Contenido: Definición de hidrógeno pesado. Antecedentes del hidrógeno pesado. Descubrimiento y relación con la edad del Universo. Aplicaciones del deuterio. Principio de funcionamiento de un a lámpara de deuterio.
Objetivo: Al finalizar la competencia describirá los fundamentos teóricos del hidrógeno pesado, sin error.
Definición de hidrógeno pesado
Deuterio, isótopo de hidrógeno, estable y no radiactivo, con una masa atómica de 2,01363, y de símbolo D o 2H.
Se conoce también como hidrógeno pesado, al ser su masa atómica aproximadamente el doble de la del hidrógeno normal, aunque ambos tienen las mismas propiedades químicas. El hidrógeno, tal como se da en la naturaleza, contiene un 0,02% de deuterio.
Este isótopo tiene un punto de ebullición de -249,49 °C, 3,28 °C más alto que el del hidrógeno. El agua pesada (óxido de deuterio, D2O) tiene un punto de ebullición de 101,42 °C (en el agua normal es de 100 °C); tiene un punto de congelación de 3,81 °C (en el agua normal es de 0 °C), y a temperatura ambiente su densidad es un 10,79% mayor que la del agua normal.
Antecedentes del hidrógeno pesado
El químico estadounidense Harold Clayton Urey, junto con sus colaboradores, descubrió el deuterio en 1932; consiguió separar el primer isótopo en estado puro de un elemento.
Los métodos más eficaces utilizados para separar el deuterio del hidrógeno natural son la destilación fraccionada del agua y el proceso de intercambio catalítico entre agua e hidrógeno.
En este último, al combinar agua e hidrógeno en presencia de un catalizador apropiado, se forma deuterio en el agua en una cantidad tres veces superior que en el hidrógeno.
El deuterio también se puede concentrar por electrólisis, centrifugación y destilación fraccionada del hidrógeno líquido.
El núcleo de los átomos de deuterio, llamado deuterón, es muy útil para la investigación en el campo de la física, ya que puede ser acelerado fácilmente por ciclotrones y otros aparatos semejantes, utilizándose como proyectil atómico en la transmutación de elementos.
El deuterio también tiene importantes aplicaciones en la investigación biológica y se usa como isótopo trazador en el estudio de los problemas del metabolismo.
Durante la II Guerra Mundial, el agua pesada se empleó como agente moderador en los primeros tipos de reactores nucleares, aunque el grafito ha ido ocupando su lugar. El deuterio, en forma de óxido de deuterio o de deuteruro de litio, es, junto con el tritio, un componente esencial de las armas de fusión nuclear, también llamadas bombas de hidrógeno.
Descubrimiento y relación con la edad del Universo
El equipo de científicos e ingenieros del Observatorio Haystack, dependiente del Instituto de Tecnología de Massachussets (MIT), hizo el descubrimiento usando un conjunto de radiotelescopios diseñado y construido en las instalaciones de investigación que el MIT tiene en Westford, Massachusetts.
Después de reunir datos durante casi un año, se obtuvo el sólido descubrimiento.
El sistema de detección de deuterio en el Observatorio Haystack es una instalación del tamaño de un campo de fútbol, concebida y construida con el apoyo de la Fundación Nacional Para la Ciencia, el MIT y TruePosition Inc.
La detección del deuterio es de interés porque la cantidad del mismo puede estar relacionada con la cantidad de materia oscura en el universo, pero las mediciones precisas han sido difíciles de obtener.
Debido a la forma en que el deuterio se creó en el Big Bang, una medición exacta de la cantidad de deuterio permitiría a los científicos establecer límites en los modelos de la gran explosión.
También, una medida exacta del deuterio sería un indicador de la densidad cósmica de bariones (materia ordinaria), y esa densidad de bariones indicaría si la materia ordinaria es oscura y se encuentra en regiones tales como agujeros negros, nubes de gas o enanas marrones, o es luminosa y se puede encontrar en las estrellas.
Esta información ayudará a los científicos que traten de entender el comienzo mismo de nuestro universo.
El átomo de deuterio ha sido sumamente difícil de descubrir con instrumentos en la Tierra. La emisión del átomo de deuterio es débil dado que no es muy abundante en el espacio.
Hay aproximadamente un átomo de deuterio por cada 100.000 átomos de hidrógeno. Por ello, la distribución que conocemos del deuterio es poco precisa.
También, en longitudes de onda ópticas, la línea espectral del hidrógeno está muy cerca de la línea del deuterio, lo que hace que esta última pueda confundirse con la del primero.
Sin embargo, en longitudes de onda de radio, el deuterio se separa bien del hidrógeno, y las mediciones pueden proporcionar resultados más consistentes.
Nuestro estilo de vida moderno, lleno de aparatos que usan radio ondas, presentó realmente un desafío para el equipo que trataba de descubrir la débil señal de radio del deuterio.
Las interferencias de radiofrecuencia bombardeaban la unidad de medición con señales provenientes de teléfonos móviles, líneas de transmisión, luces fluorescentes, buscapersonas, la omnipresente televisión, y otros aparatos radioeléctricos.
Aplicaciones del deuterio
El deuterio es útil en los procesos de fusión nuclear junto con el tritio debido a la gran sección eficaz de la reacción. También se experimenta con él en otras reacciones como la deuterio + deuterio o deuterio + helio-3.
En química y bioquímica, el deuterio se utiliza como traza líneas isotópico no radiactivo en moléculas para estudiar reacciones químicas y cambios metabólicos, debido a que químicamente se comporta semejantemente al hidrógeno ordinario, pero puede ser distinguido del hidrógeno ordinario por su masa, usando espectrometría de masa o espectrometría infrarroja.
– Farmacéutica: El deuterio se emplea para preparar los compuestos deuterados en química y bioquímica. Las moléculas así marcadas permiten estudiar las velocidades y mecanismos de reacción.
– Electrónica: El Deuterio se utiliza para reemplazar al Hidrógeno en el recocido o sinterizado de los semiconductores a base de silicio, en las pantallas planas y los paneles solares.
– Otras industrias: El Deuterio se utiliza en reacciones de fusión nuclear.
Principio de funcionamiento de un a lámpara de deuterio
Una lámpara de deuterio (D2) emplea un filamento de wolframio y un ánodo situados en los extremos opuestos de una estructura de níquel diseñada para producir el mejor espectro de salida posible.
A diferencia de las lámparas incandescentes, el filamento de wolframio no es la fuente de emisión propiamente dicha, sino que forma junto con el ánodo el sistema de generación del arco eléctrico.
Como el filamento debe estar a una temperatura muy alta para que la lámpara funcione con normalidad, se debe calentar alrededor de veinte segundos antes de su uso.
Una vez iniciado el proceso de descarga, éste será el encargado de mantener la temperatura del sistema, por lo que el calefactor es apagado.
El voltaje de disparo inicial oscila entre los 300 y los 500 voltios de corriente continua, pero una vez generado el arco voltaico, la tensión cae entre 100 y 200 voltios.
El arco voltaico generado excita las moléculas de deuterio que conforman el gas contenido en la cápsula de la lámpara a un nivel de energía superior. Cuando retornan al estado inicial, el deuterio emite luz ultravioleta durante dicha transición.
Este proceso se repite continuamente mientras la lámpara esté en funcionamiento, por lo que emite una radiación ultravioleta continua.
En este proceso no se produce una emisión atómica propiamente dicha, sino un proceso de emisión molecular, donde la radiación se debe a la relajación energética debida a una transición de estados excitados y no de transición entre niveles de energía.
Dependiendo de la función que se le vaya a dar a la lámpara de deuterio, se emplea cristal de cuarzo, cristal ultravioleta o fluorato magnésico para la construcción de la cápsula debido a que trabaja a temperaturas lo suficientemente altas como para deteriorar el cristal empleado en la mayoría de las bombillas comunes. La vida útil típica de una lámpara de deuterio es de aproximadamente 2.000 horas.
Fuentes: Enciclopedia encarta / Wikipedia.org / ecured.cu / encyclopedia.airliquide.com