Hydroni

Trong lĩnh vực hóa học, hydroni là tên gọi chung cho ion nước H₃O, một loại ion oxonium được tạo thành khi nước bị proton hóa. Đây là ion dương xuất hiện khi acid theo định nghĩa Arrhenius tan trong nước, do các phân tử acid Arrhenius trong dung dịch nhường một proton (ion hydro dương, H) cho các phân tử nước xung quanh (H₂O).

Xác định độ pH

Tỷ lệ giữa các ion hydroni và ion hydroxide quyết định độ pH của dung dịch. Các phân tử trong nước tinh khiết tự động phân ly (nghĩa là: phản ứng với nhau) thành các ion hydroni và hydroxide ở trạng thái cân bằng sau:

2H₂O ⇌ OH
+ H₃O

Trong nước tinh khiết, số lượng ion hydroxide và hydroni bằng nhau, do đó dung dịch là trung tính. Ở nhiệt độ 25 ℃, độ pH của nước là 7 (giá trị này thay đổi khi nhiệt độ thay đổi). Giá trị pH nhỏ hơn 7 chỉ ra dung dịch acid và giá trị pH lớn hơn 7 chỉ ra dung dịch bazơ.

Danh pháp

Theo danh pháp hóa học hữu cơ của IUPAC, ion hydroni nên được gọi là oxoni. Hydroxoni cũng có thể được sử dụng để mô tả nó rõ ràng. Một đề xuất dự thảo của IUPAC cũng khuyến nghị sử dụng oxonium và oxyani trong ngữ cảnh hóa học hữu cơ và vô cơ.

Một ion oxoni là bất kỳ ion nào có cấu trúc oxy hóa trị ba. Ví dụ, nhóm hydroxyl bị proton hóa là ion oxoni, nhưng không phải là ion hydroni.

Kết cấu

Vì O
và N có cùng số electron, H₃O có cấu trúc tương tự như amonia. Như hình ảnh cho thấy, H₃O có hình học phân tử là hình chóp tam giác với nguyên tử oxy ở đỉnh của nó. Góc liên kết giữa H và O là khoảng 113°, và tâm khối lượng gần nguyên tử oxy. Do cấu trúc kim tự tháp với ba nguyên tử hydro giống nhau, H₃O có cấu trúc đối xứng với nhóm điểm C_3v. Do tính đối xứng này và mômen lưỡng cực, quy tắc xoay là ΔJ = ± 1 và Δ K = 0. Mômen lưỡng cực hướng theo trục c -axis và, với điện tích âm gần nguyên tử oxy, mômen lưỡng cực chỉ vào đỉnh, vuông góc với mặt phẳng cơ sở.

Acid và tính acid

Hydroni là cation được tạo thành từ nước với sự hiện diện của ion hydro. Những cation này không tồn tại tự do và dễ dàng phản ứng và tan trong nước. Một chất có tính acid nói chung là nguồn gốc của 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 hydroxide) thường được gọi là tự ion hóa nước. Các ion hydroni hiếm khi được tạo ra và tồn tại trong thời gian ngắn. pH là chỉ số cho sự hoạt động của các ion hydroni và hydroxide trong dung dịch nước. Trong dung dịch acid, ion hydroni có hoạt tính cao hơn, và proton dư sẵn sàng để phản ứng với các base.

Các ion hydroni có tính acid mạnh: ở 25 ℃, pK_a của chúng là 0. Đây là loại acid mạnh nhất có thể tồn tại trong nước (nếu có đủ nước để tan): bất kỳ acid mạnh hơn sẽ ion hóa và proton hóa một phân tử nước để tạo thành hydroni. Độ acid của hydroni là tiêu chuẩn giấu tên được sử dụng để đánh giá độ bền của acid trong nước: acid mạnh phải tốt hơn hydroni về cấu trúc proton, nếu không, một phần lớn acid sẽ tồn tại dưới dạng không ion hóa (ví dụ: acid yếu). Khác với hydroni trong các dung dịch trung tính do phản ứng tự ly của nước, các ion hydroni trong các dung dịch acid là lâu dài và tập trung, tương tự như sức mạnh của acid tan.

Độ pH ban đầu là mức độ ion hydro của dung dịch nước. Bây giờ chúng ta biết rằng hầu hết các proton tự do sẽ nhanh chóng phản ứng với nước để tạo thành hydroni; vì vậy, tính acid của dung dịch nước được đặc trưng chính xác hơn bởi nồng độ hydroni. Trong các tổng hợp hữu cơ, như phản ứng xúc tác acid, ion hydroni (H₃O) có thể được sử dụng thay thế cho nhau với ion H.

Giải quyết

Nghiên cứu về sự tan ion hydroni trong nước vẫn chưa được mô tả đầy đủ, do có nhiều định nghĩa khác nhau về sự tan tồn tại. Một nghiên cứu về điểm đông lạnh đã xác định rằng ion hydrat trong nước lạnh gần như là H3O6, mỗi ion hydroni được hòa tan bởi 6 phân tử nước không thể hòa tan các phân tử chất tan khác.

Cấu trúc hydrat hóa có một số kích thước lớn: H3O20, gọi là 'kỳ diệu' do sự ổn định của nó so với các cấu trúc hydrat hóa khác, được so sánh với các phân tử nước, một sử dụng tương tự với từ 'kỳ diệu' như trong vật lý hạt nhân.

Nghiên cứu năm 2007 về năng lượng và enthalpi của các trái phiếu hydro khác nhau xung quanh ion hydroni proton hóa trong nước ở nhiệt độ phòng, cùng với nghiên cứu về cơ chế nhảy proton sử dụng động lực học phân tử, cho thấy rằng các ion hydro xung quanh ion hydroni (được hình thành bởi ba phân tử nước trong vỏ hòa tan đầu tiên của hydroni) khá mạnh so với các cấu trúc nước khác.