Deutérium

Un article de Wikipédia, l'encyclopédie libre.
Aller à : navigation, rechercher
Deutérium
Hydrogène 2
Description de l'image Hydrogen-2.png.

table

Général
Nom deutérium
Symbole 2H, D
Neutrons 1
Protons 1
Données physiques
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 2224,573 ± 0,002 keV
Isotope parent Désintégration
Désintégration Produit Énergie (MeV)
Tube à gaz au deutérium.

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[modifier | modifier le code]

Symbole chimique[modifier | modifier le code]

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 1,00782503214 u alors que celle du deutérium 2H est de 2,01410177799 u[1].

Abondance naturelle[modifier | modifier le code]

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[modifier | modifier le code]

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. À 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[modifier | modifier le code]

Applications[modifier | modifier le code]

  • L'eau lourde peut être concentrée par l'homme. Elle 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).
  • les solvants deutérés (solvant dans lesquelles les protiums sont remplacés par des deutériums) sont largement utilisés en RMN du proton, car présentant l'intérêt de ne pas apparaitre sur le spectre ; en effet la fréquence de résonance du deutérium est différente de celle du protium.
  • Il a été proposé d'utiliser les rapports d'isotopes stables d'hydrogène (Delta D ou δD) pour retracer l'origine de la nourriture de certaines animaux, et par exemple pour déterminer la provenance d'un poisson dans un bassin versant, ce qui présupposait une absence d'effet métabolique ou trophique sur le « Delta D » des tissus. une étude a montré (2011) que 4 poissons ayant grandi dans le même milieu présentaient néanmoins (selon leur taille et position trophique) des valeurs très différentes de δD (Selon les auteurs, l'explication pourrait être un effet métabolique et/ou un cumulatif du Delta D de l'eau ambiante sur l'H échangeable à chaque stade trophique). Cette expérience a montré qu'il fallait prendre en compte la taille et le type d'aliments consommés pour ainsi détecter l'origines des poissons[8].

Dans la culture populaire[modifier | modifier le code]

Ce modèle est-il pertinent ? Cliquez pour en voir d'autres.
Question book-4.svg
Cette section ne cite pas suffisamment ses sources (mai 2016).
Pour l'améliorer, ajoutez des références vérifiables [Comment faire ?] ou le modèle {{Référence nécessaire}} sur les passages nécessitant une source.
  • 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 mélangeant à du tritium.

Antideutérium[modifier | modifier le code]

Un antideutéron est l'équivalent en antimatière du deutéron (hydron du deutérium), composé d'un antiproton et d'un antineutron. L'antideutéron a été produit pour la première fois en 1965 par le Proton Synchrotron (en) au CERN[9] et par l'Alternating Gradient Synchrotron au laboratoire national de Brookhaven[10]. Un atome entier, avec un positon rattaché au noyau, devrait être appelé antideutérium mais, en 2005, l'antideutérium n'a pas encore été créé. Le symbole proposé pour l'antideutérium est D[11].

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. (en) G. Audi, A.H. Wapstra., « The 1995 update to the atomic mass evaluation », Nuclear Physics A, vol. 595,‎ , p. 409-480
  2. (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])
  3. 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.
  4. Lawrence M. Krauss & Robert J. Scherrer « The End of Cosmology? » - Scientific American, mars 2008
  5. (en) David R. Lide.,, CRC Handbook of Chemistry and Physics, Internet Version 2005,
  6. (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)
  7. On trouve aussi 0,3 mb aux neutrons thermiques
  8. Soto D.X, Wassenaar L.I, Hobson K.A, Catalan J & Trudel M (2011) Effects of size and diet on stable hydrogen isotope values (δD) in fish : implications for tracing origins of individuals and their food sources. Canadian Journal Of Fisheries & Aquatic Sciences, 68(11), 2011-2019. doi:10.1139/f2011-112
  9. (en) Massam, T, Th. Muller, B. Righini, M. Schneegans et A. Zichichi, « Experimental observation of antideuteron production », Il Nuovo Cimento, vol. 39,‎ , p. 10–14 (DOI 10.1007/BF02814251, Bibcode 1965NCimS..39...10M)
  10. (en) Dorfan, D. E, J. Eades, L. M. Lederman, W. Lee et C. C. Ting, « Observation of Antideuterons », Phys. Rev. Lett., vol. 14, no 24,‎ , p. 1003–1006 (DOI 10.1103/PhysRevLett.14.1003, Bibcode 1965PhRvL..14.1003D)
  11. (en) P Chardonnet, Jean Orloff et Pierre Salati, « The production of anti-matter in our galaxy », Physics Letters B, vol. 409,‎ , p. 313–320 (DOI 10.1016/S0370-2693(97)00870-8, Bibcode 1997PhLB..409..313C, arXiv astro-ph/9705110)

Voir aussi[modifier | modifier le code]