Hidronio - Hydronium

Diagrama 3D que muestra la estructura piramidal del ion hidroxonio
Modelo de bola y palo del ion hidronio
Superficie de potencial eléctrico 3D del catión hidroxonio
Radio de Van der Waals de Hydronium
Nombres
Nombre IUPAC
oxonio
Otros nombres
Ion de hidronio
Identificadores
Modelo 3D ( JSmol )
CHEBI
ChemSpider
  • InChI = 1S / H2O / h1H2 / p + 1
    Clave: XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-O
  • [OH3 +]
Propiedades
H
3
O+
Masa molar 19,02 g / mol
Acidez (p K a ) -1,74 o 0 (ambiguo, ver texto)
Base conjugada Agua
Salvo que se indique lo contrario, los datos se proporcionan para materiales en su estado estándar (a 25 ° C [77 ° F], 100 kPa).
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Referencias de Infobox

En química , el hidronio (hidroxonio en inglés británico tradicional) es el nombre común del catión acuoso H
3
O+
, el tipo de ion oxonio producido por la protonación del agua . A menudo se lo ve como el ion positivo presente cuando un ácido de Arrhenius se disuelve en agua, ya que las moléculas de ácido de Arrhenius en solución ceden un protón (un ion de hidrógeno positivo , H+
) a las moléculas de agua circundantes ( H
2
O
). De hecho, los ácidos deben estar rodeados por más de una molécula de agua para ionizarse, produciendo H + acuoso y base conjugada. Tres estructuras principales para el protón acuoso han obtenido apoyo experimental: el catión Eigen, que es un tetrahidrato, H3O + (H2O) 3; el catión Zundel, que es un dihidrato simétrico, H + (H2O) 2; y el catión Stoyanov, un catión Zundel expandido, que es un hexahidrato: H + (H2O) 2 (H2O) 4. La evidencia espectroscópica de espectros de IR bien definidos apoya abrumadoramente el catión Stoyanov como la forma predominante. Por esta razón, se ha sugerido que, siempre que sea posible, se utilice el símbolo H + (aq) en lugar del ion hidronio.

Determinación de pH

La concentración de iones H + determina el pH de una solución . La concentración de iones de hidróxido determina el pOH de una solución . Las moléculas en agua pura se auto-disocian en protones acuosos e iones hidróxido en el siguiente equilibrio:

H
2
O ⇌ OH-
+ H+

En agua pura, hay un número igual de iones hidróxido e iones H +, por lo que es una solución neutra. A 25 ° C (77 ° F), el agua tiene un pH de 7 y un pOH de 7 (esto varía cuando cambia la temperatura: ver autoionización del agua ). Un valor de pH inferior a 7 indica una solución ácida y un valor de pH superior a 7 indica una solución básica.

Nomenclatura

Según la nomenclatura de química orgánica de la IUPAC , el ion hidronio debe denominarse oxonio . El hidroxonio también se puede utilizar de forma inequívoca para identificarlo. Un proyecto de propuesta de la IUPAC también recomienda el uso de oxonio y oxidanio en contextos de química orgánica e inorgánica, respectivamente.

Un ion oxonio es cualquier ion con un catión de oxígeno trivalente. Por ejemplo, un grupo hidroxilo protonado es un ión oxonio, pero no un ión hidronio.

Estructura

Desde O+
y N tienen el mismo número de electrones, H
3
O+
es isoelectrónico con amoniaco . Como se muestra en las imágenes de arriba, H
3
O+
tiene una geometría molecular piramidal trigonal con el átomo de oxígeno en su vértice. El ángulo de enlace H − O − H es de aproximadamente 113 ° y el centro de masa está muy cerca del átomo de oxígeno. Debido a que la base de la pirámide está formada por tres átomos de hidrógeno idénticos, el H
3
O+
La configuración superior simétrica de la molécula es tal que pertenece a la C
3v
grupo de puntos . Debido a esta simetría y al hecho de que tiene un momento dipolar, las reglas de selección rotacional son Δ J  = ± 1 y Δ K  = 0. El dipolo de transición se encuentra a lo largo del eje c y, debido a que la carga negativa está localizada cerca del oxígeno átomo, el momento dipolar apunta al vértice, perpendicular al plano de la base.

Ácidos y acidez

El protón hidratado es muy ácido: a 25 ° C, su p K a es aproximadamente 0. Por otro lado, Silverstein ha demostrado que los resultados experimentales de Ballinger y Long apoyaron un pKa de 0,0 para el protón acuoso.

El protón acuoso es la especie más ácida que puede existir en el agua (suponiendo que haya suficiente agua para la disolución): cualquier ácido más fuerte se ionizará y producirá un protón hidratado. La acidez de H + (aq) es el estándar implícito utilizado para juzgar la fuerza de un ácido en el agua: los ácidos fuertes deben ser mejores donantes de protones que H + (aq), ya que de lo contrario existirá una porción significativa de ácido en un estado no ionizado. (es decir: un ácido débil). A diferencia del H + (aq) en las soluciones neutras que resultan de la autodisociación del agua, en las soluciones ácidas, el H + (aq) es de larga duración y concentrado, en proporción a la fuerza del ácido disuelto.

El pH se concibió originalmente como una medida de la concentración de iones de hidrógeno de una solución acuosa. Prácticamente todos esos protones libres se hidratan rápidamente; Por tanto, la acidez de una solución acuosa se caracteriza con mayor precisión por su concentración de H + (aq). En síntesis orgánicas, como reacciones catalizadas por ácidos, el ion hidronio ( H
3
O+
) se usa indistintamente con la H+
ion; elegir uno sobre el otro no tiene un efecto significativo sobre el mecanismo de reacción.

Solvacion

Los investigadores aún tienen que caracterizar completamente la solvatación del ion hidronio en agua, en parte porque existen muchos significados diferentes de solvatación. Un estudio de depresión del punto de congelación determinó que la media de iones de hidratación en agua fría es aproximadamente H
3
O+
(H
2
O)
6
: en promedio, cada ion hidronio está solvatado por 6 moléculas de agua que son incapaces de solvatar otras moléculas de soluto.

Algunas estructuras de hidratación son bastante grandes: el H
3
O+
(H
2
O)
20
La estructura del número de iones mágicos (llamada número mágico debido a su mayor estabilidad con respecto a las estructuras de hidratación que involucran un número comparable de moléculas de agua; este es un uso similar del término número mágico como en la física nuclear ) podría colocar el hidronio dentro de una jaula dodecaédrica . Sin embargo, simulaciones más recientes de dinámica molecular del método ab initio han demostrado que, en promedio, el protón hidratado reside en la superficie del H
3
O+
(H
2
O)
20
grupo. Además, varias características dispares de estas simulaciones concuerdan con sus contrapartes experimentales, lo que sugiere una interpretación alternativa de los resultados experimentales.

Catión Zundel

Otras dos estructuras bien conocidas son el catión Zundel y el catión Eigen . La estructura de solvatación Eigen tiene el ion hidronio en el centro de una H
9
O+
4
complejo en el que el hidronio está fuertemente unido por enlaces de hidrógeno a tres moléculas de agua vecinas. En el Zundel H
5
O+
2
complejo el protón es compartido por igual por dos moléculas de agua en un enlace de hidrógeno simétrico . Un trabajo reciente indica que ambos complejos representan estructuras ideales en un defecto de red de enlaces de hidrógeno más general.

El aislamiento del monómero de iones hidronio en fase líquida se logró en una solución de superácido no acuosa de baja nucleofilicidad ( HF - SbF
5
ASI QUE
2
). El ion se caracterizó por una alta resolución17
O
resonancia magnética nuclear .

Un cálculo de 2007 de las entalpías y energías libres de los diversos enlaces de hidrógeno alrededor del catión hidronio en agua líquida protonada a temperatura ambiente y un estudio del mecanismo de salto de protones utilizando dinámica molecular mostró que los enlaces de hidrógeno alrededor del ión hidronio (formado con el tres ligandos de agua en la primera capa de solvatación del hidronio) son bastante fuertes en comparación con los del agua a granel.

Stoyanov propuso un nuevo modelo basado en espectroscopía infrarroja en el que el protón existe como un H
13
O+
6
ion. Por tanto, la carga positiva se deslocaliza en 6 moléculas de agua.

Sales de hidronio sólidas

Para muchos ácidos fuertes , es posible formar cristales de su sal de hidronio que son relativamente estables. Estas sales a veces se denominan monohidratos ácidos . Como regla general, cualquier ácido con una constante de ionización de 109 o superior puede hacer esto. Los ácidos cuyas constantes de ionización están por debajo de 10 9 generalmente no pueden formar H estable
3
O+
sales. Por ejemplo, el ácido nítrico tiene una constante de ionización de 10 1,4 y las mezclas con agua en todas las proporciones son líquidas a temperatura ambiente. Sin embargo, el ácido perclórico tiene una constante de ionización de 10 10 , y si el ácido perclórico anhidro líquido y el agua se combinan en una proporción molar de 1: 1, reaccionan para formar perclorato de hidronio sólido ( H
3
O+
· ClO-
4
).

El ion hidronio también forma compuestos estables con el superácido carborano H (CB
11
H (CH
3
)
5
Br
6
)
. La cristalografía de rayos X muestra una C
3v
simetría para el ion hidronio con cada protón interactuando con un átomo de bromo, cada uno de tres aniones carborano con una separación de 320 pm en promedio. El [H
3
O] [H (CB
11
HCl
11
)]
sal también es soluble en benceno . En los cristales que crecen a partir de una solución de benceno, el disolvente co-cristaliza y un H
3
JEFE
6
H
6
)
3
El catión está completamente separado del anión. En el catión, tres moléculas de benceno rodean al hidronio formando interacciones pi- catión con los átomos de hidrógeno. El acercamiento más cercano (sin unión) del anión en el cloro al catión en el oxígeno es 348 pm.

También hay muchos ejemplos de iones de hidronio hidratado conocidos, como el H
5
O+
2
ion en HCl · 2H 2 O , el H
7
O+
3
y H
9
O+
4
iones ambos se encuentran en HBr · 4H 2 O .

Interestelar H
3
O+

El hidronio es un ion molecular abundante en el medio interestelar y se encuentra en nubes moleculares densas y difusas, así como en las colas de plasma de los cometas. Las fuentes interestelares de observaciones de hidronio incluyen las regiones de Sagittarius B2, Orion OMC-1, Orion BN-IRc2, Orion KL y el cometa Hale-Bopp.

El hidronio interestelar está formado por una cadena de reacciones iniciadas por la ionización de H
2
en H+
2
por radiación cósmica. H
3
O+
puede producir OH - o H
2
O a
través de reacciones de recombinación disociativa , que ocurren muy rápidamente incluso a temperaturas bajas (≥10 K) de nubes densas. Esto lleva a que el hidronio juegue un papel muy importante en la química interestelar de iones neutros.

Los astrónomos están especialmente interesados ​​en determinar la abundancia de agua en varios climas interestelares debido a su papel clave en el enfriamiento de densos gases moleculares a través de procesos radiativos. Sin embargo, H
2
O
no tiene muchas transiciones favorables para las observaciones terrestres. Aunque las observaciones de HDO (la versión deuterada del agua ) podrían potencialmente usarse para estimar H
2
O
abundancias, la proporción de HDO a H
2
O
no se conoce con mucha precisión.

Hydronium, por otro lado, tiene varias transiciones que lo convierten en un candidato superior para la detección e identificación en una variedad de situaciones. Esta información se ha utilizado junto con las mediciones de laboratorio de las relaciones de ramificación de los diversos H
3
O+
Reacciones de recombinación disociativa para proporcionar lo que se cree que son OH y H relativamente precisos .
2
O
abundancias sin necesidad de observación directa de estas especies.

Química interestelar

Como se mencionó anteriormente, H
3
O+
se encuentra tanto en nubes moleculares difusas como densas. Aplicando las constantes de velocidad de reacción ( α , β y γ ) correspondientes a todas las reacciones caracterizadas actualmente disponibles que involucran a H
3
O+
, es posible calcular k ( T ) para cada una de estas reacciones. Al multiplicar estos k ( T ) por las abundancias relativas de los productos, se pueden determinar las velocidades relativas (en cm 3 / s) para cada reacción a una temperatura determinada. Estas tasas relativas se pueden hacer en tasas absolutas multiplicándolas por [H
2
]2
. Suponiendo que T  = 10 K para una nube densa y T  = 50 K para una nube difusa, los resultados indican que los mecanismos de formación y destrucción más dominantes fueron los mismos para ambos casos. Se debe mencionar que las abundancias relativas utilizadas en estos cálculos corresponden a TMC-1, una nube molecular densa, y que por lo tanto se espera que las tasas relativas calculadas para ser más exactos en T  = 10 K . Los tres mecanismos de formación y destrucción más rápidos se enumeran en la siguiente tabla, junto con sus tasas relativas. Tenga en cuenta que las velocidades de estas seis reacciones son tales que constituyen aproximadamente el 99% de las interacciones químicas del ión hidronio en estas condiciones. Los tres mecanismos de destrucción de la tabla siguiente se clasifican como reacciones de recombinación disociativas .

Vías de reacción primarias de H
3
O+
en el medio interestelar (específicamente, nubes densas).
Reacción Escribe Tasa relativa (cm 3 / s)
a 10 K a 50 K
H
2
+ H
2
O+
→ H
3
O+
+ H
Formación 2,97 × 10 - 22 2,97 × 10 - 22
H
2
O + HCO+
→ CO + H
3
O+
Formación 4.52 × 10 - 23 4.52 × 10 - 23
H+
3
+ H
2
O → H
3
O+
+ H
2
Formación 3,75 × 10 - 23 3,75 × 10 - 23
H
3
O+
+ e - → OH + H + H
Destrucción 2,27 × 10 - 22 1.02 × 10 - 22
H
3
O+
+ e - → H
2
O + H
Destrucción 9,52 × 10 - 23 4,26 × 10 - 23
H
3
O+
+ e - → OH + H
2
Destrucción 5.31 × 10 - 23 2,37 × 10 - 23

También vale la pena señalar que las velocidades relativas para las reacciones de formación en la tabla anterior son las mismas para una reacción dada a ambas temperaturas. Esto se debe a que las constantes de velocidad de reacción para estas reacciones tienen constantes β y γ de 0, lo que da como resultado k  =  α, que es independiente de la temperatura.

Dado que las tres reacciones producen H
2
O
u OH, estos resultados refuerzan la fuerte conexión entre sus abundancias relativas y la de H
3
O+
. Las velocidades de estas seis reacciones son tales que constituyen aproximadamente el 99% de las interacciones químicas del ión hidronio en estas condiciones.

Detecciones astronómicas

Ya en 1973 y antes de la primera detección interestelar, los modelos químicos del medio interestelar (el primero correspondiente a una nube densa) predijeron que el hidronio era un ion molecular abundante y que desempeñaba un papel importante en la química de iones neutros. Sin embargo, antes de que se pudiera llevar a cabo una búsqueda astronómica, aún quedaba la cuestión de determinar las características espectroscópicas del hidronio en la fase gaseosa, que en este momento se desconocían. Los primeros estudios de estas características se realizaron en 1977, al que siguieron otros experimentos de espectroscopia de mayor resolución. Una vez que se identificaron varias líneas en el laboratorio, la primera detección interestelar de H 3 O + fue realizada por dos grupos casi simultáneamente en 1986. El primero, publicado en junio de 1986, informó la observación de la Jvt
K
 = 1-
1
 - 2+
1
transición en 307 192 0,41 MHz en OMC-1 y Sgr B2. El segundo, publicado en agosto, informó la observación de la misma transición hacia la nebulosa Orion-KL.

Estas primeras detecciones han sido seguidas por observaciones de una serie de H adicionales
3
O+
transiciones. Las primeras observaciones de cada detección de transición posterior se dan a continuación en orden cronológico:

En 1991, el 3+
2
 - 2-
2
transición en Se observó 364 797 .427 MHz en OMC-1 y Sgr B2. Un año después, el 3+
0
 - 2-
0
transición en Se observaron
396 272 .412 MHz en varias regiones, la más clara de las cuales fue la nube W3 IRS 5.

El primer IR lejano 4-
3
 - 3+
3
La transición a 69,524 µm (4,3121 THz) se realizó en 1996 cerca de Orion BN-IRc2. En 2001, tres transiciones adicionales de H
3
O+
en se observaron en el infrarrojo lejano en Sgr B2; 2-
1
 - 1+
1
transición a 100,577 µm (2,98073 THz), 1-
1
 - 1+
1
a 181,054 µm (1,65582 THz) y 2-
0
 - 1+
0
a 100,869 µm (2,9721 THz).

Ver también

Referencias

enlaces externos