Hydroniumion

Identifikation
Hydroniumion

Struktur af hydroniumion.
IUPAC navn	oxonium
N o CAS	13968-08-6
PubChem	123332
ChEBI	29412
SMILE	[OH3 +] PubChem , 3D-visning
InChI	InChI: 3D-visning InChI = 1S / H2O / h1H2 / p + 1 InChIKey: XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-O
Kemiske egenskaber
Brute formel	H 3 O [Isomerer]H 3 O + (aq)
Molar masse	19,0232 ± 0,0005 g / mol H 15,9%, O 84,1%,
pKa	-1,74 ved 25 ° C

Enheder af SI og STP, medmindre andet er angivet.

Den hydroniumion er den enkleste af oxoniumioner ; dens kemiske formel er H 3 O +eller H + (aq). I vandig opløsning , er det solvatiseret af en række molekyler af vand og kan skrives H 7 O 3 +H 9 O 4 +etc. Det skyldes protonering af et vandmolekyle enten ved en syre eller ved autoprotolyse af vand. Det eksisterer også i fast tilstand og i gas tilstand. Det er også en ion, der findes i det interstellære medium , hvor den skyldes interaktion mellem vandmolekyler og kosmisk stråling .

Nomenklatur

Den IUPAC-nomenklaturen for organisk kemi anbefaler udpegning af H 3 O + ionaf oxonium . Udtrykket hydroxonium kan også bruges til at undgå tvivl . Et udkast til IUPAC-anbefaling vil også anbefale brugen af udtrykket oxidanium i forbindelse med uorganisk kemi specifikt, men dette navn er i øjeblikket usædvanligt i praksis.

Geometri

Da O + ionen og N- atomet har det samme antal elektroner , er H 3 O + ionener isoelektronisk med molekyle af ammoniak NH 3dermed dens trigonale pyramidegetri med øverst oxygenatom. HOH- vinklen er i størrelsesordenen 113 °.

Solution

Den solvatisering af hydroniumion i vand endnu ikke er fuldt karakteriseret. Den dominerende geometri udledt fra kryoskopi af vand ville være H 3 O + (H 2 O) 6 : hver ion er i gennemsnit solvatiseret af seks vandmolekyler, som ikke længere kan solvere en anden ion.

Andre opløsningsstrukturer involverer flere vandmolekyler, især H 3 O + (H 2 O) 20hvor hydroniumionen er i centrum af en vanddodecahedron . Simuleringer udført af ab initio metode af kvantekemi vil dog indikere, at det hydratiserede proton ville være placeret i gennemsnit snarere på overfladen af H 3 O + (H 2 O) aggregat 20.

Et californisk hold foreslog i 2010 en ny model baseret på dets infrarøde spektroskopianalyser , ifølge hvilke protoner er solvatiseret i form af aggregater [H 13 O 6 ] +hvor den positive elektriske ladning fordeles uden forskel på de seks vandmolekyler.

Den H 3 O + monomerVæskefasen blev identificeret i 1979 af kernemagnetisk resonans i oxygen 17 i en opløsning supersyre svagt ikke-vandige nukleofile HF-SBF 5 SO 2( hydrogenfluorid , antimonpentafluorid , svovldioxid ).

Oxoniumion er permanent til stede i vand på grund af autoprotolysereaktionen :

Først og fremmest er der dissociation af et vandmolekyle: H 2 O $\ rightleftharpoons$ H + + HO -
Derefter solvatiserer et andet vandmolekyle den frigivne proton: H 2 O+ H + H 3 O + $\ rightleftharpoons$
Endelig solvatiserede proton opnået, kaldet oxonium ion , hydratiseres i opløsning og derfor betegnet H 3 O + (aq), forkortet som "vandig" med henvisning til det faktum, at den er i opløsning.

Den overordnede reaktionsplan kan skrives:

2 H 2 O

\ rightleftharpoons

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

HO - (aq)er hydroxidionen , også solvatiseret.

pH i rent vand ved 25 ° C

Den ligevægtskonstant af autoprotolysis vand ved 25 ° C er:

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

En ligevægtskonstant gælder ikke for koncentrationer, men for aktiviteter. Vandaktivitet H 2 O opløsningsmiddel er det for en praktisk talt ren væske og er lig med 1 ved konvention.

Ioniseringskonstanten for vand ved 25 ° C skrives:

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

hvilket betyder at :

[H 3 O +] = [HO - ] = 10-7 ,

deraf pH- værdien af rent vand ved 25 ° C :

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

Den oxonium ion er ansvarlig for ejendommen af syrer ifølge definitionen af Joannes Brønsted . Den er til stede i enhver vandig opløsning i ligevægt med hydroxidionen HO - . Det er målingen af dens koncentration, der gør det muligt at bestemme opløsningens pH .

Referencer

[1]
beregnet molekylmasse fra " Atomic vægte af elementerne 2007 " på www.chem.qmul.ac.uk .
(en) Jian Tang og Takeshi Oka , " infrarød spektroskopi af H 3 O + : The v 1 Fundamental Band ” , Journal of Molecular Spectroscopy , bind. 196, nr . 1,Juli 1999, s. 120-130 ( læs online )
DOI : 10.1006 / jmsp.1999.7844
DOI : 10.1021 / ja9101826
(i) Gheorghe D. Mateescu, George M. Benedikt , " Vand og relaterede systemer. 1. hydroniumion (H 3 O + ). Foruddelning og karakterisering ved hjælp af ilt-17 nuklear magnetisk resonans med høj opløsning ” , Journal of the American Chemical Society , bind. 101, nr . 14,1979, s. 3959-3960 ( læs online )
DOI : 10.1021 / ja00508a040