Jon hydronium

Identyfikacja
Jon hydronium

Struktura jonu hydroniowego.
Nazwa IUPAC	oksonium
N O CAS	13968-08-6
PubChem	123332
ChEBI	29412
UŚMIECHY	[OH3 +] PubChem , widok 3D
InChI	InChI: widok 3D InChI = 1S / H2O / h1H2 / p + 1 InChIKey: XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-O
Właściwości chemiczne
Brute formula	H 3 O [Izomery]H 3 O + (aq)
Masa cząsteczkowa	19,0232 ± 0,0005 g / mol H 15,9%, O 84,1%,
pKa	-1,74 przy 25 ° C

Jednostki SI i STP, chyba że określono inaczej.

Jon hydroniowy to najprostszy z jonami oksoniowych ; jego wzór chemiczny to H 3 O +lub H + (aq). W roztworze wodnym , jest solwatowany przez liczbę cząsteczek w wodzie i może być zapisana H 7 O 3 +H 9 O 4 +itp. Wynika to z protonowaniem z cząsteczki wody , zarówno w przypadku kwasu lub przez autoprotolysis wody. Występuje również w stanie stałym i gazowym. Jest to także jon występujący w ośrodku międzygwiazdowym , gdzie powstaje w wyniku oddziaływania cząsteczek wody z promieniowaniem kosmicznym .

Nomenklatura

Nomenklaturą IUPAC dla chemii organicznej zaleca wyznaczania H 3 O + jonprzez oxonium . Aby uniknąć wątpliwości, można również użyć określenia hydroksonium . Projekt zalecenia IUPAC zalecałby również użycie terminu oksydan, szczególnie w kontekście chemii nieorganicznej , ale nazwa ta jest obecnie nietypowa w praktyce.

Geometria

Ponieważ jon O + i atom N mają tę samą liczbę elektronów , jon H 3 O +jest isoelectronic z cząsteczki z amoniaku NH 3stąd jego trójkątna piramidalna geometria z u góry atomem tlenu. Kąt HOH jest rzędu 113 °.

Solwacja

Solwatacji jonu hydroniowego w wodzie nie jest jeszcze w pełni scharakteryzowane. Dominującą geometrią wywnioskowaną z krioskopii wody byłaby H 3 O + (H 2 O) 6 : każdy jon jest średnio solwatowany przez sześć cząsteczek wody, które nie mogą już solwatować innego jonu.

Inne struktury solwatacyjne obejmują więcej cząsteczek wody, w szczególności H 3 O + (H 2 O) 20w którym jon hydroniowy znajduje się w środku dwunastościanu wody. Symulacje przeprowadzane przez ab initio sposobu z chemii kwantowej to jednak oznacza, że uwodniony protonów będzie się średnio raczej na powierzchni H 3 O + (H 2 O) łączna 20.

Zespół kalifornijski zaproponował w 2010 roku nowy model oparty na analizach spektroskopii w podczerwieni, według których protony są solwatowane w postaci agregatów [H 13 O 6 ] +w którym dodatni ładunek elektryczny byłby rozłożony bezkrytycznie na sześć cząsteczek wody.

H 3 O + monomerufazę ciekłą zidentyfikowano w 1979 r. metodą jądrowego rezonansu magnetycznego w tlenie 17 w roztworze superkwasowym słabo niewodnym nukleofilowym HF-SbF 5 SO 2( fluorowodór , pentafluorek antymonu , dwutlenek siarki ).

Jon oksoniowy jest trwale obecny w wodzie w wyniku reakcji autoprotolizy :

Przede wszystkim następuje dysocjacja cząsteczki wody: H 2 O $\ rightleftharpoons$ H + + HO -
Następnie druga cząsteczka wody solwatuje uwolniony proton: H 2 O+ H + H 3 O + $\ rightleftharpoons$
Ostatecznie otrzymany solwatowany proton, zwany jonami oksoniowymi , jest uwodniony w roztworze i dlatego oznaczany jako H 3 O + (aq), w skrócie „wodny” w odniesieniu do faktu, że jest w roztworze.

Ogólny schemat reakcji można zapisać:

2 H 2 O

\ rightleftharpoons

H 3 O + (aq) + HO - (aq)

HO - (aq)będąc jonem wodorotlenkowym , również solwatowanym.

pH czystej wody o temperaturze 25 ° C

Stała równowagi z autoprotolysis wody o temperaturze 25 ° C wynosi:

K eq = [H 3 O +] × [HO - ] / [H 2 O] 2 = 10-14 .

Stała równowagi odnosi się nie do stężeń, ale do czynności. Aktywność wodna H 2 O rozpuszczalnikiem jest praktycznie czysta ciecz i zgodnie z konwencją jest równy 1.

Stała jonizacji wody w temperaturze 25 ° C jest zapisana:

K e = K eq × [H 2 O] 2 = [D 3 O +] × [HO - ] = 10–14 ,

co oznacza że :

[H 3 O +] = [HO - ] = 10–7 ,

stąd wartość pH czystej wody o temperaturze 25 ° C :

pH = - log 10 ([H 3 O +]) = 7.

Jon oksoniowy odpowiada za właściwości kwasów zgodnie z definicją Joannes Brønsted . Występuje w dowolnym roztworze wodnym w równowadze z jonem wodorotlenkowym HO - . To właśnie pomiar jego stężenia umożliwia określenie pH roztworu.

Bibliografia

[1]
obliczona masa cząsteczkowa od „ atomowych jednostek masy elementów 2007 ” na www.chem.qmul.ac.uk .
(en) Jian Tang i Takeshi Oka , „ Spektroskopia w podczerwieni H 3 O + : The ν 1 Fundamental Band ” , Journal of Molecular Spectroscopy , t. 196 n o 1,Lipiec 1999, s. 120-130 ( czytaj online )
DOI : 10.1006 / jmsp.1999.7844
DOI : 10.1021 / ja9101826
(w) Gheorghe D. Mateescu, George M. Benedikt , „ Water and related systems. 1. Jon hydroniowy (H 3 O + ). Przygotowanie i charakteryzacja za pomocą magnetycznego rezonansu jądrowego tlenu-17 o wysokiej rozdzielczości ” , Journal of the American Chemical Society , vol. 101 n O 141979, s. 3959-3960 ( czytaj online )
DOI : 10.1021 / ja00508a040