O que é hidrônio

Hidrônio

































Hidrônio
Nome IUPAC oxônio
Outros nomes íon hidrônio ou hidroxônio
Propriedades
Fórmula molecular H3O+
Massa molar 19,02 g mol-1
Acidez (pKa) −1,7
Excepto onde denotado, os dados referem-se a
materiais sob condições PTN
Referências e avisos gerais sobre esta caixa


Hidrônio (português brasileiro) ou hidrónio (português europeu) é o nome usual para o cátion H+ em estado de solvatação aquosa. Trata-se de forma pela qual o cátion H+ (isoladamente um próton), oriundo da fraca ionização da água, estabelece-se em torno de uma molécula de água ainda não ionizada. Considera-se ser a forma mais simples dum íon oxônio e se representa simplesmente por H3O+.



Nomenclatura


Conforme a nomenclatura IUPAC, o íon hidrônio deve chamar-se oxônio. Sempre que não houver possibilidade de confusão, hidrônio pode ser usado para identificá-lo. Um projeto de norma IUPAC também recomenda o uso de oxônio e oxidano, nos contextos específicos de química orgânica e inorgânica, respectivamente.


Um íon oxônio é qualquer íon que envolve um cátion oxigênio trivalente. Por exemplo, um grupo hidroxila protonado é um íon oxônio, mas não um hidrônio.



Ácidos e acidez


Hidrônio é o cátion formado a partir da molécula de água na presença de cátions hidrogênio (H+). Esses hidrônios não existem em estado livre, como formas livres, senão como espécies químicas solvatadas e são, em si, extremamente reativos. Um ácido ([[Ácido de Brønsted|doador protônico) é geralmente a fonte desses hidrônios. Contudo, água exibe caráter anfótero (comportar-se quer como levemente ácida ou levemente alcalina), assim hidrônios existem mesmo em água pura, quimicamente pura, isenta de impureza. Esse caso singular de água a reagir com água com produção de íons hidrônio (cátions, H+) e, correspondentemente — e na mesma medida — íons hidroxila (ânions OH), conhece-se como auto-ionização da água. Os íons hidrônio resultantes são relativamente poucos e exibem vida curta como espécies químicas com feição sui generis; assim também os correspondentes íons hidroxila, em pares conjugados daqueles: com efeito, por estarem em equilíbrio dinâmico com a água molecular, a esta retornam, por recombinação, e vice-versa, segundo a equação:


2 H2O H3O+(aq) + OH(aq)

De vida curta, a concentração efetiva de hidrônios é a base para a determinação do pH das soluções aquosas. De fato, quanto maior for a sua concentração, em desfavor da concentração de íons hidroxila, mais ácida é a solução (menor é o pH: pH < 7); inversamente, quanto menor for a concentração dos íons hidrônio, em favor da concentração de íons hidroxila, mais alcalina (básica) é a solução (maior é o pH: pH > 7).


Hidrônio é muito ácido: a 25 °C, seu pKa é -1,7. É também, das espécies químicas conhecidas, a mais ácida que pode existir em meio aquoso (supondo-se haver quantidade suficiente de água para dissolução): de fato, qualquer ácido forte ionizar-se-á e — no modelo Brønsted-Lowry — doará prótons tais que venham a protonar moléculas de água, formando íons hidrônio, e isso vem a ser a solvatação protônica. A acidez do hidrônio é o padrão implícito para se aferir a “força ácida” de um ácido em solução aquosa: ácidos fortes precisam ser melhores doadores de prótons que o íon hidrônio, doutra sorte uma quantidade expressiva de ácido iria permanecer em estado não ionizado, e isso o desqualificaria como ácido. Diferentemente, pois, dos íons hidrônio resultantes da auto-ionização em equilíbrio dinâmico da água pura, os íons hidrônio que surgem da dissolução dum ácido em meio aquoso são, dinamicamente, apreciavelmente mais duráveis, persistentes, bem como mais concentrados — isso na exata medida da “força ácida” do ácido que venha estar em solução aquosa. Por exemplo, soluções aquosas de ácido perclórico exibem mais “força ácida específica” (acidez por unidade de concentração) que as de mesma concentração com ácido sulfúrico, e estas ainda mais que as correspondentes com ácido clorídrico.


O pH de uma solução é usualmente referido como “a medida da concentração hidrogeniônica da solução”. Entretanto — visto que os íons hidrogênio, em solução aquosa, entram em solvatação protônica, da qual resultam íons hidrônio — então, efetivamente, o pH vem a ser “a medida da concentração hidroniônica da solução”, o que, em grandeza numérica, mantem os valores, visto como há uma correspondência biunívoca entre íons hidrogênio (imediatamente antes da solvatação) e íons hidrônio (imediatamente após a solvatação): a cada íon hidrogênio ainda não solvatado corresponde um íon hidrônio e vice-versa. A questão de se referir a função pH à concentração hidroniônica vem a ser um rigor de maior consistência química, pelo fato de reportar à natureza da composição da espécie química que se está a medir.



Solvatação


Cientistas já tem por caracterizada plenamente a solvatação do íon hidrônio em água, em parte pelo fato de existirem muitos significados de solvatação. De fato, um estudo do fenômeno decréscimo no ponto de congelamento (um dos efeitos coligativos ou, conforme mais frequente, uma das propriedades coligativas) permitiu definir que a hidratação média do íon hidrônio em água assume aproximadamente a configuração H3O+(H2O)6 [1]: em média, efetivamente, cada íon hidrônio é solvatado por seis moléculas de água, que, dessa forma, tornam-se inaptas à solvatação de outra qualquer espécie química eventualmente presente (ou a posteriormente adicionada) como soluto. Tal número constitui-se, pois, numa espécie de reserva de solvatação especificamente dedicada ao íon hidrônio.


Algumas estruturas são bem maiores: a configuração H3O+(H2O)20 (dita mágica devido à sua elevada estabilidade, ao ser comparada com outras com números também elevados de moléculas de água) permite definir que o íon hidrônio encaixa-se em núcleo dodecaédrico [2].


Contudo, simulações mais recentes sobre dinâmica molecular, baseadas nos princípios quânticos elementares, tem mostrado que, em média, o próton hidratado reside na superfície do domínio H3O+(H2O)20 [3], confirmado por várias outras investigações experimentais.



Duas outras estruturas bem conhecidas são os cátions Zundel e os cátions Eigen. Uma estrutura de solvatação proposta para o cátion Eigen apresenta o íon hidrônio localizado no centro de um complexo iônico H9O4+, na qual o hidrônio é fortemente hidrogênio-ligado a três moléculas de água vizinhas [4].


Na estrutura de solvatação Zundel H5O2+, o complexo iônico é tal que o próton acha-se compartilhado por duas moléculas de água próximas [5]. Trabalhos recentes indicam que ambos esses complexos iônicos representam estruturas ideais num defeito de rede de ligações de hidrogênio [6].


Achou-se um íon hidrônio monômero em fase líquida numa solução não-aquosa superácida fracamente nucleofílica (HFSbF5SO2), com ressonância magnética nuclear Oxigênio-17 de alta resolução. [7].


Em 2007, Markovitch & Agmon calcularam, pela primeira vez, as entalpias e as energias livres das várias ligações de hidrogênio no entorno de um cátion hidrônio em água líquida protonada [8] em temperatura ambiente, bem como propuseram a implementação para um mecanismo de captura protônica. Usando dinâmica molecular, eles se tornaram capazes de provar que as ligações de hidrogênio no entorno dum íon hidrônio (formado por três ligantes de água no primeiro núcleo de solvatação do hidrônio) são bastante fortes comparadas às da água em si.



Sais sólidos de hidrônio


Para muitos ácidos fortes, é possível formar cristais dos correspondentes sais de hidrônio relativamente estáveis. Algumas vezes, esses sais se chamam ácidos monohidratos. Como regra, qualquer ácido cuja constante de ionização seja da ordem de 109 ou superior pode realizá-lo. Doutro lado, ácidos cuja contante de ionização seja inferior à 109 geralmente não conseguem formar sais hidrônicos (H3O+) estáveis. Por exemplo, ácido clorídrico (HCl) tem constante de ionização da ordem de 107, e suas misturas (soluções) com água em qualquer medida (razão) são líquidas em temperatura ambiente. Contudo, ácido perclórico (HClO4) apresenta constante de ionização da ordem de 1010 e, assim, se ácido perclórico anidro líquido é misturado com água em razão de 1:1, forma-se um perclorato de hidrônio sólido.


O íon hidrônio também forma compostos estáveis com o superácido carborano [ H(CB11H(CH3)5Br6) ]. Cristalografia de Raios-X mostra uma simetria C3v para o íon hidrônio, cada próton interagindo com um átomo de bromo de três ânions carborano, 320 pm distantes em média. O sal [ H3O ][ H(CB11HCl11) ] é também solúvel em benzeno. No crescimento dos cristais a partir de uma solução benzênica, o solvente (benzeno) co-cristaliza-se e um cátion H3O.(benzeno)3 separa-se completamente do correspondente ânion. No cátion, três moléculas de benzeno envolvem o hidrônio, formando interações picatiônicas com os átomos de hidrogênio. A menor distância (não-ligante) do ânion baseado em cloro para o cátion baseado em oxigênio é 348 pm.

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