하이드로늄

Hydronium
하이드로늄
3D diagram showing the pyramidal structure of the hydroxonium ion
Ball-and-stick model of the hydronium ion
3D electric potential surface of the hydroxonium cation
Van der Waals radius of Hydronium
이름
IUPAC 이름
옥소늄
기타 이름
하이드로늄 이온
식별자
3D 모델(JSmol)
체비
켐스파이더
141
  • InChI=1S/H2O/h1H2/p+1
    키: XLYOFNOQVPJNP-UHFFFAOYSA-O
  • [OH3+]
특성.
H3O+
몰 질량 19.02g/표준
산도(pKa) 0
켤레 기저 물.
달리 명시되지 않은 한 표준 상태(25°C[77°F], 100kPa)의 재료에 대한 데이터가 제공됩니다.

화학에서, 하이드로늄은 물의 양성자화에 의해 생성되는 옥소늄 이온의 일종인 수성 양이온3+ HO의 일반적인 이름입니다.용액의 아레니우스산 분자가 주변의 물 분자(HO2)에 양성자(양성 수소 이온, H+)를 내놓기 때문에 아레니우스산이 물에 용해될 때 존재하는 양이온으로 종종 보입니다.사실, 산은 이온화되기 위해 물 분자 하나 이상으로 둘러싸여 있어야 하며, 수성+ H와 켤레 염기를 생성한다.수성 양성자에 대한 세 가지 주요 구조가 실험적인 지지를 얻었다.사수화물인 고유3+ 양이온 HO(HO2),3 대칭 이수화물인 준델 양이온+ H(HO2)2 및 확장 준델 양이온인 스토야노프 양이온(Hoyan cation)은 잘 정의된 적외선 스펙트럼의+ 스펙트럼 분석 증거인 H(HO2)(2HO2)4[1][2]를 압도적으로 지지한다.이러한 이유로 가능하면 하이드로늄 [2]이온 대신 기호+ H(aq)를 사용해야 한다고 제안되어 왔다.

pH와의 관계

하이드로늄 또는+ H 이온의 농도는 다음과 같이 용액의 pH를 결정한다.

여기서 M = mol/L.수산화 이온 농도는 용액의 pOH를 유사하게 결정한다.순수한 물의 분자는 다음과 같은 평형 상태에서 수용성 양성자와 수산화 이온으로 자동 분해됩니다.

HO2 oh− OH(aq) + H+(aq)

순수한 물에는 수산화물과+ H이온이 같기 때문에 중성용액이다.25°C(77°F)에서 순수한 물은 pH가 7이고 pOH가 7입니다(이는 온도 변화에 따라 달라집니다: 물의 자가 이온화 참조).pH값이 7 미만이면 산성용액을,[7] pH값이 7 미만이면 염기성용액을 나타낸다.

명명법

IUPAC 유기화학 명명법에 따르면 하이드로늄 이온은 옥소늄으로 [8]언급되어야 한다.하이드록소늄은 그것을 식별하기 위해 모호하지 않게 사용될 수도 있다.

옥소늄 이온은 3가 산소 양이온을 가진 이온이다.예를 들어 양성자화된 수산기는 옥소늄 이온이지만 하이드로늄 [citation needed]이온은 아니다.

구조.

O와 N은 전자 수가 같기 때문에+ HO는3+ 암모니아와 등전자적입니다.위 그림에서 보듯이, HO는 산소3+ 원자가 정점에 있는 삼각추체 분자 형상을 가지고 있습니다.H-O-H 결합 각도는 약 113°[9]이며 질량 중심은 산소 원자에 매우 가깝습니다.피라미드의 기초는 세 개의 동일한 수소 원자로 이루어져 있기 때문에, HO3+ 분자의 대칭적인 꼭대기 구성은 C 점 그룹에3v 속합니다.이러한 대칭성과 쌍극자 모멘트를 가지고 있기 때문에 회전 선택 규칙은 δJ = ±1, δK = 0이다.전이 쌍극자는 c축을 따라 존재하며, 음전하가 산소 원자 근처에 위치하기 때문에 쌍극자 모멘트는 베이스 [citation needed]평면에 수직인 정점을 가리킵니다.

산과 산도

수화 양성자는 매우 산성이다. 25°C에서 pK는a 약 [10]0이다.pKaaq(HO3+)에 대해 일반적으로 주어지는 값은 0 또는 -1.74입니다.전자는 희석액(이 경우 물)의 용매 활성도가 1이라는 관례를 사용하는 반면, 후자는 순수액 55.5M의 물 농도 값을 사용하는데, 실버스타인은 후자의 값이 열역학적으로 지탱할 [11]수 없는 것으로 나타났다.이 불일치는 물에서 HO의3+ pK를a 정의하려면 HO가 용질과2 용매로서 동시에 작용해야 한다는 애매함에서 비롯됩니다.IUPAC는 이 애매함을 해소하는 pK의a 공식적인 정의를 내리지 않았습니다.Burgot은 HO(aq) + HO2(l) ho2 HO(aq) + HO(aq)는3+ 단순히 열역학적으로 명확한 과정이 아니라고 주장해왔다3+.pKaaq(HO3+)의 추정치를 위해 Burgot은 측정된 값 pKaEtOH(HO3+) = 0.3, 에탄올 내 HO의3+ pK를a 취하여 상관식aaq pKaEtOH = pK – 1.0(± 0.3)을 적용하여 에탄올a pK를 수성 값으로 변환하여 pKaaq (73+–HO)의 값을 얻을 것을 제안한다.한편, 실버스타인은 발린저와 롱의 실험 결과가 수성 [14]양성자에 대해 0.0의 pKa를 지지한다는 것을 보여주었다.Neils와 Schaertel은 0.0의 pKa에 대한 추가 인수를 제공한다.

수성 양성자는 물에 존재할 수 있는 가장 산성이 높은 종이다(용해하기에 충분한 물을 가정할 때). 더 강한 산은 이온화되어 수화 양성자를 생성한다.H(aq)의+ 산도는 물 속 산의 강도를 판단하는 데 사용되는 암묵적 표준이다. 강한 산이 H(aq)보다+ 더 나은 양성자 공여자여야 한다. 그렇지 않으면 산의 상당 부분이 비이온화 상태(즉, 약한 산)에서 존재할 것이기 때문이다.물의 자기해리로 인한 중성용액의 H(aq)와는 달리+ 산성용액의 H(aq)는 용해된+ [citation needed]산의 강도에 비례하여 오래 지속되고 농축된다.

pH는 원래 수용액의 [16]수소 이온 농도를 측정하는 것으로 생각되었다.거의 모든 자유 양성자는 빠르게 수화된다. 따라서 수용액의 산도는 H(aq)의+ 농도로 보다 정확하게 특징지어진다.산촉매 반응과 같은 유기합성에서 하이드로늄 이온(HO3+)은 H이온과+ 교환가능하게 사용되는데, H이온 중 하나를 선택하는 [citation needed]것은 반응 메커니즘에 큰 영향을 미치지 않는다.

용매이션

연구자들은 아직 물에 있는 하이드로늄 이온의 용매화를 완전히 특징짓지 못했는데, 부분적으로 용매화의 많은 다른 의미들이 존재하기 때문이다.응고점 강하 연구는 냉수 중의 평균 수화 이온이3+ 약 HO2(6[17]HO)라고 판정했다.평균적으로 각 하이드로늄 이온은 다른 용질 [citation needed]분자를 용해시킬 수 없는 6개의 물 분자에 의해 용해된다.

일부 수화 작용 구조물은 H3O+(H2O)20 마술 이온 번호 체계(수화 작용 구조물은 물 속 분자들의 비교와 관련된에 관련된 증가 안정성 때문에라고 불리는 마법 숫자는 용어 마법 숫자의 이 유사한 사용 원자 물리학의로 –) dodecahedral 안에 있는 옥소늄 있을 만큼 크다. cage.[18]그러나 최근 ab initio 방법 분자역학 시뮬레이션에서는 평균적으로 수화 양성자가 HO([19]HO2)20 클러스터의 표면에 존재하는3+ 것으로 나타났다.또한, 이러한 시뮬레이션의 몇 가지 상이한 특성은 실험 [citation needed]결과에 대한 대안적 해석을 제안하는 실험 특징과 일치한다.

준델 양이온

다른 두 가지 잘 알려진 구조는 준델 양이온과 아이겐 양이온이다.Igen 용매화 구조는 HO+49 복합체의 중심에 하이드로늄 이온을 가지고 있으며, 하이드로늄은 세 개의 인접한 물 [20]분자에 강하게 수소 결합되어 있다.준델5 HO+2 복합체에서 양성자는 대칭 수소 [21]결합에서 두 물 분자에 의해 동등하게 공유된다.최근의 연구는 이 두 복합체가 보다 일반적인 수소 결합 네트워크 [22]결함에서 이상적인 구조를 나타낸다는 것을 보여준다.

액상에서 하이드로늄 이온 모노머의 분리는 비수성 저구핵성 초산 용액(HFSbFSO−52)에서 달성되었다.이온은 고해상도 O 핵자기 [23]공명을 특징으로 했다.

액체 protonated water[24]에 방 온도에서 히드로늄 이온. 양이온과 양성자를하여 구조 분자 동력을 이용하여 공부 주변의 enthalpies고 다양한 수소 결합의 자유 에너지의 2007년 계산은 옥소늄 이온 주변의 hydrogen-bonds 3물 ligands와 첫번째 용해에서 형성된 보여 주었다. shel하이드로늄의 l)은 벌크수에 비해 상당히 [citation needed]강합니다.

Stoyanov는 양성자가 HO+6 이온으로13 존재하는 적외선 분광법에 기초하여 새로운 모델을 제안했다.따라서 양전하는 6개의 물 [25]분자에 걸쳐 비국재화된다.

고체 하이드로늄염

주요 기사:과염소산히드로늄

많은 강한 산의 경우 비교적 안정적인 하이드로늄 소금 결정을 형성할 수 있습니다.이 소금들은 때때로 산성 일수화물이라고 불린다.원칙적으로 이온화 정수가 109 이상인 산은 이를 할 수 있다.일반적으로 이온화 상수가 10 미만인9 산은 안정적인3+ HO염을 형성할 수 없다.예를 들어 질산은 이온화 상수가 10이고1.4 물과 모든 비율로 혼합된 것은 상온에서 액체이다.단, 과염소산은 이온화 상수가 10이며10, 액체 무수 과염소산과 물을 1:1 몰비로 조합하면 반응하여 고형 과염소산히드로늄(HO3+·ClO-4)[citation needed]이 된다.

하이드로늄 이온은 또한 카르보란 초산 H11(CBH3(5CH6)[26]Br)와 안정적인 화합물을 형성한다. X선 결정학은 각 양성자가 평균 320pm 간격으로 브롬 원자와 상호작용하는 하이드로늄 이온에 대한 C 대칭을 보여준다3v.[HO3][H(CBHCl1111)]염도 벤젠에 용해된다.벤젠 용액에서 성장한 결정에서 용매는 공결정화되어 음이온에서 HO·(3CH66) 양이온이3 완전히 분리된다.양이온에서 3개의 벤젠 분자는 수소 원자와 pi-cation 상호작용을 형성하는 하이드로늄을 둘러싸고 있다.염소에서의 음이온과 산소에서의 양이온의 가장 가까운(비결합) 접근은 348 pm이다.

HCl·2의 HO+2 이온과5 같이 알려진 하이드로늄 이온의 예도 많이 있습니다.HBr2·4에서 발견되는7 HO, HO+3 및9 HO+4 이온H2O.[27]

성간3+ HO

하이드로늄은 성간 매체에 풍부한 분자 이온으로 [30]혜성의 플라즈마 꼬리뿐만 아니라 확산되고 밀도가[29] 높은 분자 구름에서[28] 발견됩니다.하이드로늄 관측의 성간 출처에는 궁수자리 B2, 오리온 OMC-1, 오리온 BN 영역이 포함됩니다.IRC2, 오리온 KL, 헤일-밥 혜성.

성간 하이드로늄은 우주 [31]방사선에 의해 H가2 H+2로 이온화되면서 시작된 일련의 반응에 의해 형성된다.HO는3+ 해리성 재조합 반응을 통해 OH 또는2 HO 중 하나를− 생성할 수 있으며, 이는 밀도가 [32]높은 구름의 낮은 온도(10K 이상)에서도 매우 빠르게 발생합니다.이것은 하이드로늄이 성간 이온 중성 [citation needed]화학에서 매우 중요한 역할을 하도록 이끈다.

천문학자들은 다양한 성간 기후에서 물이 얼마나 풍부한지를 알아내는 데 특히 관심이 있는데, 이는 물이 [33]복사 과정을 통해 고밀도 분자 가스를 냉각시키는 데 중요한 역할을 하기 때문이다.그러나 HO는 지상2 [34]관측에 유리한 전환이 많지 않다.HDO(물의[35] 중수소화 버전)의 관측을 HO의 풍부성 추정에2 사용할 수 있지만, HDO2 대 HO의 비율은 [34]매우 정확하게 알려져 있지 않다.

반면, 하이드로늄은 여러 가지 변화가 있어 [34]다양한 상황에서 검출과 식별이 용이합니다.이 정보는 다양한3+ HO 해리성 재조합[32] 반응의 분기 비율에 대한 실험실 측정과 함께 사용되어 이들 [36][37]종을 직접 관찰하지 않고도 비교적 정확한− OH 및2 HO 풍부성을 제공한다.

성간 화학

앞서 언급한 바와 같이 HO는3+ 확산성 및 밀도 높은 분자 구름에서 모두 발견된다.HO를 포함한3+ 현재 이용 가능한 모든 특성 반응에 대응하는 반응 속도 상수(α, β, δ)를 적용함으로써 이들 반응 각각에 대해 k(T)를 계산할 수 있다.이들 k(T)에 제품의 상대적인 함량을 곱함으로써 소정의 온도에서 각 반응에 대한 상대속도(cm3/s)를 구할 수 있다.이러한 상대 비율은 절대 비율에 [H]2[38]를2 곱하여 만들 수 있습니다.고밀도 구름의 경우 T = 10 K, 확산 구름의 경우 T = 50 K를 가정하면, 그 결과는 대부분의 지배적인 형성 및 파괴 메커니즘이 두 경우에서 동일함을 나타낸다.이러한 계산에 사용된 상대적 풍부성은 밀도 높은 분자 구름인 TMC-1에 해당하므로 계산된 상대적 속도는 T = 10 K에서 더 정확할 것으로 예상된다.가장 빠른 3가지 형성 및 파괴 메커니즘과 그 상대 속도를 아래 표에 나타냅니다.이 6가지 반응의 속도는 이러한 [30]조건에서 하이드로늄 이온의 화학 상호작용의 약 99%를 구성한다는 점에 유의하십시오.아래 표의 세 가지 파괴 메커니즘은 모두 해리성 재조합 [citation needed]반응으로 분류된다.

성간 매질에서 HO의3+ 1차 반응 경로(특히, 조밀한 구름).
반응 유형 상대속도(cm3/s)
10K로 50K로
H2 + HO2+ → HO3+ + H 형성 2.97×10−22 2.97×10−22
HO2 + HCO+ → CO + HO3+ 형성 4.52×10−23 4.52×10−23
H+3 + HO2 → HO3+ + H2 형성 3.75×10−23 3.75×10−23
HO3+ + e− → OH + H + H 파괴 2.27×10−22 1.02×10−22
HO3+ + e− → HO2 + H 파괴 9.52×10−23 4.26×10−23
HO3+ + e− → OH + H2 파괴 5.31×10−23 2.37×10−23

또한 위의 표의 생성 반응의 상대 속도는 두 온도에서 주어진 반응에 대해 동일하다는 점도 주목할 필요가 있습니다.이는 β 상수와 β 상수가 0인 반응 속도 상수로 인해 [citation needed]온도와 무관한 k = α가 된다.

이 세 가지 반응 모두 HO 또는 OH를2 생성하므로, 이러한 결과는 상대적인 함량과 HO의3+ 함량 사이의 강한 연관성을 강화합니다.이 여섯 가지 반응의 속도는 이러한 [citation needed]조건 하에서 하이드로늄 이온의 화학 작용의 약 99%를 차지할 정도로 높습니다.

천문학적 검출

1973년 초, 그리고 첫 번째 성간 발견이 있기 전에, 성간 매체의 화학 모델은 하이드로늄이 풍부한 분자 이온이며 이온 중성 [39]화학에서 중요한 역할을 한다고 예측했습니다.하지만, 천문학적인 탐사가 진행되기 전에 기체 단계에서 하이드로늄의 분광학적 특징을 결정하는 문제가 여전히 존재했는데, 이 문제는 이 시점에서는 알려지지 않았다.이러한 특성에 대한 첫 번째 연구는 1977년에 [40]이루어졌으며, 그 후 다른 고해상도 분광기 실험이 이어졌다.실험실에서 여러 개의 선이 확인되자 1986년 [29][34]두 그룹에 의해 HO의3+ 첫 번째 성간 검출이 거의 동시에 이루어졌다.1986년 6월에 발표된 첫 번째 보고서는 OMC-1과 Sgr B2의 307192.41MHz에서 J = 1−
1 - 2+
1 전이가vt
K 관측되었다고 보고했다.8월에 출판된 두 번째 기사는 오리온-KL [citation needed]성운으로 향하는 동일한 전이를 관찰했다고 보고했다.

이러한 첫 번째 검출은 다수의 추가3+ HO 전환에 대한 관찰에 이어 이루어졌습니다.각 후속 전이 검출의 첫 번째 관찰 결과는 아래에 시간 순서대로 제시되어 있습니다.

1991년에는 OMC-1과 Sgr B2에서 [41]364797.427MHz에서 3 - 2−
2 전이가+
2 관찰되었다.1년 후, 396272.412MHz에서 3−
0 - 2의+
0 전이가 여러 지역에서 관측되었으며, 그 중 가장 선명한 것은 W3 IRS [37]5 구름이었다.

69.524µm(4.3121THz)의 최초의 원적외선−
3 4 - 3+
3 전이는 1996년 오리온 BN-IRC2 [42]근처에서 이루어졌다.2001년 Sgr B2의 원적외선에서는 HO in의3+ 세 가지 추가 전이가 관찰되었다. 즉−
1, 100+
1.577 µm(2.98073 THz), 181−
1.054 µm(1.65582 THz), 100−
0.869 µm(2.2197THz)[43]에서 2-1 전이가+
1+
0 관찰되었다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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