In der Chemie ist ein hydronium Ion der cation, ein Typ des oxonium Ions, das durch protonation von Wasser und isoelectronic mit Ammoniak erzeugt ist. Dieser cation wird häufig verwendet, um die Natur des Protons in der wässrigen Lösung zu vertreten, wo das Proton hoch solvated (gebunden zu einem Lösungsmittel) ist. Die Wirklichkeit ist viel mehr kompliziert, und ein Proton wird zu mehreren Molekülen von Wasser gebunden, solch, dass andere Beschreibungen wie HO, HO und HO immer genauere Beschreibungen der Umgebung eines Protons in Wasser sind. Das Ion ist in der Gasphase entdeckt worden.

Entschluss vom pH

Es ist die Anwesenheit des hydronium Ions hinsichtlich Hydroxyds, das einen pH einer Lösung bestimmt. Wassermoleküle trennen sich in hydronium und Hydroxyd-Ionen im folgenden Gleichgewicht autoab:

:2 +

In reinem Wasser gibt es eine gleiche Anzahl von Hydroxyd und hydronium Ionen. An 25 °C und atmosphärischem Druck sind ihre Konzentrationen ungefähr gleicher tomoldm. Für diese Bedingungen [HO] = 10 so wird pH = 7 als neutral definiert. Ein PH-Wert weniger als 7 zeigen eine acidic Lösung und einen pH an, schätzt mehr als 7 zeigen eine grundlegende Lösung an. Bemerken Sie, dass [HO] × [OH], das ionische Produkt von Wasser, stark mit der Temperatur zunimmt, so [HO] ist 10 für Temperaturen außer 25 °C nicht gleich.

Nomenklatur

Gemäß der IUPAC Nomenklatur der organischen Chemie sollte das hydronium Ion oxonium genannt werden. Hydroxonium kann auch eindeutig verwendet werden, um es zu identifizieren. Ein Entwurf IUPAC Vorschlag empfiehlt auch den Gebrauch von oxonium und oxidanium in organischen und Zusammenhängen der anorganischen Chemie beziehungsweise.

Ein oxonium Ion ist jedes Ion mit einem dreiwertigen Sauerstoff cation. Zum Beispiel ist ein protonated hydroxyl Gruppe ein oxonium Ion, aber nicht ein hydronium.

Struktur

Seitdem und N haben dieselbe Zahl von Elektronen, ist isoelectronic mit Ammoniak. Wie gezeigt, in den Images oben, hat eine trigonal Pyramide-Geometrie mit dem Sauerstoff-Atom an seiner Spitze. Der H-O-H Band-Winkel ist etwa 113 °, und das Zentrum der Masse ist sehr dem Sauerstoff-Atom nah. Weil die Basis der Pyramide aus drei identischen Wasserstoffatomen zusammengesetzt wird, ist die symmetrische Spitzenkonfiguration des Moleküls solch, dass es der C-Punkt-Gruppe gehört. Wegen dieser Symmetrie und der Tatsache, dass es einen Dipolmoment hat, sind die Rotationsauswahlregeln ΔJ = ±1 und ΔK = 0. Der Übergang-Dipol liegt entlang der c Achse und, weil die negative Anklage in der Nähe vom Sauerstoff-Atom lokalisiert wird, weist der Dipolmoment zur Spitze, Senkrechte zum Grundflugzeug hin.

Säuren und Säure

Hydronium ist der cation, der sich von Wasser in Gegenwart von Wasserstoffionen formt. Diese hydrons bestehen in einem Freistaat nicht: Sie sind äußerst reaktiv und sind solvated durch Wasser. Ein acidic solute ist allgemein die Quelle dieser hydrons; jedoch bestehen hydroniums sogar in reinem Wasser. Dieser spezielle Fall von Wasser, das mit Wasser reagiert, um hydronium (und Hydroxyd) Ionen zu erzeugen, ist als die Selbstionisation von Wasser allgemein bekannt. Die resultierenden hydronium Ionen sind wenige und kurzlebig. pH ist ein Maß der Verhältnistätigkeit von hydronium und Hydroxyd-Ionen in wässrigen Lösungen. In acidic Lösungen ist hydronium das aktivere, sein Überproton, das für die Reaktion mit grundlegenden Arten sogleich verfügbar ist.

Hydronium ist sehr acidic: An 25 °C ist sein pKa-1.74. Es sind auch die meisten acidic Arten, die in Wasser bestehen können (das Annehmen von genügend Wasser für die Auflösung) (sieh das Planieren der Wirkung): Jede stärkere Säure wird in Ionen zerfallen und protonate ein Wassermolekül, um hydronium zu bilden. Die Säure von hydronium ist der implizite Standard, der verwendet ist, um die Kraft einer Säure in Wasser zu beurteilen: Starke Säuren müssen bessere Protonenspender sein als hydronium, sonst wird ein bedeutender Teil von Säure in einem nichtionisierten Staat bestehen. Verschieden von hydronium in neutralen Lösungen, die sich aus der Autotrennung von Wasser, hydronium Ionen in acidic Lösungen ergeben, sind andauernd und im Verhältnis zur Kraft von aufgelöster Säure konzentriert.

pH wurde ursprünglich konzipiert, um ein Maß der Wasserstoffion-Konzentration der wässrigen Lösung zu sein. Wir wissen jetzt, dass eigentlich alle diese freien Protone schnell mit Wasser reagieren, um hydronium zu bilden; die Säure einer wässrigen Lösung wird deshalb durch seine hydronium Konzentration genauer charakterisiert. In organischen Synthesen, wie Säure hat Reaktionen katalysiert, das hydronium Ion kann austauschbar mit dem H Ion verwendet werden; die Auswahl ein über den anderen hat keine bedeutende Wirkung auf den Mechanismus der Reaktion.

Solvation

Forscher müssen noch den solvation des hydronium Ions in Wasser teilweise völlig charakterisieren, weil viele verschiedene Bedeutungen von solvation bestehen. Eine Gefrierpunkt-Depressionsstudie hat beschlossen, dass das Mittelhydratationsion in kaltem Wasser ungefähr ist: Durchschnittlich ist jedes hydronium Ion solvated durch 6 Wassermoleküle, die zu solvate andere solute Moleküle unfähig sind.

Einige Hydratationsstrukturen sind ziemlich groß: Die magische Ion-Zahl-Struktur (genannt Magie wegen seiner vergrößerten Stabilität in Bezug auf Hydratationsstrukturen, die eine vergleichbare Zahl von Wassermolekülen einschließen), könnte den hydronium innerhalb eines dodecahedral Käfigs legen. Jedoch neuer ab initio Methode haben molekulare Dynamik-Simulationen gezeigt, dass, durchschnittlich, das wasserhaltige Proton auf der Oberfläche der Traube wohnt. Weiter stimmen mehrere ungleiche Eigenschaften dieser Simulationen mit ihren experimentellen Kollegen überein, die eine alternative Interpretation der experimentellen Ergebnisse vorschlagen.

Zwei andere wohl bekannte Strukturen sind Zundel cations und Eigen cations. Die Struktur von Eigen solvation hat das hydronium Ion am Zentrum eines Komplexes, in dem der hydronium zu drei benachbarten Wassermolekülen stark wasserstoffverpfändet wird. Im Komplex von Zundel wird das Proton ebenso durch zwei Wassermoleküle in einem symmetrischen Wasserstoffband geteilt. Neue Arbeit zeigt an, dass beide dieser Komplexe ideale Strukturen in einem allgemeineren Wasserstoffband-Netzdefekt vertreten.

Die Isolierung des hydronium Ions monomer in der flüssigen Phase wurde in einer nichtwässrigen, niedrigen nucleophilicity supersauren Lösung erreicht. Das Ion wurde durch den hohen Beschluss O-17 Kernkernspinresonanz charakterisiert.

Eine 2007-Berechnung des enthalpies und freie Energien der verschiedenen Wasserstoffobligationen um den hydronium cation in Flüssigkeit protonated Wasser bei der Raumtemperatur und einer Studie des Protons, das über Mechanismus mit der molekularen Dynamik hüpft, haben gezeigt, dass die Wasserstoffobligationen um das hydronium Ion (gebildet mit dem drei Wasser ligands in der ersten solvation Schale des hydronium) im Vergleich zu denjenigen von Hauptteil-Wasser ziemlich stark sind.

Ein neues Modell wurde von Stoyanov vorgeschlagen, der auf der Infrarotspektroskopie gestützt ist, in der das Proton als ein Ion besteht. Die positive Anklage ist so delocalized mehr als sechs Wassermoleküle.

Feste hydronium Salze

Für viele starke Säuren ist es möglich, Kristalle ihres hydronium Salzes zu bilden, die relativ stabil sind. Manchmal werden diese Salze saures Monohydrat genannt. In der Regel kann jede Säure mit einer Ionisation, die 10 unveränderlich ist, oder höher das tun. Säuren, deren unveränderliche Ionisation unten 10 allgemein ist, können stabile Salze nicht bilden. Zum Beispiel hat Salzsäure eine Ionisation, die 10 unveränderlich ist, und Mischungen mit Wasser an allen Verhältnissen sind Flüssigkeit bei der Raumtemperatur. Jedoch, perchloric Säure hat eine Ionisation, die 10 unveränderlich ist, und wenn flüssige wasserfreie perchloric Säure und Wasser in 1:1 Mahlzahn-Verhältnis, fester hydronium perchlorate Formen verbunden werden.

Das hydronium Ion bildet auch stabile Zusammensetzungen mit der carborane Supersäure. Röntgenstrahl-Kristallographie zeigt eine C Symmetrie für das hydronium Ion mit jedem Proton, das mit einem Brom-Atom jeder von drei carborane Anion-15:20 Uhr einzeln durchschnittlich aufeinander wirkt. Das Salz ist auch im Benzol auflösbar. In Kristallen, die von einer Benzol-Lösung das Lösungsmittel co-crystallizes und der a angebaut sind · (Benzol) cation wird vom Anion völlig getrennt. Im cation umgeben drei Benzol-Moleküle hydronium sich formende Wechselwirkungen des Pis-cation mit den Wasserstoffatomen. Das nächste (das Nichtabbinden) Annäherung des Anions am Chlor zum cation an Sauerstoff ist 15:48 Uhr.

Es gibt auch viele Beispiele von wasserhaltigen hydronium Ionen bekannt, wie das Ion in, und die Ionen beide, die darin gefunden sind.

Interstellar

Motivation für die Studie

Hydronium ist ein reichliches molekulares Ion im interstellaren Medium und wird in weitschweifigen und dichten molekularen Wolken sowie den Plasmaschwänzen von Kometen gefunden. Interstellare Quellen von hydronium Beobachtungen schließen die Gebiete des Schützen B2, Orion OMC-1, Orion MILLIARDE IRc2, Orion KL, und der Gesunde-Bopp Komet ein.

Interstellarer hydronium wird durch eine Kette von Reaktionen gebildet, die mit der Ionisation in durch die Höhenstrahlung angefangen sind. kann entweder oder durch dissociative Wiederkombinationsreaktionen erzeugen, die sehr schnell sogar am niedrigen (10 K) Temperaturen von dichten Wolken vorkommen. Das führt zu hydronium das Spielen einer sehr wichtigen Rolle in der interstellaren mit dem Ion neutralen Chemie.

Astronomen interessieren sich besonders für die Bestimmung des Überflusses an Wasser in verschiedenen interstellaren Klimas wegen seiner Schlüsselrolle im Abkühlen von dichtem molekularem Benzin durch Strahlungsprozesse. Jedoch hat HO viele günstige Übergänge für gestützte Beobachtungen des Bodens nicht. Obwohl Beobachtungen von HDO (die deuterated Version von Wasser) potenziell verwendet werden konnten, um HO Überfluss zu schätzen, ist das Verhältnis von HDO dazu sehr genau nicht bekannt.

Hydronium hat andererseits mehrere Übergänge, die ihn einen vorgesetzten Kandidaten für die Entdeckung und Identifizierung in einer Vielfalt von Situationen machen. Diese Information ist in Verbindung mit Labormaßen der sich verzweigenden Verhältnisse der verschiedenen dissociative Wiederkombinationsreaktionen verwendet worden zur Verfügung zu stellen, was, wie man glaubt, relativ genauer und HO Überfluss ist, ohne direkte Beobachtung dieser Arten zu verlangen.

Interstellare Chemie

Wie erwähnt, vorher, wird sowohl in weitschweifigen als auch in dichten molekularen Wolken gefunden. Durch die Verwendung der Reaktionsrate-Konstanten (α, β, und γ) von udfa.net entsprechend dem ganzen zurzeit verfügbaren charakterisierten Reaktionsbeteiligen, ist es möglich, k (T) für jede dieser Reaktionen zu berechnen. Durch das Multiplizieren dieser k (T) durch den Verhältnisüberfluss an den Produkten (auch von udfa.net), die Verhältnisraten (Cm · s) für jede Reaktion bei einer gegebenen Temperatur kann bestimmt werden. Diese Verhältnisraten können in absoluten Raten durch das Multiplizieren von ihnen durch gemacht werden. Durch das Annehmen T = 10 K für eine dichte Wolke und T = haben 50 K für einen weitschweifigen, die Ergebnisse gekonnt anzuzeigen, dass dominierendste Bildungs- und Zerstörungsmechanismen dasselbe für beide Fälle waren. Es sollte erwähnt werden, dass der in diesen Berechnungen verwendete Verhältnisüberfluss TMC 1, eine dichte molekulare Wolke entspricht, und dass, wie man deshalb erwartet, die berechneten Verhältnisraten an T = 10 K genauer sind. Die drei schnellsten Bildungs- und Zerstörungsmechanismen werden im Tisch unten zusammen mit ihren Verhältnisraten verzeichnet. Bemerken Sie, dass die Raten dieser sechs Reaktionen solch sind, dass sie etwa 99 % 's chemische Wechselwirkungen unter diesen Bedingungen zusammensetzen. Mehr über diese Reaktionen kann darin gefunden werden. Schließlich sollte es auch bemerkt werden, dass alle drei Zerstörungsmechanismen im Tisch unten als dissociative Wiederkombinationsreaktionen klassifiziert werden.

Es lohnt sich auch zu bemerken, dass die Verhältnisquoten für die Bildungsreaktionen im Tisch oben dasselbe für eine gegebene Reaktion bei beiden Temperaturen sind. Das ist wegen der Reaktionsrate-Konstanten für diese Reaktionen, die β und γ Konstanten 0 haben, k =α\\alpha$ hinauslaufend, der der Temperatur unabhängig ist.

Da alle drei dieser Reaktionen entweder HO erzeugen, oder Oh, diese Ergebnisse verstärken die starke Verbindung zwischen ihrem Verhältnisüberfluss und diesem von HO. Die Raten dieser sechs Reaktionen sind solch, dass sie etwa 99 % aus den chemischen Wechselwirkungen von HO unter diesen Bedingungen zusammensetzen.

Astronomische Entdeckungen

Schon in 1973 und vor der ersten interstellaren Entdeckung haben chemische Modelle des interstellaren Mediums (das erste entsprechend einer dichten Wolke) vorausgesagt, dass hydronium ein reichliches molekulares Ion war, und dass es eine wichtige Rolle in der mit dem Ion neutralen Chemie gespielt hat. Jedoch, bevor eine astronomische Suche laufend sein konnte, gab es noch die Sache, die spektroskopischen Eigenschaften von hydronium in der Gasphase zu bestimmen, die an diesem Punkt unbekannt waren. Die ersten Studien dieser Eigenschaften sind 1977 gekommen, dem von anderem, höheren Entschlossenheitsspektroskopie-Experimenten gefolgt wurde. Sobald mehrere Linien im Laboratorium identifiziert worden waren, wurde die erste interstellare Entdeckung von HO von zwei Gruppen fast gleichzeitig 1986 gemacht. Das erste, veröffentlichte im Juni 1986 hat die Beobachtung des J = 1 - 2 Übergang an 307192.41 MHz in OMC-1 und Sgr B2 berichtet. Das zweite, veröffentlichte im August hat die Beobachtung desselben Übergangs zum Orion-KL Nebelfleck berichtet.

Diesen ersten Entdeckungen ist von Beobachtungen mehrerer zusätzlicher HO Übergänge gefolgt worden. Die ersten Beobachtungen jeder nachfolgenden Übergang-Entdeckung werden unten in der zeitlichen Reihenfolge gegeben:

1991, die 3 - 2 Übergang an 364797.427 MHz wurde in OMC-1 und Sgr B2 beobachtet. Ein Jahr später, die 3 - 2 Übergang an 396272.412 MHz wurde in mehreren Gebieten beobachtet, am freisten, von denen der W3 IRS 5 Wolke war.

Die ersten weiten-IR 4 - 3 Übergang an 69.524 µm (4.3121 THz) wurde 1996 in der Nähe von der Orion MILLIARDE IRc2 gemacht. 2001 wurden drei zusätzliche Übergänge von HO darin in weitem infrarot in Sgr B2 beobachtet; 2 - 1 Übergang an 100.577 µm (2.98073 THz), 1 - 1 an 181.054 µm (1.65582 THz) und 2 - 1 an 100.869 µm (2.9721 THz).

Siehe auch

• Hydron (Wasserstoff cation)
• Hydride
• Wasserstoffanion
• Protonensympathie

Externe Verweise

• ChemSpider = 109935