H3O+

Définition

H3O+, ou écrit scientifiquement H₃O⁺, est l'ion hydronium, une forme solvatée que prend spontanément l'ion hydrogène, avec un proton H⁺ dans l'eau H₂O. Il est un ion hydrogène hydraté.

La mesure du potentiel Hydrogène pH est déterminé par la concentration en H₃O⁺, avec la formule de calcul : [H₃O⁺] = 10^-pH ou pH = -log[H₃O⁺].

Structure et équation de l'on hydronium H3O+ :

L'ion hydronium H₃O⁺ est aussi appelé : oxanium, oxonium, oxydanium, hydroxonium.

Explications

En chimie, l'ion hydronium correspond au cation H₃O⁺ (aqueux), bien que ce nom ne soit pas actuellement accepté par l'UICPA. La façon correcte de la nommer par la nomenclature de substitution serait l'oxanium, et par convention traditionnelle ce serait l'oxonium.

Selon la nomenclature ionique de l'UICPA, ce cation devrait être appelé oxonium ou oxydanium. Hydroxonium peut également être utilisé pour désigner sans ambiguïté ce cation. Une proposition préliminaire de l'UICPA est d'appeler "oxonium" et "oxydanium" pour désigner respectivement les composés dans les domaines organique et inorganique.

Acides et acidité

L'hydronium est le cation qui se forme dans l'eau en présence de cations hydrogène H⁺. Ces cations ne sont pas présentés librement; ils sont extrêmement réactifs et sont immédiatement solvatés par les molécules d'eau environnantes.

Généralement, tout composé qui est à l'origine de ces cations est appelé acide; cependant, comme l'eau peut se comporter comme un acide (et également comme une base, ce comportement est appelé amphotère), l'hydronium existe même dans l'eau pure ainsi que l'hydroxyle, bien que les deux en concentrations extrêmement faibles.

La concentration des ions hydronium dans l'eau pure est C_H⁺ = 10^-7 M.

Ces ions sont formés, dans l'eau pure sans autres espèces acides ou basiques, par la réaction de deux molécules d'eau, selon : 2 H₂O → H₃O⁺ + OH^-. La constante de cette réaction est K_w = 10^-14 (constante connue sous le nom de produit ionique de l'eau).

Les ions hydronium et hydroxyle résultant de cette réaction ont une demi-vie très courte, avec la concentration indiquée ci-dessus.

L'hydronium est très acide; à 25 °C, son pK_a = –1,7. C'est aussi l'espèce la plus acide qui puisse exister dans l'eau, en supposant une quantité suffisante de solvant pour donner la réaction.

L'acidité de l'hydronium est la norme implicite lors de la mesure de l'acidité d'autres espèces : un acide fort doit être un bien meilleur donneur d'hydronium que l'eau pure, sinon une grande proportion de l'acide existera en solution dans un état de non-ionisation, comme c'est le cas avec les acides dits faibles.

Par rapport aux hydroniums issus de l'auto-dissociation de l'eau, ceux issus d'acides forts ont une longue demi-vie et leur concentration est élevée, comparable à celle de l'acide qui les a formés.

Le pH d'une solution est la mesure de la concentration des protons; Comme les protons réagissent avec l'eau pour donner des ions hydronium, le pH peut être considéré comme la concentration de ces dernières espèces.

Solvation

La manière dont les molécules d'eau solvatent les protons (cations hydrogène) n'est pas encore complètement élucidée, en raison des différentes formes de solvatation qui existent.

Une étude de la solvatation à la température de congélation de l'eau a permis de déduire que l'hydratation moyenne dans l'eau froide s'élève à H₃O⁺ (H₂O)₆ : en moyenne, six molécules d'eau solvatent un proton et celles-ci sont incapables de au lieu de solvater simultanément une autre espèce.

Certaines structures de solvatation sont assez grandes : l'ion "magique" H₃O⁺ (de l'eau H2O) 20 (appelé "magique" en raison de sa plus grande stabilité contre d'autres structures avec un nombre comparable de molécules) enfermerait le proton dans un structure dodécaédrique.

En raison de la réactivité élevée du proton, cela ne l'empêche pas d'être associé à d'autres espèces au sein de cette structure.

Deux autres structures bien connues et étudiées sont les cations Zundel et Eigen. Dans Eigen, le proton est situé dans un complexe H₉O₄⁺ où il est étroitement lié à trois molécules voisines par liaison hydrogène.

Zundel propose une structure H₅O₂⁺, où le proton se lie avec une force égale à deux molécules d'eau. Des articles récents indiquent que ces structures sont des modèles idéaux et en réalité nous avons des cations de solvatation hybrides avec des caractéristiques de certains d'entre eux en même temps.

Sels d'hydronium solides

Pour de nombreux acides forts, il est possible de cristalliser leurs sels d'hydronium, ceux-ci étant relativement stables. Les sels sont parfois appelés monohydrates acides. Généralement, un acide avec une constante d'ionisation de 10⁹ ou plus est capable de former ces types de sels, tandis que les acides avec une constante inférieure ne peuvent pas le faire.

À titre d'exemple, l'acide chlorhydrique a un K_a = 10⁷, et ses mélanges avec de l'eau en toutes proportions sont toujours liquides à température ambiante.

Cependant, l'acide perchlorique a un K_a de 10¹⁰, et si nous mélangeons de l'acide perchlorique anhydre avec de l'eau dans un rapport molaire de 1 à 1, ses sels d'hydronium solides se formeront.

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