El hidrógeno tiene tres isótopos naturales; algunas veces se les denomina como 1H, 2H y 3H, también conocidos como protio, deuterio y tritio, respectivamente. Se ha logrado sintetizar en laboratorios otros radioisótopos que van desde el 4H al 7H. Entre los tres isotopos naturales, el único inestable es el tritio, que posee una vida media de 12,32 años. Todos los demás isotopos más pesados que el tritio son sintéticos y tienen una vida media menor de un zeptosegundo (10-21 segundos); de estos, el 5H es el más estable y el más inestable es el 7H[1][2]
El hidrógeno es el único elemento que tiene diferentes nombres para sus isótopos en el uso corriente. El 2H (también H-2 o hidrógeno-2) es más comúnmente referido como deuterio mientras que el 3H (también H-3 o hidrógeno-3) es más aludido como tritio; también es común referirse a estos isótopos con los símbolos de D y T (en lugar de 2H y 3H) como si fueran elementos químicos puros; sin embargo la IUPAC ha declarado que si bien esta forma de referirse a estos isótopos es común, no es recomendable. Al átomo de hidrógeno que no contiene ningún neutrón en su núcleo se le conoce como protio; sin embargo se le conoce más como simplemente hidrógeno o hidrógeno-1. (Durante los primeros estudios sobre radioactividad, a algunos radioisótopos pesados también se les conocía con un nombre particular; sin embargo, esos nombres son raramente usados en la actualidad).
Masa atómica estándar: 1,00782504(7) u.
El protio, hidrógeno-1, 1H o1H es el más común de todos los isótopos estables de hidrógeno, con una abundancia natural de más del 82,98%. Debido a que su núcleo está compuesto por un único protón se le da el nombre descriptivo de protio; sin embargo este nombre es poco usado en la práctica, a diferencia de los nombres de los otros isótopos del hidrógeno que son más usados en las prácticas comunes.
El deuterio, hidrógeno-2, 2H o 2H es otro de los isótopos estables del hidrógeno; su núcleo atómico está compuesto por un protón y un neutrón. El deuterio comprende del 0,0026 - 0,0184% (en población, no en masa) de todo el hidrógeno terrestre; el porcentaje más bajo tiende a encontrarse en el hidrógeno gaseoso, mientras que las concentraciones más ricas (0,015% o 150 ppm) tienden a encontrarse en el agua de mar. Este isótopo no es radioactivo y no representa un riesgo significativo de toxicidad. A las moléculas de agua que contienen deuterio en lugar de protio se las conoce como agua pesada; si la molécula solo contiene un átomo de deuterio y otro de protio se le conoce como agua semipesada.
El deuterio y sus componentes son usados como «etiquetas» o «marcadores» no radioactivos en experimentos químicos o en solventes para 1H-espectroscopía NMR. El agua pesada es utilizada como moderador de neutrones y refrigerante en reactores nucleares. El deuterio es también un combustible potencial para la fusión nuclear comercial. El número másico del deuterio es de 2,014707
El tritio, hidrógeno-3, 3H, 3H es el tercer y último isótopo natural del hidrógeno; está compuesto por un protón y dos neutrones en su núcleo atómico. Este isótopo es radioactivo; decae a helio-3 mediante desintegración beta, y tiene una vida media de 12,32 años.[3] Pequeñas trazas de tritio se producen naturalmente debido a la interacción de rayos cósmicos con los gases atmosféricos; también puede producirse durante pruebas nucleares. Es usado en armas de fusión termonuclear, como trazador en la geoquímica de isótopos y especialmente en dispositivos de iluminación autoalimentados. El método más común para producir tritio es bombardeando un isótopo natural de litio, el litio-6, con neutrones en un reactor nuclear.
El tritio es usado frecuentemente en marcaciones químicas y biológicas como marcador radioactivo. La fusión nuclear D-T utiliza tritio como reactivo principal, junto con el deuterio, liberando energía por la pérdida de masa cuando los dos núcleos chocan y se fusionan a temperaturas altísimas.
El agua que contiene átomos de tritio en lugar de protio se llama agua superpesada o agua tritiada, y a la mezcla que contiene un átomo de deuterio y otro de tritio se le denomina agua semi-superpesada.
El hidrógeno-4, 4H o 4H es el isótopo sintético de hidrógeno de mayor masa. Posee un protón y tres neutrones en su núcleo, siendo un isótopo altamente inestable. Se ha sintetizado en laboratorios mediante el bombardeo de protones de tritio con núcleos de deuterio a alta velocidad.[4] En estos experimentos, el núcleo de tritio captura neutrones que provienen de los núcleos de deuterio que se mueven a alta velocidad. Su masa atómica es de 4.02781 ± 0.00011 u.[5] Decae mediante emisión de neutrones y tiene una vida media de (1,39 ± 0,10) × 10−22 segundos.[6]
El helio muonico o hidrógeno 4.1 es creado mediante la substitución de uno de los electrones del helio-4 por un muon. El muon órbita el núcleo mucho más cerca de lo que lo hace el electrón, por lo que, teóricamente, el helio muonico puede ser considerado como un isótopo de hidrógeno cuyo núcleo consistiría de 2 neutrones, 2 protones y un muon, con un único electrón orbitando el núcleo. Un muon pesa alrededor de 0.1u, de ahí el nombre de hidrógeno-4.1. El hidrógeno-4.1 puede enlazarse con otros átomos, y se comporta más como un átomo de hidrógeno que como uno de helio (el cual es normalmente inerte).[7]
El hidrógeno-5, 5H o 5H es un isótopo altamente inestable del hidrógeno; su núcleo está compuesto por un protón y cuatro neutrones. Se produce sintéticamente en laboratorios mediante el bombardeo de tritio con núcleos de tritio de alta velocidad.[4][8] En estos experimentos, uno de los núcleos de tritio captura dos neutrones de otro, convirtiéndose en un núcleo con un único protón y cuatro neutrones. El protón restante es detectado y de él se deduce la existencia del hidrógeno-5. Decae mediante doble emisión de neutrones y posee una vida media de menos de 9,1 × 10−22 segundos.[6]
El hidrógeno-6, 6H o 6H, decae mediante triple emisión de neutrones y tiene una vida media de 2.90×10−22 segundos.[6] Está compuesto por un protón y cinco neutrones en su núcleo.
El hidrógeno-7, 7H o 7H, está compuesto por un núcleo con 6 neutrones y 1 protón. Fue sintetizado por primera vez en 2003 por un grupo de científicos rusos, japoneses y franceses en el laboratorio de ciencia de haces «RIKEN», para ello bombardearon hidrógeno con átomos de helio-8. El resultado fue que los neutrones del helio-8 fueron donados al núcleo del hidrógeno. Los dos protones remanentes fueron detectados por el «telescopio RIKEN», un aparato compuesto por múltiples capas de sensores.[2]
| símbolo del nucleido | Z(p) | N(n) | masa isotópica (u) | vida media | método(s) de decaimiento(s)[9] | isótopo(s) hijo(s)[n 1] | espín nuclear | Composición isótopica representativa (fracción molar)[n 2] | rango de variación natural (fracción molar) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1H | 1 | 0 | 1,00782503207(10) | Estable[n 3][n 4] | 1⁄2+ | 0,999885(70) | 0,999816–0.999974 | ||
| 2H[n 5] | 1 | 1 | 2,0141017778(4) | Estable | 1+ | 0,000115(70)[n 6] | 0,000026–0,000184 | ||
| 3H[n 7] | 1 | 2 | 3,0160492777(25) | 12,32(2) a | β- | 3He | 1⁄2+ | Trazas[n 8] | |
| 4H | 1 | 3 | 4,02781(11) | 1,39(10)×10−22 s [4,6(9)MeV] | n | 3H | 2− | ||
| 5H | 1 | 4 | 5,03531(11) | >9,1×10−22 s? | n | 4H | (1⁄2+) | ||
| 6H | 1 | 5 | 6,04494(28) | 2,90(70)×10−22 s [1,6(4) MeV] | 3n | 3H | 2−# | ||
| 4n | 2H | ||||||||
| 7H | 1 | 6 | 7,05275(108)# | 2,3(6)×10−23 s# [20(5) MeV]# | 1⁄2+# | ||||
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