یون هیدرونیوم چیست؟ – به زبان ساده + فرمول

یون هیدرونیوم چیست ؟

نماد یون هیدرونیوم

برهم‌کنش بین $$H^+$$ و $$H_2O$$ به قدری زیاد است که شاید نوشتن $$(H^+)$$ به عنوان فرمول یون هیدرونیوم نادرست به نظر برسد. نوشتن یون هیدرونیوم در معادلات شیمیایی به صورت $$(H^+)$$ زمانی جایز است که به‌یاد داشته باشیم در محلول‌های آبی نه با یون هیدروژن، که با یون هیدرونیوم سر و کار داریم.

به دو دلیل فرمول $$H_3O^+$$ شکل مناسب‌تری برای یون هیدرونیوم است:

1. نشان‌دهنده مولکول است.
2. نشان‌دهنده اسید مزدوجِ آب است.

هیدرونیوم چگونه تشکیل می‌شود؟

یون هیدرونیوم می‌تواند از راه‌های گوناگونی تشکیل شود. «خودیونش آب» (Self-ionization of Water) و واکنش آب و اسید از راه‌های رایج تشکیل این یون هستند.

خودیونش آب

$$H_2O(l)+H_2O(l)⇌OH^−(aq)+H_3O^+$$

واکنش آب و اسید

علاوه بر خودیونش آب، هیدرونیوم در واکنش‌های اسید با آب هم به‌وجود می‌آید. برای مثال وقتی هیدروکلریک اسید با آب واکنش می‌دهد، با تفکیک اسید و پیوند یون‌های هیدروژن با آب، یون هیدرونیوم تشکیل می‌شود.

$$HCl(aq)+H_2O(aq)→H_3O^+(aq)+Cl^−(aq)$$

چرا یون هیدروژن آزاد در آب وجود ندارد؟

یون هیدروژن در محلول‌های آبی تنها یک پروتون با یک هسته با بار مثبت و بدون الکترون است. پروتون در این حالت صد میلیونیوم ($$10^{{-8}}$$) از حجم کل اتم هیدروژن را شامل می‌شود و مانند سنگ ریزی در وسط ورزشگاه فوتبال است.

«چگالی بار الکتریکی» (Charge Density) زیاد پروتون باعث می‌شود به هر اتم یا مولکول با بار منفی، به‌شدت جذب شود. در مولکول آب، وجود جفت‌الکترون‌های ناپیوندی باعث جذب پروتون می‌شود و با تشکیل پیوند داتیو بین آن‌ها یون هیدرونیوم شکل می‌گیرد. به عبارت دیگر، آب در این واکنش نقش یک باز را ایفا می‌کند و یون هیدرونیوم اسید مزدوج آن است.

نتایج به‌دست آمده از آزمایش‌ها نشان می‌دهند که در حقیقت، پروتون به مولکول آب متصل نمی‌شود و به دلیل اندازه و جرم منحصربه‌فردی که دارد در هر ثانیه بار‌ها روی مولکول‌های مختلف آب جابه‌جا می‌شود. هر جابه‌جایی باعث ایجاد یون هیدرونیوم خواهد شد.

ساختار لوویس یون هیدرونیوم

مراحل رسم ساختار لوویس هیدرونیوم

مراحل رسم ساختار لوویس یون هیدرونیوم به ترتیب زیر است.

۱. محاسبه الکترون‌های ظرفیت کل

نخست باید تعداد کل الکترون‌های لایه ظرفیت هیدروژن و اکسیژن محاسبه شود.

• هیدروژن عنصر گروه ۱ یا IA جدول تناوبی است و تنها یک الکترون در آخرین لایه ظرفیت خود دارد.
• اکسیژن عنصر گروه ۱۶ یا VIA است و در آخرین لایه ظرفیت خود ۶ الکترون دارد.

با این حساب، تعداد کل الکترون‌های ظرفیت برابر با ۹ است ولی به دلیل وجود یک بار مثبت در یون هیدرونیوم، از تعداد کل الکترون‌ها یک عدد کم می‌شود. الکترون‌های ظرفیتی هر عنصر عبارتند از:

 $$1\times3=3$$ = الکترون‌های ظرفیت هیدروژن
$$6\times1=6$$ = الکترون‌های ظرفیت اکسیژن
$$6+3-1=8$$ = الکترون‌های ظرفیت کل

نکته: علامت مثبت روی ساختار یون، نشان‌دهنده از دست دادن الکترون $$(e)$$ و علامت منفی نشان‌دهنده گرفتن الکترون است.

۲. محاسبه مجموع جفت‌الکترون‌های پیوندی

جفت‌الکترون‌های پیوندی (A) از رابطه زیر به‌دست می‌آید:

$$A=\sigma+\pi+N$$

• $$\sigma$$ = تعداد پیوندهای $$\sigma$$
• $$\pi$$ =  تعداد پیوندهای $$\pi$$
• N = تعدادجفت‌الکترون غیرپیوندی

که برای یون هیدرونیوم $$(\sigma=3,\pi=0,N=1)$$ به دست میاد:

$$A=3+0+1$$

همچنین با تقسیم الکترون‌های ظرفیتی کل به ۲، تعداد جفت‌الکترون‌های پیوندی مشخص می‌شوند. الکترون‌های ظرفیتی کل در یون هیدرونیوم برابر با ۸ است که جفت‌الکترون‌های پیوندی آن برابر ۴ می‌شود.

۳. تعیین اتم مرکزی

معمولاً اتمی که تعداد پیوند بیشتری تشکیل دهد را به عنوان اتم مرکزی در نظر می‌گیرند که در یون هیدرونیوم، اکسیژن اتم مرکزی است.

پس از رسم فرمول ساختاری ترکیب با پیوندهای یگانه، باید بررسی شود که اتم‌ها از قاعده هشتایی پیروی کنند. در پایان، نوع بار اتم‌ها مشخص می‌شوند که در اینجا اکسیژن، یک بار مثبت دارد.

• نکته ۱: معمولاً الکترون‌های باقی‌مانده را با علامت‌گذاری از اتم‌های بیرونی آغاز می‌کنند. در هیدرونیوم چون اتم‌های بیرونی، هیدروژن هستند و بیش از دو الکترون نمی‌توانند دریافت کنند، الکترون‌های باقی‌مانده روی اکسیژن قرار خواهند گرفت.
• نکته ۲: الکترون‌های ناپیوندی روی اتم‌ها با با دو نقطه نشان داده می‌شوند. در نهایت پیرامون هر اتم هشت الکترون (پیوندی و ناپیوندی) باید وجود داشته باشد.
• نکته ۳: وقتی اتم‌های یکسانی به اتم مرکزی پیوند دارند، رسم پیوند دوگانه بر پیوند سه‌گانه، برتری دارد.

آیا هیدرونیوم یک اسید است؟

رابطه بین pH و غلظت یون هیدرونیوم

محاسبه $$pH$$ از راه‌های گوناگونی انجام می‌شود. یکی از راه‌های به‌دست آوردن $$pH$$ محلول، محاسبه نسبت یون‌های هیدرونیوم و هیدروکسید است.

فیلم آموزش الکتروشیمی‌ تجزیه‌ای ۱ در فرادرس

کلیک کنید

همچنین با استفاده از غلظت یون هیدروژن می‌توانیم $$pH$$ محلولی را به‌دست آوریم.

محاسبه pH

به طور معمول برای محاسبه پی‌اچ از رابطه زیر استفاده می‌شود.

$$pH = -log[H^+]$$

با استفاده از $$pH$$ به میزان اسیدی یا بازی بودن محلول‌های آبی پی می‌برند. مقادیر $$pH$$ از ۰ تا ۱۴ متغیر است و $$pH$$ آب خالص ۷ گرفته می‌شود. بالا یا پایین رفتن میزان $$pH$$ به غلظت $$H^+$$ بستگی دارد. با افزایش غلظت هیدرونیوم مقدار $$pH$$ کاهش پیدا می‌کند و محلول به سمت اسیدی شدن می‌رود.

$$H_2O(l)+H_2O(l)⇌OH^−(aq)+H_3O^+$$

ثابت تعادل واکنش خودیونش آب در زیر آورده شده که در آن $$\alpha$$ نشان دهنده اکتیویته است.

$$K_{{eq}}=\frac{\alpha_{{H_3O^+}}.\alpha_{{OH^-}}}{\alpha^2_{{H_2O}}}$$

به‌طور کلی اکتیویته آب برابر با یک در نظر گرفته می‌شود:

$$(\alpha^2_{{H_2O}})=1$$

$$K_{{eq}}\approx\alpha_{{H_3O^+}}.\alpha_{{OH^-}}$$

اکتیویته یون‌ها در محلول‌های آبیِ رقیق با غلظتشان برابر است. پس ثابت یونش، ثابت تفکیک یا ثابت خودیونش آب $$(K_W)$$ برابر است با:

$$K_W=[{{H_3O^+}}][{{OH^-}}]$$

در این رابطه، $$[{{H_3O^+}}]$$ غلظت یون هیدرونیوم بر حسب مولار و $$[{{OH^-}}]$$ غلظت هیدروکسید است. در دمای ۲۵ درجه سلسیوس و قدرت یونی صفر، $$K_W$$ برابر با $$1.0\times10^{{-14}}$$ است.

همچنین می‌توان $$pK_W$$ را چنین تعریف کرد:

$$pK_W= -log_{{10}}K_W$$

که خواهیم داشت:

$$pK_W=pH+pOH$$

فرمول محاسبه غلظت یون هیدرونیوم چیست؟

با داشتن مقدار $$pH$$ می‌توانیم مقدار غلظت یون هیدرونیوم را با استفاده از فرمول زیر محاسبه کنیم.

$$[H_3O^+]=10^{−pH}$$

ساختار هیدرونیوم چگونه است؟

یون هیدرونیوم سه ساختار پیشنهادی دارد که در فهرست زیر آورده شده‌اند.

1. «کاتیون استویانوف» (Stoyanov Cation)
2. «کاتیون ایگن» (Eigen Cation)
3. «کاتیون زوندل» (Zundel Cation)

شکل فضایی یون هیدرونیوم

چگونگی قرارگیری اتم‌ها در فضای سه‌بعدی هیدرونیوم به صورت «سه‌ضلعی هرمی» (Trigonal Pyramidal) است. در این ساختار هیدرونیوم سه اتم هیدروژن و یک اتم اکسیژن دارد.

جفت‌الکترونی که روی عنصر اکسیژن قرار می‌گیرد، چنین هندسه مولکولی را ایجاد می‌کند. بین اتم‌ها، زاویه پیوندی برابر با ۱۱۳ درجه است.

هیدرونیوم چه کاربردی دارد؟

یون چیست؟

به بیان ساده‌تر، یون‌ها ذرات بارداری هستند که می‌توانند بار مثبت یا منفی داشته باشند. یون‌هایی که بار مثبت دارند کاتیون و یون‌های که بار منفی دارند آنیون نامیده می‌شوند.

• کاتیون: وقتی تعداد الکترون $$>$$ پروتون است، کاتیون بار مثبت دارد.
• خنثی: وقتی تعداد الکترون برابر پروتون است.
• آنیون: وقتی تعداد الکترون $$<$$ پروتون است. آنیون بار منفی دارد.

در ساختار هیدروژن تنها یک الکترون و یک پروتون وجود دارد. گاهی اوقات هنگامی که پیوند هیدروژن با مولکول شکسته می‌شود، الکترونِ هیدروژن همراه مولکول می‌ماند. هیدروژن با از دست دادن الکترون، تبدیل به یونی می‌شود که تنها یک پروتون دارد که آن را به صورت $$(H^+)$$ نمایش می‌دهند.

مولکول آب را می‌توان به شکل $$H-O-H$$ نوشت. با جدا شدن یک هیدروژن از $$H-O-H$$ یا حضور یک اسید در آب، یون هیدروژن $$(H^+)$$ تولید می‌شود. در محلول‌های آبی، $$H^+$$ به سمت قطب‌های منفی مولکول آب جذب می‌شود و موجب تشکیل $$H_3O^+$$ می‌شود.

سوالات متداول درباره هیدرونیوم

تا اینجا فهمیدیم که هیدرونیوم چیست.در ادامه، به برخی از سؤال‌های مهم در رابطه با این یون می‌پردازیم.

تفاوت بین یون هیدروژن و هیدرونیوم چیست؟

یون هیدرونیوم و هیدروکسید چه تفاوتی دارند؟

هیدروکسید و یون هیدرونیوم به ترتیب یون‌های کاتیون و آنیون تشکیل‌دهنده آب هستند.

• یون هیدرونیوم همان $$H_3O^+$$ است که به صورت $$H^+$$ نیز آن را نمایش می‌دهند.
• یون هیدروکسید با فرمول $$OH^-$$ نشان داده می‌شود.

هیدرونیوم کجا پیدا می‌شود؟

هیدرونیوم چند الکترون دارد؟

هیدرونیوم ۸ الکترون دارد.