Isótopos de hidrógeno

El hidrógeno  (1H) tiene tres isótopos naturales, a veces denominados1H, 2H, y 3H.. Los dos primeros son estables, mientras que el 3H. tiene una vida media de 12,32 años. También hay isótopos más pesados, que son todos sintéticos y tienen una vida media inferior a un zeptosegundo (10−21 segundos). De estos, el  5H  es el más estable y el 7H el menos.

El hidrógeno es el único elemento cuyos isótopos tienen diferentes nombres de uso común hoy en día: el isótopo 2H (o hidrógeno-2) es deuterio y el isótopo 3H (o hidrógeno-3) es tritio. Los símbolos D y T se utilizan a veces para deuterio y tritio. La IUPAC acepta los símbolos D y T, pero recomienda utilizar símbolos isotópicos estándar (2H, y 3H) para evitar confusión en la clasificación alfabética de fórmulas químicas. El isótopo ordinario del hidrógeno, sin neutrones, a veces se llama protio. (Durante los primeros estudios de la radiactividad, se dieron nombres a algunos otros isótopos radiactivos pesados, pero esos nombres rara vez se utilizan en la actualidad).

1 ( ) – La incertidumbre (1σ) se da de forma concisa entre paréntesis después de los últimos dígitos correspondientes.

2 Modos de descomposición:

n: Emisión de neutrones

3 Símbolo en negrita como hijo: el producto hijo es estable.

4 ( ) valor de giro: indica giro con argumentos de asignación débiles.

5 # – Los valores marcados con # no se derivan puramente de datos experimentales, sino al menos en parte de las tendencias de los nucleidos vecinos (TNN).

6 A menos que se produzca la desintegración de protones.

7 Éste y el 3He son los únicos nucleidos estables con más protones que neutrones.

8 Producido durante la nucleosíntesis del Big Bang.

9 El hidrógeno del tanque tiene una abundancia de         2H tan baja como 3,2 × 10−5  (fracción molar).

10 Producido durante la nucleosíntesis del Big Bang, pero no primordial, ya que desde entonces todos esos átomos se han desintegrado a 3He.

11 cosmogénico

Hidrógeno-1 (protio)

El 1H (masa atómica 1,007825032241(94) Da) es el isótopo de hidrógeno más común con una abundancia de más del 99,98%. Debido a que el núcleo de este isótopo consta de un solo protón, se le da el nombre formal de protio.

Nunca se ha observado que el protón se desintegre y, por lo tanto, el hidrógeno-1 se considera un isótopo estable. Algunas grandes teorías unificadas propuestas en la década de 1970 predicen que la desintegración de protones puede ocurrir con una vida media de entre 1031 y 1036 años. Si se comprueba que esta predicción es cierta, entonces el hidrógeno-1 (y de hecho todos los núcleos que hoy se consideran estables) sólo son estables desde el punto de vista observacional. Hasta la fecha, los experimentos han demostrado que la vida media mínima del protón supera los 1.034 años.

Hidrógeno-2 (deuterio)

El 2H (masa atómica 2,01410177811(12) Da), el otro isótopo estable del hidrógeno, se conoce como deuterio y contiene un protón y un neutrón en su núcleo. El núcleo del deuterio se llama deuterón. El deuterio comprende entre el 0,0026% y el 0,0184% (por población, no por masa) de las muestras de hidrógeno en la Tierra; el número más bajo tiende a encontrarse en muestras de gas hidrógeno y el mayor enriquecimiento (0,015% o 150 ppm) típico del agua del océano. El deuterio en la Tierra se ha enriquecido con respecto a su concentración inicial en el Big Bang y el sistema solar exterior (unas 27 ppm, por fracción atómica) y su concentración en partes más antiguas de la Vía Láctea (unas 23 ppm). Presumiblemente, la concentración diferencial de deuterio en el sistema solar interior se debe a la menor volatilidad del gas y los compuestos de deuterio, que enriquecen las fracciones de deuterio en cometas y planetas expuestos a una cantidad significativa de calor del Sol durante miles de millones de años de evolución del sistema solar.

El deuterio no es radiactivo y no representa un riesgo de toxicidad significativo. El agua enriquecida en moléculas que incluyen deuterio en lugar de protio se llama agua pesada. El deuterio y sus compuestos se utilizan como marcador no radiactivo en experimentos químicos y en disolventes para espectroscopia de 1H-NMR. El agua pesada se utiliza como moderador de neutrones y refrigerante en los reactores nucleares. El deuterio también es un combustible potencial para la fusión nuclear comercial.

Hidrógeno-3 (tritio)

El 3H (masa atómica 3.01604928199(23) Da) se conoce como tritio y contiene un protón y dos neutrones en su núcleo. Es radiactivo y se desintegra en helio-3 mediante desintegración β- con una vida media de 12,32 años. Se producen trazas de tritio de forma natural debido a la interacción de los rayos cósmicos con los gases atmosféricos. También se ha liberado tritio durante las pruebas de armas nucleares. Se utiliza en armas de fusión termonuclear, como trazador en geoquímica de isótopos y está especializado en dispositivos de iluminación autoalimentados.

El método más común para producir tritio es bombardear un isótopo natural de litio, el litio-6, con neutrones en un reactor nuclear.

El tritio alguna vez se usó de forma rutinaria en experimentos de marcado químico y biológico como radiomarcador, lo que se ha vuelto menos común en los últimos tiempos. La fusión nuclear D-T utiliza el tritio como principal reactivo, junto con el deuterio, liberando energía mediante la pérdida de masa cuando los dos núcleos chocan y se fusionan a altas temperaturas.

Hidrógeno-4

4H (la masa atómica es 4,02643(11) Da) contiene un protón y tres neutrones en su núcleo. Es un isótopo de hidrógeno altamente inestable. Se ha sintetizado en el laboratorio bombardeando tritio con núcleos de deuterio que se mueven rápidamente. En este experimento, el núcleo de tritio capturó un neutrón del núcleo de deuterio que se movía rápidamente. La presencia del hidrógeno-4 se dedujo detectando los protones emitidos. Se desintegra mediante emisión de neutrones en hidrógeno-3 (tritio) con una vida media de aproximadamente 139 ± 10 yoctosegundos (o (1,39 ± 0,10) × 10−22 segundos).

En la novela satírica de 1955 El ratón que rugió, el nombre quadium se le dio al isótopo de hidrógeno-4 que impulsó la bomba Q que el Ducado de Grand Fenwick capturó de los Estados Unidos.

Hidrógeno-4.1

El hidrógeno-4.1 es como el helio-4 porque tiene 2 protones y 2 neutrones. Sin embargo, uno de sus electrones es reemplazado por un muón. Dado que el orbital del muón está muy cerca del núcleo atómico, ese muón puede verse como parte del núcleo. El átomo completo puede describirse como: "El núcleo atómico está formado por 1 muón, 2 protones y 2 neutrones, con un solo electrón afuera", por lo que puede considerarse como un isótopo de hidrógeno y también un átomo exótico. El peso de un muón es 0,1U, por lo que el nombre del átomo es Hidrógeno-4,1(4,1H). El átomo de Hidrógeno-4.1 puede reaccionar con otros átomos. Su comportamiento es el de un átomo de hidrógeno y no el de un átomo noble de helio.

Hidrógeno-5

El 5H es un isótopo de hidrógeno altamente inestable. El núcleo está formado por un protón y cuatro neutrones. Se ha sintetizado en el laboratorio bombardeando tritio con núcleos de tritio que se mueven rápidamente. En este experimento, un núcleo de tritio captura dos neutrones del otro, convirtiéndose en un núcleo con un protón y cuatro neutrones. Se podrá detectar el protón restante y deducir la existencia de hidrógeno-5. Se desintegra mediante doble emisión de neutrones en hidrógeno-3 (tritio) y tiene una vida media de al menos 910 yoctosegundos (9,1 × 10−22 segundos).

Hidrógeno-6

El 6H  se desintegra mediante emisión triple de neutrones en hidrógeno-3 (tritio) o emisión cuádruple de neutrones en hidrógeno-2 (deuterio) y tiene una vida media de 290 yoctosegundos (2,9 × 10−22  segundos).

Hidrógeno-7

• El 7H  consta de un protón y seis neutrones. Fue sintetizado por primera vez en 2003 por un grupo de científicos rusos, japoneses y franceses en la Fábrica de Haces de Isótopos Radiactivos de RIKEN bombardeando hidrógeno con átomos de helio-8. En la reacción resultante, los seis neutrones del helio-8 fueron donados al núcleo de hidrógeno. Los dos protones restantes fueron detectados por el "telescopio RIKEN", un dispositivo compuesto por varias capas de sensores, colocado detrás del objetivo del ciclotrón RI Beam. El hidrógeno-7 tiene una vida media de 23 yoctosegundos (2,3×10−23 s).

Cadenas de descomposición

La mayoría de los isótopos pesados ​​de hidrógeno se desintegran directamente a 3H, que luego se desintegra al isótopo estable 3He. Sin embargo, ocasionalmente se ha observado que el 6H se desintegra directamente hasta convertirse en 2H estable.

Los tiempos de desintegración están en yoctosegundos para todos los isótopos excepto el 3H, que se expresa en años.

• Biogeoquímica de isótopos de hidrógeno.

• Muonio: actúa como un exótico isótopo ligero de hidrógeno.

•  Medios relacionados con los isótopos del hidrógeno en Wikimedia Commons