DEUTERIO
DEUTERIO
Deuterio o idrogeno pesante o diplogene è l'atomo d'idrogeno il cui peso è circa due (2,01309 nelle unità standard per i pesi atomici), ossia circa il doppio del peso dell'atomo d'idrogeno comunemente conosciuto. Questa differenza nel peso è dovuta al fatto che mentre quest'ultimo ha un nucleo composto unicamente di un protone, il deuterio ha un nucleo composto di un protone intimamente collegato con un neutrone. Questo neutrone aggiunto non varia naturalmente la carica del nucleo, che seguita ad essere quella di uno ione positivo d'idrogeno, né la specie chimica dell'elemento, che seguita ad essere idrogeno (ossia un atomo con un unico elettrone gravitante intorno al nucleo), ma varia il peso dell'atomo. In altre parole il deuterio è un isotopo a peso due, dell'idrogeno normale. Lo si indica col simbolo D o con quello 2H. Per es., la molecola di deuterio corrispondente a quella H2 dell'idrogeno normale è D2.
Esso appartiene a quella categoria di isotopi rari come l'O17 e l'O18, come il C13 e l'N16 che le analisi con gli spettrografi di massa non avevano messo in evidenza in un primo tempo e che furono rivelati dalle ricerche sugli spettri di bande. Come questi anche il deuterio fu scoperto, nel 1932, per via spettroscopica, esaminando e confrontando lo spettro atomico dell'idrogeno gassoso e di un campione di questo ottenuto da un residuo d'idrogeno liquido distillato in vicinanza del suo punto triplo (v. oltre). Va a C. Urey, F. G. Brickwedde e G. M. Murphy il merito di questa scoperta che tanta importanza ha avuto nelle ricerche di fisica nucleare, di chimica fisica, ecc.
La percentuale d'idrogeno pesante, presente nell'idrogeno elettrolitico normale, rispetto all'idrogeno di peso uno, è, secondo le misure più recenti, di circa 1/5000; il suo peso è, secondo le determinazioni più recenti, 2,01473 (in unità atomiche) facendo uguale a 16 il peso dell'O16; il peso atomico medio dell'elemento idrogeno così come lo si trova in natura è, in unità chimiche standard, 1,0077.
Il più grande progresso nelle ricerche sul deuterio, quello che ha determinato la possibilità di impiegarlo correntemente ormai nelle ricerche fisiche, chimiche e biologiche, è stato realizzato da E. W. Washburn, G. N. Lewis, T. Mac Donald, che hanno trovato il metodo per ottenere la cosiddetta acqua pesante (acqua con idrogeno pesante) concentrata, in quantità relativamente considerevoli. Tale metodo consiste essenzialmente nel sottoporre, p. es., una soluzione di NaOH a un'elettrolisi continuata fino a che non si raggiunge una concentrazione tale da impedire l'elettrolisi medesima. Parte della soluzione viene allora tolta, l'alcali neutralizzato e precipitato fino a ottenere per filtraggio dell'acqua pura arricchita di acqua pesante. Quest'acqua filtrata viene allora utilizzata per diluire la soluzione residua e ripetere l'elettrolisi.
Si ripete così per molte volte e via via il tenore in acqua pesante della soluzione aumenta perché l'idrogeno normale esala per elettrolisi più facilmente del deuterio. Approssimativamente occorrono 25 litri per ottenere un residuo di 1 cmc. di acqua pesante pura all'1/1000.
Data la diversità considerevole, nella massa, fra l'idrogeno normale e il deuterio (rapporto circa 1/2), le proprietà fisiche e fisico-chimiche (nei fenomeni di cinetica chimica) del deuterio sono sensibilmente diverse da quelle dell'idrogeno.
Limitandosi ad accennare alle principali possiamo ricordare, oltre le differenze negli spettri atomici (la massa modifica la costante di Rydberg che per il deuterio è più grande di 29,86 cm.-1) e molecolari (p. es., le frequenze di oscillazione diversificano nel rapporto 2/√3 e i livelli rotazionali dell'idrogeno normale sono a distanza doppia di quelli del deuterio), la diversità della temperatura del punto triplo (punto caratterizzato, com'è noto, dalla coesistenza dei tre stati, solido, liquido e vapore) e della temperatura di ebollizione (20°,38 ass. per l'H2; 23°,5 ass. per il D2), la diversità dei calori specifici molecolari e dei calori latenti di fusione e evaporazione, la diversa velocità di diffusione (oltre che nei gas anche nel palladio) la diversa velocità di reazione, sia dei due isotopi sia dei loro composti, ecc.
Per es., sulla diversa velocità di diffusione nei gas (il deuterio, più pesante, si diffonde più lentamente) è basato il metodo di Hertz per separare i due isotopi (metodo brillantissimo, già usato nella separazione degli isotopi del neon dallo stesso Hertz e che ha permesso di avere il deuterio spettroscopicamente puro); sulla diversità delle tensioni di vapore nel punto triplo, il metodo di separazione di Urey, ecc., che ha condotto alla scoperta del deuterio.
La tabella seguente dà le tensioni di vapore dei due isotopi nei corrispondenti punti tripli:
Infine, il nucleo dell'idrogeno ha, com'è noto, un momento meccanico intrinseco uguale a ½ (in unità atomiche) mentre quello del deuterio è uguale a 1. Tutte le proprietà quindi, subordinate al valore di questo momento (in particolare quelle delle intensità alternate delle righe spettrali) sono diverse.
Sono anzi i rapporti di intensità di queste righe (rispettivamente dovute all'orto- e para- idrogeno nello spettro dell'idrogeno e al para- e orto- deuterio nello spettro di quest'ultimo) che hanno permesso di stabilire il valore dei momenti meccanici nucleari. Ai momenti meccanici corrispondono dei momenti magnetici proprî dei due nuclei anch' essi diversi. Secondo le misure di O. Sterne e J. Estermann e di J. J. Rabi, J. M. B. Kellogg e I. R. Zacharias, il momento magnetico del protone è circa 3 magnetoni nucleari di Bohr (circa tre volte il valore eh/4πMc dove e è la carica dell'elettrone, h la costante di Planck, M la massa del protone e c la velocità della luce), mentre quello del deutone è 0,7 magnetoni.
Lo ione del deuterio, il deutone, ha acquistato un'importanza immensa nelle ricerche di fisica nucleare. Effettivamente i deutoni, impiegati come ioni gassosi nei cyclatron e negl'impianti di alta tensione per le disintegrazioni nucleari, si sono dimostrati proiettili della più grande efficacia. Questo fatto è dovuto alla caratteristica di avere, a parità di carica, una massa doppia degli ioni di idrogeno normale, utilizzati per primi in queste esperienze di disintegrazione artificiale degli elementi. Tali disintegrazioni avvengono, con cattura, da parte del nucleo disintegrantesi, del deutone e conseguente emissione, o di un neutrone, o di un protone (è il caso più frequente) o di una particella alfa (nei nuclei leggieri). Fra le prime sono le disintegrazioni del litio e del berillio che, insieme con quella che s'ottiene dall'urto dei deutoni con deutoni, sono usate largamente per ottenere delle sorgenti molto intense di neutroni e destinate a essere le più sfruttate nell'avvenire, quando si creeranno, su vasta scala, le sostanze radioattive artificiali, secondo il metodo Fermi.
L'ultima delle reazioni nucleari ora ricordata, quella del deuterio (in generale sotto forma di acqua pesante) bombardato da deutoni, conduce all'identificazione di un nuovo isotopo dell'idrogeno, l'idrogeno a peso tre (che in piccolissima percentuale sembra anche esistere nell'elemento naturale), secondo lo schema sperimentalmente provato
Bibl.: I. Farkas, Das schwere Wasserstoffisotop, in Naturw., XXII (1934), pp. 614, 640, 658; R. Frericks, Das Wasserstoffisotop, in Erg. der Exat. Naturw., XIII (1934); F. Kirchner, Elementumwandlung durch schnelle Wasserstoffkerne, ibid., XIII (1934); G. Bottecchia, Idrogeno pesante e acqua pesante, in Nuovo Cim., II (1934); H. C. Urey e G. K. Teal, Hydrogen Isotope of Atomic Weight Two, in Rev. Mod. Phys., VII, 1935.