Idronio

H₃O⁺ catione prodotto dalla protonazione dell'acqua
(Reindirizzamento da Ione idrogeno)

Ione idronio è il termine obsoleto[1] utilizzato in passato per indicare il catione ossonio, detto anche senza ambiguità idrossonio (o impropriamente idrogenione o semplicemente protone), con formula bruta reale H3O+, in quanto l'ossigeno forma tre legami covalenti di uguale lunghezza ed angoli di 108°, mentre il quarto orbitale ibrido sp3 è riempito da una coppia elettronica libera (lone pair, in inglese)[2]. Ciò rende il catione idrossonio un tipico acido di Brønsted-Lowry.

Ione idronio
Struttura dello ione ossonio (senza la coppia di non legame)
Struttura dello ione ossonio (senza la coppia di non legame)
Modello tridimensionale dello ione ossonio
Modello tridimensionale dello ione ossonio
Distribuzione della carica all'interno del catione
Distribuzione della carica all'interno del catione
Nome IUPAC
Ossonio
Caratteristiche generali
Formula bruta o molecolareH3O⁺
Massa molecolare (u)19.02 g/mol
Numero CAS13968-08-6
PubChem123332 e 44144404
SMILES
[OH3+]
Indicazioni di sicurezza

Il catione è responsabile del carattere acido di tutte le sostanze in ambiente acquoso e del relativo effetto livellante. Esso consiste in un catione derivante direttamente dalla formazione di un legame covalente fra uno ione H+ (denominato idrone, che in soluzione acquosa non può esistere allo stato libero) e una molecola di H2O. Si trova secondo la teoria di dissociazione di Brønsted-Lowry di sostanze anfotere e in tutti gli acidi inorganici e organici, siano essi forti o deboli.

In conclusione, lo ione idrossonio ha una struttura tetraedrica; l'atomo di ossigeno ibridato sp3 è posto al centro del tetraedro, i tre atomi di idrogeno occupano i tre vertici della base triangolare, mentre il quarto orbitale sp3 è occupato da una coppia di elettroni di non legame, o "lone pair", che è responsabile della maggior parte delle proprietà chimico-fisiche del catione stesso. I tre angoli di legame H-O-H sono approssimativamente di 108°[3]. Esperimenti di marcatura radioisotopica con trizio hanno evidenziato che i tre atomi di idrogeno sono equivalenti, ovvero quando lo ione ossonio si dissocia per tornare a formare acqua, lo ione H+ scambiato non è necessariamente quello acquisito in precedenza. In soluzione acquosa il catione idrossonio stabilisce legami a idrogeno solvatandosi con ulteriori tre molecole di acqua, assumendo la struttura più complessa (e maggiormente in accordo coi dati sperimentali) H9O4+. L'originale meccanismo di Grotthuss rende conto della peculiare dinamica e cinetica di trasferimento del protone in soluzione acquosa.

Produzione di cationi idrossonio: sostanze anfotere e acidi

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Il catione H3O+ è naturalmente presente nelle sostanze anfotere in soluzione acquosa, come ad esempio l'anione idrogenocarbonato HCO3-, l'anione mono-idrogenosolfato HSO4- e l'acqua stessa (vedi autodissociazione dell'acqua). Esso deriva dall'equilibrio di autoprotolisi, secondo il quale queste sostanze tendono a perdere un protone tramutandosi nella propria base coniugata e liberando un protone H+; questo non può esistere libero in soluzione e, come detto in precedenza, si lega all'acqua formando un catione idrossonio.
Alcuni esempi sono:

 
 

Inoltre, anche gli acidi in soluzione acquosa contengono ioni idrossonio a diverse concentrazioni; proprio da questo valore, esprimibile come [H3O+], dipende poi il pH delle sostanze. Gli acidi forti si ionizzano (dissociano) completamente se disciolti in acqua, e - poiché tutte le reazioni chimiche sono di equilibrio - la loro reazione di dissociazione è completamente spostata verso destra. Un esempio è la seguente:

 

Gli acidi che invece sono definiti deboli danno luogo a reazioni di equilibrio di dissociazione in soluzione acquosa con formazione di cationi idrossonio. Ciò è quanto per esempio accade all'aceto, che è essenzialmente una soluzione acquosa diluita di acido acetico:

 

Infine, il catione idrossonio è presente anche nelle soluzioni delle sostanze che non hanno carattere acido, le basi, ma in concentrazioni assolutamente trascurabili, in quanto dev'essere sempre rispettato il valore del prodotto ionico dell'acqua KW = [H3O+] [OH-] che è pari a 1,0×10−14 M2 in condizioni standard.

  1. ^ secondo le raccomandazioni delle Divisioni di Chimica Inorganica, di Chimica Organica e di Nomenclatura della IUPAC
  2. ^ (EN) IUPAC Gold Book, "oxonium ions"
  3. ^ Jian Tang and Takeshi Oka (1999). "Infrared spectroscopy of H3O+: the v1 fundamental band.". J. Mol. Spectrosc. 196 (1): 120. Bibcode 1999JMoSp.196..120T. doi:10.1006/jmsp.1999.7844. PMID 10361062

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