水合氢离子 编辑

水合氢离子水合氢离子

水合氢离子指的是氢离子被水分子吸引生成的物质,通常用H3O+表示。所以水的电离可以用以下方程式表示2H2O=H3O++OH-。水合氢离子是最简单的氧鎓(钅羊)(Oxonium)。氢原子在失去电子后,剩余由1个质子构成的核,即氢离子,氢离子是“裸露”的质子,半径很小,易被水分子吸引生成水合氢离子。

简介

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水合氢离子水合氢离子

水合氢离子水合氢离子

水(H2O)的中心元素是O,O的最外层有6个电子,其中有一对在2s轨道,四个电子在2p轨道(其中一对电子在2px轨道,剩下两个分别在2py和2pz),这里面2py、2pz的那两个电子分别与氢成键,剩下一对电子对空余。

水合氢离子是H3O+中,就是有一个H+与空余的2px轨道中的电子对成键所构成的(这里面氢核周围没有电子,氧把两个电子都给H,形成配位键),但不改变原来的sp3杂化。

实际上,水合氢离子在稀酸中进一步水合,以H9O4+(即H3O+·3H2O) 形式存在,即三个H2O的氧原子分别与H3O+中的三个氢形成氢键。

固态水合氢离子盐

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很多强酸都可能形成相对稳定的水合氢离子盐晶体。这些盐有时被称为酸的一水合物。通常,任何具有109或更高的电离常数的酸都可以形成水合氢离子盐。而电离常数小于109的酸一般不能形成稳定的H3O+盐。

例如,盐酸的电离常数为107,在室温下与水的混合物是液态的。而高氯酸的电离常数为1010,如果液体无水高氯酸和水以1:1的摩尔比结合,则反应形成固体一水合高氯酸,即高氯酸的水合氢离子盐:

H2O+HClO4=H3O+·ClO4-

也有很多的含有水合的H3O+的例子,例如HCl·2H2O中含有H5O2+(H3O+·H2O),HBr·4H2O中含有H7O3+(H3O+·2H2O)和H9O4+(H3O+·3H2O)

结构

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配位键形式配位键形式

水合质子的结构问题一直是分析界的一大难题,质子在水中的状态,并不是一般认为是H3O+的结构或者H5O2+的结构,X射线衍射结果表明,存在的氢键并不是传统意义上的O——H···O,而是O···H···O,后者拥有更短的O···O间距和更低的势垒,使得质子可以轻易的在两侧势井中移动,中间势垒低,加上质子具有类似于电子透射势垒的运动,使得质子被束缚在两个氧之间,但是却是非定域的。

球棍模型球棍模型

由于它是堆成结构,中间势垒低,在低振动态的情况下,分子就可以越过势垒,就会有很高的透射率。因此常温下存在这种结构是可能的。

由于O+和N原子具有相同的电子数,因此H3O+与NH3的电子数相等,从H3O+的球棍模型可以看出,其具有氧原子位于顶点的三角锥形分子构型,H-O-H的夹角大约为113o,同时质心非常靠近氧原子 。因为金字塔的底部是由三个相同的氢原子组成的,H3O+分子的对称顶部结构属于C3v点群。因为这个对称和它有偶极矩的事实,旋转选择规则是ΔJ=±1 和ΔK=0。过渡偶极子在c轴上,由于负电荷在氧原子附近,因此偶极矩指向顶点,垂直于基面。

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