Δευτέριο

Χημικό σύμβολο

Το δευτέριο συχνά παριστάνεται με το χημικό σύμβολο D. Ακόμη, επειδή είναι ένα ισότοπο του υδρογόνου με μαζικό αριθμό 2, παριστάνεται επίσης ως ²H. Η IUPAC επιτρέπει τη χρήση και των δύο συμβόλων αν και προτείνει το συμβολισμό ²H. Από την άλλη όμως η χρήση του πιο διακριτού συμβόλου D είναι βολική σε διάφορες χημικές διεργασίες.

Μοριακή μάζα

Υπάρχει μεγάλη διαφορά σε όσα αφορούν τη μοριακή μάζα των δύο ισοτόπων, αφού η ισοτοπική μάζα του πρωτίου είναι 1,007825 amu και η ισοτοπική μάζα του δευτερίου είναι 2,014102 amu, ενώ το ατομικό βάρος του υδρογόνου συνολικά είναι 1,007947 amu. Αυτή η σημαντική διαφορά ισοτοπικού βάρους έχει διάφορες συνέπειες ασυμφωνίας ορισμένων ιδιοτήτων μεταξύ χημικών ειδών που περιέχουν μόνο πρώτιο, εκείνων που περιέχουν και τα δύο ισότοπα και εκείνων που περιέχουν μόνο δευτέριο. Η ασυμφωνία αυτή είναι σχετικά σημαντική, ενώ η αντίστοιχη ασυμφωνία μεταξύ των διαφορετικών ισοτοπικών ειδών άλλων χημικών στοιχείων είναι συνήθως ασήμαντη, γιατί και η σχετική διαφορά ισοτοπικής μάζας για τα ισότοπα των άλλων χημικών στοιχείων είναι από πολύ μικρότερη έως μηδαμινή. Συγκεκριμένα, η σχετική διαφορά ισοτοπικής μάζας πρωτίου δευτερίου είναι (2,014102-1,007825)/1,007825 = 99,8464%. Η αντίστοιχη σχετική διαφορά ισοτοπικής μάζας των ισοτόπων ³He και ⁴He είναι (4.002602-3.0160293)/3.0160293) = 32,71097%. Για τα υπόλοιπα χημικά στοιχεία ισχύουν ακόμη μικρότερες σχετικές διαφορές ισοτοπικής μάζας.

Φασματοσκοπία

Σύμφωνα μη την κβαντομηχανική τα ενεργειακά επίπεδα των ηλεκτρονίων των ατόμων εξαρτώνται από την ανηγμένη μάζα του έκαστου συστήματος ηλεκτρονίου - [πυρήνα + υπόλοιπα ηλεκτρόνια (αν υπάρχουν)]. Ειδικά για το άτομο του υδρογόνου, ο ρόλος της ανηγμένης μάζας φαίνεται απλά στο ατομικό πρότυπο Μπορ, όπου η ανηγμένη μάζα εμφανίζεται σε έναν απλό υπολογισμό της σταθεράς Ράιντμπεργκ (Rydberg constant) και της σχέσης Ράιντμπεργκ, αλλά επίσης στη σχέση Σρέντινγκερ και στη σχέση Ντιράκ. 
Η ανηγμένη μάζα του συστήματος σε αυτές τις σχέσεις είναι κοντά στη μάζα ενός απλού ηλεκτρονίου, αλλά διαφέρει κατά μια μικρή ποσότητα, περίπου ίση με την αναλογία μάζας ανάμεσα σε ένα ηλεκτρόνιο και και την πυρηνική μάζα. Για το πρώτιο, αυτή η διαφορά είναι 1837/1836 = 1,00545, ενώ για το δευτέριο είναι ακόμη μικρότερη και συγκεκριμένα 3671/3670 = 1,000272. Ως αποτέλεσμα των παραπάνω, οι φασματοσκοπικές γραμμές για το δευτέριο και για το πρώτιο διαφέρουν κατά την αναλογία μεταξύ των δύο (2) παραπάνω αριθμών, που ισούται (περίπου) με τον αριθμό 1,000272. Τα μήκη κύματος των φασματοσκοπικών γραμμών είναι βραχύτερα για το δευτέριο έναντι των αντίστοιχων του πρωτίου, κατά τον παράγοντα 1,000272. Στην αστρονομική παρατήρηση, αυτή διαφορά αντιστοιχεί σε μια μπλε μετατόπιση Ντόπλερ κατά 0,000272 · c = 81,6 km/s.
Οι διαφορές είναι πολύ πιο έντονες στη φασματοσκοπία ταλάντωσης, που αντιστοιχεί στη φασματοσκοπία υπερύθρου και στη φασματοσκοπία Ράμαν, καθώς επίσης και στη φασματοσκοπία περιστροφής, που αντιστοιχεί στη φασματοσκοπία μικροκυμάτων, γιατί αυτές εξαρτώνται περισσότερο από τις ανηγμένες μάζες. Στη φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού το δευτέριο έχει πολύ διαφορετικές συχνότητες συντονισμού (π.χ. 61 MHz για το δευτέριο έναντι 450 MHz αντίστοιχης του πρωτίου), αλλά είναι πολύ λιγότερο ευαίσθητες σε όσα αφορούν τη σχετική θέση του ατόμου του δευτερίου σε ένα μεγαλύτερο μόριο.  Έτσι, προτιμούνται συνήθως δευτεριωμένοι διαλύτες για τη φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού δευτερίου, με σκοπό να αποφεύγεται η αλληλεπικάλυψη των συχνοτήτων των ερευνούμενου δείγματος και των συχνοτήτων του διαλύτη, ενώ είναι επίσης δυνατή η φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού δευτερίου (στην οποία φυσικά και υπάρχει αλληλεπικάλυψη αν χρησιμοποιηθεί δευτεριωμένος διαλύτης για το δείγμα).

Αφθονία

Το δευτέριο βρίσκεται στη φύση σε ίχνη με τη μορφή του διδευτερίου (που παριστάνεται ως ²H₂ ή D₂), αλλά πολύ πιο άφθονο στη μορφή του δευτεριούχου υδρογόνου (που παριστάνεται ως H²H ή HD).
Η ανακάλυψη της παρουσίας δευτερίου στη Γη, οπουδήποτε αλλού στο ηλιακό σύστημα, όπως επιβεβαιώθηκε από τους διαστημικούς βολιστήρες, καθώς και στο φάσμα των άστρων έξω από αυτό (το ηλιακό σύστημα), αποτελεί σημαντικό ορόσημο για την κοσμολογία. Η ακτινοβολία γ από τη συνηθισμένη πυρηνική σύντηξη διασπά το δευτέριο σε πρωτόνιο και νετρόνιο και δεν υπάρχει άλλη γνωστή πυρηνική διεργασία εκτός από την πυρηνοσύνθεση λίγο μετά από τη Μεγάλη Έκρηξη που να μπορεί να παράγει δευτέριο, εκτός από τις σπάνιες περιπτώσεις της κατάλληλης διάσπασης νουκλεονίων ή της συνάντησης πρώτιου με ελεύθερα νετρόνια. Θεωρείται ότι λίγο δευτέριο παράγεται στο εσωτερικό του Ήλιου και άλλων άστρων, γιατί στις θερμοκρασίες που υπάρχουν στο εσωτερικό τους, η κατανάλωση δευτερίου με πυρηνική σύντηξη σε δύο δευτερονίων (δηλαδή πυρήνων δευτερίου) σε ⁴He είναι ταχύτερη από την παραγωγή του με πυρηνική σύντηξη δύο πρωτονίων σε δευτέριο. Ωστόσο το δευτέριο περισσότερο βρίσκεται στα εξώτερα στρώματα της ηλιακής ατμόσφαιρας με περίπου την ίδια συγκέντρωση με την οποία εμφανίζεται στο Δία και αυτό πιθανότατα δεν έχει αλλάξει από την αρχή της δημιουργίας του ηλιακού συστήματος. Η φυσική αφθονία του δευτερίου φαίνεται να είναι γενικά σταθερή, οπουδήποτε γενικά βρίσκεται υδρογόνο, εκτός αν υπάρχουν κάποιες προφανείς διεργασίες που το συγκεντρώνουν εκλεκτικά σε σύγκριση με τα υπόλοιπα ισότοπα του υδρογόνου.

Φυσικές

Οι φυσικές ιδιότητες του δευτερίου μπορούν να επιδείξουν σημαντικά κινητικά ισοτοπικά αποτελέσματα και άλλες διαφορές σε φυσικές και χημικές διαφορές σε σύγκριση με τις αντίστοιχες του πρωτίου. Για παράδειγμα, το D₂O είναι περισσότερο πυκνόρρευστο από το ¹H₂O. Χημικά, υπάρχουν διαφορές στις δεσμικές ενέργειες και στα μήκη δεσμών ανάμεσα σε χημικές ενώσεις που περιέχουν δευτέριο σε σύγκριση με αυτές που περιέχουν μόνο πρώτιο. Οι διαφορές αυτές είναι μεγαλύτερες σε σύγκριση με τις αντίστοιχες διαφορές των διαφορετικών ισοτόπων των υπόλοιπων χημικών στοιχείων. Πιο συγκεκριμένα, χημικοί δεσμοί που συμπεριλαμβάνουν δευτέριο ή και τρίτιο είναι κάπως ισχυρότεροι από τους αντίστοιχους δεσμούς του συμπεριλαμβάνουν πρώτιο αντί αυτών. Οι διαφορετικές αυτές είναι αρκετές για να προκαλέσουν σημαντικές αλλαγές σε βιολογικές αντιδράσεις.  Οι φαρμακευτικές εταιρείες ενδιαφέρονται για το γεγονός ότι το δευτέριο είναι δυσκολότερο να αποσπαστεί από τον άνθρακα σε σύγκριση με το πρώτιο.
Το δευτέριο μπορεί να αντικαταστήσει το πρώτιο σε μόρια νερού, σχηματίζοντας βαρύ ύδωρ (D₂O), που είναι περίπου 10,6% πυκνότερο από το φυσικό νερό και γι'  αυτό μάλιστα ο βαρύς πάγος (δηλαδή παγωμένο βαρύ ύδωρ) βυθίζεται στο κανονικό υγρό, αντί να επιπλέει σε αυτό, όπως ο κανονικός πάγος. Το βαρύ ύδωρ είναι ελαφρώς τοξικό για τα ευκαρυωτικά ζώα. Αν στα τελευταία το 25% του νερού του σώματός τους αντικατασταθεί από βαρύ ύδωρ τότε προκαλούνται προβλήματα στην κυτταρική διαίρεση και στειρότητα, ενώ αν η αντικατάσταση φθάσει το 50% τότε προκαλείται θάνατος από κυτοτοξικό σύνδρομο (δηλαδή ανεπάρκεια του μυελού των οστών και ανεπάρκεια της γαστροεντερικής επένδυσης). Οι προκαρυωτικοί οργανισμοί, ωστόσο, μπορούν να επιβιώσουν και να αναπτυχθούν ακόμη και σε καθαρό βαρύ ύδωρ, αν και αναπτύσσονται βραδύτερα. Παρ' όλη την τοξικότητά του, η (περιορισμένη) κατανάλωση βαρέος ύδατος υπό κανονικές συνθήκες δεν αποτελεί απειλή για την υγεία των ανθρώπων. Έχει εκτιμηθεί ότι ένας άνθρωπος βάρους 70 χιλιογράμμων μπορεί να πιει ως 4,8 λίτρα βαρέος ύδατος χωρίς σοβαρές συνέπειες. Μικρές δόσεις βαρέος ύδατος (δηλαδή λίγα γραμμάρια για τους ανθρώπους) που περιέχουν ποσότητες δευτερίου συγκρίσιμες με αυτές που φυσιολογικά υπάρχουν στο σώμα, χρησιμοποιούνται συχνά ως αβλαβή μεταβολικά ίχνη για ανθρώπους και ζώα.
Τον Αύγουστο του 2018 επιστήμονες ανακοίνωσαν τη μετατροπή αέριου δευτερίου στην υγρή μεταλλική μορφή. Αυτό ίσως βοηθήσει τους ερευνητές να καταλάβουν καλύτερα πώς λειτουργούν οι αεριώδεις πλανήτες, όπως ο Δίας, ο Κρόνος και οι συγγενείς τους εξωπλανήτες, εφόσον θεωρείται ότι τέτοιοι πλανήτες περιέχουν πολύ υγρό μεταλλικό υδρογόνο, που ίσως είναι υπεύθυνο για τα παρατηρούμενα πολύ ισχυρά μαγνητικά τους πεδία.

Κβαντικές

Το δευτέριο έχει σπιν +1 (συγκεκριμένα μόνο το δευτέριο «τριπλής» κατάστασης) και έτσι είναι ένα μποζόνιο. Η συχνότητα στη φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού του δευτερίου είναι διαφορετική από αυτήν του πρωτίου. Η φασματοσκοπία υπερύθρου επίσης εύκολα διακρίνει πολλές δευτεριούχες ενώσεις από τις πρωτιούχες, εξαιτίας μεγάλων διαφορών στις συχνότητες απορρόφησης υπερύθρου, εφόσον αντιστοιχεί στην δόνηση χημικού δεσμού που περιέχει δευτέριο έναντι χημικού δεσμού που περιέχει πρώτιο. Τα δυο σταθερά ισότοπα του υδρογόνου μπορούν επίσης να διακριθούν με τη χρήση φασματοσκοπίας μαζών,
Το τριπλής κατάστασης δευτερώνιο αντιστοιχεί σε δεσμική ενέργεια EB = 2,23 MeV, δεν έχει βρεθεί καμμιά πραγματική υψηλότερη ενεργειακή κατάσταση. Το «μονής» κατάστασης δευτερώνιο υφίσταται μόνο υποθετικά και αντιστοιχεί σε δεσμική ενέργεια EB = -60 keV. Επομένως δεν υπάρχει τέτοιο σταθερό σωμάτιο, αλλά αυτό το υποθετικό σωμάτιο αστραπιαία υπάρχει κατά τη διάρκεια ανελαστικής σκέδασης νετρονίου - πρωτονίου, παίρνοντας όμως υπόψη ότι υπολογίζεται ότι είναι μη συνηθισμένο μεγάλο νετρόνιο να σκεδάζεται σε ορθή γωνία με πρωτόνιο.