Deutérium
Hydrogène 2
| Nom | deutérium |
|---|---|
| Symbole |
2 1H, D 1 |
| Neutrons | 1 |
| Protons | 1 |
| Présence naturelle | 0,015 % |
|---|---|
| Demi-vie | Stable |
| Produit de désintégration | Aucun |
| Masse atomique | 2,014101777(99) u |
| Spin | 1+ |
| Excès d'énergie | 13135,7196 ± 0,001 keV |
| Énergie de liaison par nucléon | 2224,573 ± 0,002 keV |
Le deutérium (symbole 2H ou D) est un isotope naturel de l'hydrogène. Son noyau atomique, appelé deuton ou deutéron, possède un proton et un neutron, d'où un nombre de masse égal à 2. Le deutérium a été découvert en 1931 par Harold Clayton Urey, un chimiste de l'université Columbia, découverte qui lui valut le prix Nobel de chimie en 1934.
Différences entre protium et deutérium
Symbole chimique
L'UICPA recommande de représenter le deutérium par le symbole 2H afin de préserver l'homogénéité de ses dénominations, mais tolère le symbole D, qui est largement utilisé. La raison de cette tolérance serait à chercher dans le fait que, de tous les éléments chimiques, l'hydrogène est celui pour lequel les isotopes ont des différences de masse relatives les plus élevées, ce qui n'est pas sans conséquences sur leurs propriétés physicochimiques respectives : la masse atomique du protium 1H est de 1,007 825 032 14 u alors que celle du deutérium 2H est de 2,014 101 777 99 u[1].
Abondance naturelle
Le deutérium existe naturellement à l'état de traces (typiquement 0,015 % en abondance -nombre d'atomes- par rapport au protium), éventuellement sous forme de dideutérium D2, mais sa forme la plus fréquente dans l'univers est de loin le deutérure d'hydrogène (HD ou 1H–2H), dans lequel un atome de deutérium est lié à un atome de protium par une liaison électronique simple[2]. La proportion massique dans l'eau pure à 20 °C est voisine de 33,5 g/m3 et dans l'eau de mer de 32,4 g/m3
La présence de deutérium sur Terre, dans le reste du système solaire et dans le spectre des étoiles, est une donnée importante de la cosmologie physique, car les noyaux 2H ne peuvent s'être formés aux abondances observées que lors de la nucléosynthèse primordiale[3]. La présence d'une fraction faible, mais constante, de deutérium partout où l'on trouve de l'hydrogène dans l'Univers (hormis dans les géantes gazeuses qui ont une concentration accrue en deutérium, mais dont la taille relative reste toutefois très petite par rapport à celle de l'Univers), est un argument en faveur de la théorie du Big Bang par rapport à la théorie de l'état stationnaire : on pense que l'abondance relative du deutérium par rapport à l'hydrogène est demeurée essentiellement constante depuis la nucléosynthèse primordiale, il y a 13,7 milliards d'années[4].
Le principal « producteur » de deutérium (par enrichissement ou concentration de deutérium utilisé dans l'eau lourde comme absorbeur de neutrons dans certains types de réacteurs nucléaires) était le Canada jusqu'en 1997, date de la fermeture de sa dernière usine ; depuis, l'Inde aurait pris le relais, également dans le cadre de son industrie nucléaire.
Propriétés physicochimiques et effets physiologiques
Par rapport au protium, le deutérium se montre légèrement plus visqueux[5] et, du point de vue chimique, présente un effet isotopique significatif : il est un peu moins réactif que le protium, et forme des liaisons (liaison covalente et liaison hydrogène) légèrement plus fortes. Absorber de l'eau lourde plutôt que de l'eau naturelle n'est pas sans conséquences sur l'organisme, des expériences sur des animaux de laboratoire indiquant que les effets les plus notables se manifestent en premier au niveau des cellules à division rapide, en affectant les mitoses et accélérant ainsi la dégradation des tissus (cf. l'article « eau lourde »).
Des problèmes digestifs commencent à surgir chez les animaux avec un taux de remplacement physiologique de l'ordre de 25 %, ainsi que des problèmes de stérilité dus au fait que les méioses sont bloquées autant que les mitoses. On a observé que, dans ces conditions, les plantes cessent de croître et que les graines cessent de germer. A un taux de deutération voisin de 50 %, les eucaryotes sont atteints de lésions létales (chez les animaux, défaillances graves au niveau de l'intestin et des os, notamment) tandis que les procaryotes survivent dans l'eau lourde pure, affectés semble-t-il simplement par une croissance ralentie[6].
Caractéristiques
- Aux températures ordinaires, le deutérium est un gaz (HD ou D2). Il est très rare et difficile à exploiter.
- masse volumique : 0,168 kg/m3 dans les conditions standard, (voir Conditions normales de température et de pression).
- masse atomique : 2,01410177799
Applications
L'eau lourde peut être concentrée par l'homme, et sert principalement de modérateur des neutrons dans les réacteurs nucléaires de type Canadien (réacteurs type Candu) ou Argentin (deux PHWR de conception Siemens).
Le deutérium présente une section efficace de 0,53 mb[7] aux neutrons thermiques et 7•10-3 mb aux neutrons rapides
Le deutérium est et sera également utilisé dans les futurs réacteurs à fusion nucléaire contrôlée, car il représente un des deux principaux éléments du combustible de la fusion, l'autre étant le tritium. Le deutérium est par conséquent une matière nucléaire dont la détention est réglementée (Article R1333-1 du code de la défense).
Par ailleurs, les solvants deutérés (solvant dans lesquelles les protium sont remplacés par des deutériums) sont largement utilisés en RMN du proton. En effet, ils présentent l'intérêt de ne pas apparaître sur le spectre car la fréquence de résonance du deutérium est différente de celle du protium.
Dans la culture populaire
- Le deutérium est amplement mis en avant dans les jeux en ligne OGame et Xspace où il est utilisé dans les processus de recherche, mais aussi comme carburant et source d'énergie (via des centrales à fusion).
- Dans l'univers de Warhammer 40,000, certaines armes utilisent le deutérium.
- Dans l'univers de Star Trek, le deutérium est utilisé dans le système de propulsion des astronefs.
- Dans l'univers de Stargate SG-1, le deutérium, extrait de l'eau lourde, est utilisé pour alimenter une centrale à fusion contrôlée sur la planète Euronda.
- Dans l'univers de Halo, le deutérium est utilisé pour carburer les vaisseaux humains dans l'espace normal. Il sert aussi à auto-détruire le vaisseau en saturant la chambre à fusion avec le deutérium.
- Dans le jeu Vidéo Deuteros, édité par Activision en 1991, et sorti sur Amiga et Atari ST, le joueur va extraire différents minerais dont du deutérium pour partir à la conquête spatiale.
- Dans le jeu Minecraft, sur le modpack "GregTech" dans Feed the Beast, le deutérium sert à entraîner une fusion nucléaire dans un réacteur en le mélageant à du tritium.
Notes et références
- (en) G. Audi, A.H. Wapstra., « The 1995 update to the atomic mass evaluation », Nuclear Physics A, vol. 595, , p. 409-480
- (en) IUPAC Commission on Nomenclature of Inorganic Chemistry, « Names for Muonium and Hydrogen Atoms and their Ions », Pure and Applied Chemistry, vol. 73, , p. 377–380 (DOI 10.1351/pac200173020377, lire en ligne [PDF])
- Le deutérium peut également être formé par des radioactivités exotiques, intermédiaires entre la radioactivité α et la fission spontanée, et qu'on appelle la radioactivité de clusters.
- Lawrence M. Krauss & Robert J. Scherrer « The End of Cosmology? » - Scientific American, mars 2008
- (en) David R. Lide.,, CRC Handbook of Chemistry and Physics, Internet Version 2005,
- (en) D. J. Kushner, Alison Baker, and T. G. Dunstall, « Pharmacological uses and perspectives of heavy water and deuterated compounds », Can. J. Physiol. Pharmacol., vol. 77, no 2, , p. 79–88 (PMID 10535697, DOI 10.1139/cjpp-77-2-79)
- On trouve aussi 0,3 mb aux neutrons thermiques
