Idronio

Ione idronio
	Struttura dello ione ossonio (senza la coppia di non legame)
	Modello tridimensionale dello ione ossonioDistribuzione della carica all'interno del catione
Nome IUPAC
	Ossonio
Caratteristiche generali
Formula bruta o molecolare	H3O⁺
Massa molecolare (u)	19.02 g/mol
Numero CAS	13968-08-6
PubChem	123332 e 44144404
SMILES	[OH3+]
Indicazioni di sicurezza
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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.

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

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:

{\ce {HSO4^- + H2O <=> SO4^2- + H3O+}}

{\ce {HCO3- + H2O <=> CO3^2- + H3O+}}

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:

{\ce {HCl + H2O -> Cl- + H3O+}}

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:

{\ce {CH3COOH + H2O <=> CH3COO- + H3O+}}

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 K_W = [H₃O⁺] [OH^-] che è pari a 1,0×10⁻¹⁴ M² in condizioni standard.

Note

^ secondo le raccomandazioni delle Divisioni di Chimica Inorganica, di Chimica Organica e di Nomenclatura della IUPAC
^ (EN) IUPAC Gold Book, "oxonium ions"
^ 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