido al 3 o 5 %.

El agua pesada absorbe muchos menos neutrones, porque el deuterio ya tiene el neutrón que el protio capturaría. Ese margen basta para que un reactor funcione con uranio natural, sin enriquecimiento alguno.

⚠️ Ahí está todo el interés estratégico. Un país con agua pesada puede construir un reactor sin construir una planta de enriquecimiento, y producir plutonio en ese reactor. De ahí el control de las exportaciones de agua pesada y la atención que reciben esas líneas.

Canadá levantó su programa eléctrico así. También la India, que produjo el plutonio de su primera arma en un reactor de investigación de agua pesada suministrado para uso civil.

Vemork

La planta de Norsk Hydro en Vemork, cerca de Rjukan, producía hidrógeno por electrólisis para fabricar fertilizantes. El agua pesada se acumulaba en las celdas como subproducto, al electrolizarse el isótopo ligero algo más deprisa y enriquecerse el residuo en deuterio.

En 1940 era el único productor significativo de Europa, y el programa alemán de reactor lo necesitaba.

Comandos noruegos son lanzados en paracaídas, cruzan con esquís la meseta de Hardanger en pleno invierno, escalan una garganta que los alemanes consideraban infranqueable, y destruyen las celdas en febrero de 1943 sin disparar un tiro. Siguen bombardeos aliados. En 1944, saboteadores hunden un transbordador que llevaba las existencias restantes por el lago Tinn.

⚠️ Cuánto influyó realmente se discute — el programa alemán padecía otros males, entre ellos el abandono del grafito como moderador a partir de medidas hechas con material contaminado. Pero la operación eliminó la única fuente europea de un material sobre el que ese programa había apostado.

Trazar sin irradiar

Como el deuterio es estable, puede administrarse a personas.

El agua doblemente marcada — con deuterio y oxígeno 18 — es el método de referencia para medir el gasto energético en sujetos que hacen vida normal. El sujeto bebe una dosis y aporta muestras de orina los días siguientes; los dos isótopos abandonan el cuerpo a ritmos distintos, y la diferencia da la producción de dióxido de carbono, y por tanto el gasto.

Así aprendió la disciplina que el gasto energético humano varía mucho menos entre poblaciones y formas de vida de lo que se suponía.

⚠️ El deuterio sirve también para diseñar fármacos. Sustituir un hidrógeno allí donde una enzima ataca la molécula ralentiza su degradación y prolonga su efecto. El primer fármaco deuterado se autorizó en 2017; es una estrategia de diseño real, no una curiosidad.

Beberla

El agua pesada no es radiactiva y un vaso es inofensivo.

Sustituir una fracción importante del agua del cuerpo es otra cosa. La división celular depende de reacciones con enlaces de hidrógeno, y ralentizarlas por un factor de seis altera la mitosis. Mamíferos alimentados exclusivamente con agua pesada mueren cuando su agua corporal alcanza en torno al 25 % de deuterio.

⚠️ Llegar ahí supone no beber casi otra cosa durante días, y el agua pesada cuesta lo bastante para que sea una forma cara de hacerse daño. La presentación sensacionalista del agua pesada como veneno es técnicamente cierta y prácticamente irrelevante.

Identidad

Protones
1
Neutrones
1
Número másico
2
Masa
2.014102 ± 0.000015 u
Exceso de masa
13.136 MeV
Espín
1+*

Estabilidad

estable

Presencia natural

0.0145 % del hidrógeno

FAQ

¿Por qué doblar la masa importa en el hidrógeno y no en otros elementos?
Porque la diferencia relativa es enorme. El carbono 13 es un 8 % más pesado que el 12; el deuterio es un 100 % más pesado que el protio. Ningún otro elemento de la tabla tiene isótopos separados por esa proporción, y por eso los del hidrógeno llevan nombres distintos y presentan una química mensurablemente diferente.
¿Para qué sirve el agua pesada?
Frena neutrones sin absorber muchos, lo que permite a un reactor funcionar con uranio natural en lugar de enriquecido. El agua corriente absorbe los suficientes para hacer necesario el enriquecimiento. Los reactores canadienses CANDU usan agua pesada por esa razón, lo que evita una planta de enriquecimiento — y también explica que esté vigilada por no proliferación.
¿Por qué se saboteó una fábrica noruega?
La planta de Vemork en Rjukan era el único productor de agua pesada a gran escala de Europa, y Alemania la necesitaba para su programa de reactor. Comandos noruegos destruyeron las celdas de producción en febrero de 1943 en una operación realizada con esquís, y un sabotaje posterior hundió un transbordador que llevaba el resto de las existencias.
¿Es tóxica el agua pesada?
En grandes cantidades sí, pero no por radiactividad — el deuterio es estable. Las reacciones que implican hidrógeno transcurren más despacio con deuterio, y si se sustituye una fracción importante del agua del cuerpo, la división celular falla. Habría que beber poco más que eso durante días; un vaso ocasional no hace nada.

Todos los isótopos del hidrógeno