Hiđrôni

Danh pháp

Theo danh pháp hóa học hữu cơ của IUPAC , ion hydroninên được gọi là oxoni .   Hydroxoni cũng có thể được sử dụng rõ ràng để xác định nó.  Một đề xuất dự thảo của IUPAC cũng khuyến nghị sử dụng oxonium và oxyani trong bối cảnh hóa học hữu cơ và vô cơ. 
Một ion oxoni là bất kỳ ion nào có catốt oxy hóa trị ba.  Ví dụ, nhóm hydroxyl được proton hóa là ion oxoni, nhưng không phải là ion hydroni.

Kết cấu

Vì O⁺ và N có cùng số electron,  H₃O⁺  là đẳng lượng với amoniac .  Như thể hiện trong các hình ảnh trên,  H₃O⁺ có dạng hình học phân tử hình chóp tam giác với nguyên tử oxy ở đỉnh của nó.  Góc liên kết của H hạng O hạng H là khoảng 113 °,  và tâm khối lượng rất gần với nguyên tử oxy.  Bởi vì cơ sở của kim tự tháp được tạo thành từ ba nguyên tử hydro giống hệt nhau, H₃O⁺ .Cấu hình đỉnh đối xứng của phân tử  H₃O⁺  sao cho thuộc nhóm điểm C ₃ᵥ .  Do tính đối xứng này và thực tế là nó có mômen lưỡng cực, quy tắc chọn xoay là  ΔJ   =  ± 1 và Δ K  =   0.  Lưỡng cực chuyển tiếp nằm dọc theo c -axis và, vì điện tích âm được định vị gần nguyên tử oxy, nên mômen lưỡng cực chỉ vào đỉnh, vuông góc với mặt phẳng cơ sở.

Axit và tính axit

Hydroni là catốt hình thành từ nước với sự có mặt của các ion hydro .  Những hydron này không tồn tại ở trạng thái tự do - chúng cực kỳ phản ứng và bị hòa tan bởi nước.  Một chất tan có tính axit nói chung là nguồn hydron; tuy nhiên, hydroni tồn tại ngay cả trong nước tinh khiết.  Trường hợp đặc biệt này của nước phản ứng với nước để tạo ra các ion hydroni (và hydroxit ) thường được gọi là tự ion hóa nước .  Các ion hydroni thu được rất ít và tồn tại trong thời gian ngắn. pH là thước đo hoạt động tương đối của các ion hydroni và hydroxit trong dung dịch nước.  Trong các dung dịch axit, hydroni hoạt động mạnh hơn, proton dư thừa của nó sẵn sàng cho phản ứng với các loài cơ bản. 
Các ion hydronium có tính axit mạnh: ở 25 ° C, p K ₐ của nó là 0.   Đây là loài có tính axit nhất có thể tồn tại trong nước (giả sử đủ nước để hòa tan): bất kỳ axit mạnh hơn sẽ làm ion hóa và proton hóa một phân tử nước để tạo thành hydroni.  Độ axit của hydroni là tiêu chuẩn ngầm được sử dụng để đánh giá độ bền của axit trong nước: axit mạnh phải là chất cho proton tốt hơn hydroni, nếu không, một phần axit đáng kể sẽ tồn tại ở trạng thái không bị ion hóa (ví dụ: axit yếu) .  Không giống như hydroni trong các dung dịch trung tính do sự tự phân ly của nước, các ion hydroni trong các dung dịch axit là lâu dài và tập trung, tỷ lệ với sức mạnh của axit hòa tan. 
Độ pH ban đầu được hình thành là thước đo nồng độ ion hydro của dung dịch nước.   Bây giờ chúng ta biết rằng hầu như tất cả các proton tự do như vậy nhanh chóng phản ứng với nước để tạo thành hydroni; Do đó tính axit của dung dịch nước được đặc trưng chính xác hơn bởi nồng độ hydroni của nó.  Trong các tổng hợp hữu cơ, như phản ứng xúc tác axit, ion hydroni (H₃O⁺ ) có thể được sử dụng thay thế cho nhau với ion H ⁺.

Giải quyết

Các nhà nghiên cứu vẫn chưa mô tả đầy đủ sự hòa tan của ion hydronium trong nước, một phần vì có nhiều ý nghĩa khác nhau của sự hòa tan tồn tại.  Một nghiên cứu trầm cảm điểm đóng băng đã xác định rằng ion hydrat trung bình trong nước lạnh xấp xỉ H₃O⁺(H₂O)₆   , mỗi ion hydronium được hòa tan bởi 6 phân tử nước không thể hòa tan các phân tử chất tan khác. 
Một số cấu trúc hydrat hóa khá lớn: H₃O⁺(H₂O)₂₀  kỳ diệu cấu trúc số ion (gọi tắt là kỳ diệu vì sự ổn định tăng của nó đối với các cấu trúc hydrat hóa liên quan đến một số so sánh của các phân tử nước với - đây là một cách sử dụng tương tự của sự kỳ diệu từ như trong vật lý hạt nhân ) có thể đặt hiđrôni bên trong một quanh khối lồng.   Tuy nhiên, các mô phỏng động lực học phân tử phương pháp ab initio gần đây đã chỉ ra rằng, trung bình, proton ngậm nước nằm trên bề mặt của H₃O⁺(H₂O)₂₀  cụm.   Hơn nữa, một số tính năng khác nhau của các mô phỏng này đồng ý với các đối tác thử nghiệm của họ cho thấy một cách giải thích khác về kết quả thử nghiệm. 
Một tính toán năm 2007 của các enthalpies và năng lượng miễn phí của các trái phiếu khác nhau hydro xung quanh catốt hiđrôni trong nước proton hóa lỏng  ở nhiệt độ phòng và một nghiên cứu của các proton hopping cơ chế sử dụng động lực học phân tử cho thấy rằng các ion hydro trái phiếu Chính phủ xung quanh ion hiđrôni ( được hình thành với ba phối tử nước trong lớp vỏ hòa tan đầu tiên của hydronium) khá mạnh so với các khối nước.