הידרוניום

הידרוניום (Hydronium) הוא השם המקובל לקטיון ⁺H₃O, הנוצר מפרוטונציה של מים. זהו הסוג הפשוט ביותר של יון אוקסוניום.

שם

לפי מונחון IUPAC יש לכנות את יון ההידרוניום בשם "אוקסוניום", או, כדי לזהותו באופן חד-משמעי, "הידרוקסוניום". יון אוקסוניום הוא כל יון בו קטיון חמצן תלת-ערכי. לדוגמה, קבוצת הידרוקסיד שעברה פרוטונציה (נוסף לה פרוטון) הינה יון אוקסוניום, אך אינה הידרוניום.

חומצות וחומציות

הידרוניום הוא היון שנוצר ממים בנוכחות יוני מימן. יוני מימן אלה אינה מתקיימים במצב חופשי; הם ריאקטיביים מאוד, ומסולבטים (מוקפים מולקולות ממס) על ידי המים. מקורם בדרך כלל בחומצה, אולם, מכיוון שמים יכולים להגיב כחומצה, יוני הידרוניום מתקיימים אפילו במים טהורים, וזאת עקב תגובה בין מולקולות המים עצמן:

$H_{2}O_{(l)}+H_{2}O_{(l)}\Leftrightarrow H_{3}O_{(aq)}^{+}+OH_{(aq)}^{-}$

יוני ההידרוניום הללו מעטים, וזמן חייהם קצר. במים טהורים, ריכוזם שווה לזה של יוני ההידרוקסיד - כ-‎1×10^-7 M‎. על כן לפי סולם ה-pH, למים טהורים pH 7.

ההידרוניום חומצי מאוד. ב-25°C, ערך ה-pK_a שלו הוא 1.7-. הוא גם הצורון החומצי ביותר המסוגל להתקיים במים (חומר חומצי יותר יגרום ליינון ופרוטונציה של מולקולת מים ליצירת הידרוניום). ככל שריכוז חומצה במים גדול יותר, כך גדל ריכוז יוני ההידרוניום, ולפי ריכוזם ניתן לקבוע את חומציות התמיסה, ואת חוזק החומצה.

סולבטציה

כעקרון, סולבטציה (solvation) של יון/מולקולה בנוזל היא בעצם היא תהליך שבו מספר מולקולות של הממס משנות את סידורן כך שהן יגעו במומס עצמו. המולקולות הראשונות שמקיפות את המומס נקראות השכבה הראשונה, המולקולות שמקיפות אותן נקראות השכבה השנייה, וכן הלאה. ישנם מומסים אשר גורמים לכך שמספר שכבות של ממס מסתדרות סביבן ואילו מומסים אחרים יכולים להשפיע רק על שכבה אחת. תאור יון ההידרונום עצמו עדיין תחת דיון בקהילה המדעית, אך כעקרון ישנן 2 צורות עקריות שלו אשר יש שווי משקל ביניהן, הנוטה לכוון הצורון הראשון:

• ) זונדל: H₃O⁺ Zundel
• ) אייגן: H₅O₂⁺ Eigen

למרות חשיבותו הרבה בראקציות כימיות וביולוגיות והעובדה שמים הם אולי הממס הכי נפוץ בכדור הארץ, תאור שכבות הסולבציה של יון ההידרוניום לוקה בחסר. בשנת 2007, צמד החוקרים עומר מרקוביץ ונועם אגמון פירסמו עבודה בנוגע לשכבות הסולבציה של יון ההידרוניום^{לינק לתקציר}. הם הצליחו להראות, על ידי סימולציות מחשב, שחוזק קשרי המימן בין ההידרונים לשכבת הסולבטציה הראשונה שלו הוא כ-4.4 קק"ל, לעומת כ-1.9 קק"ל של קשר מימן במים רגילים בטמפרטורת החדר (זהו ערך מעט נמוך מהערך הנסיוני של כ-2.6 קק"ל, ההבדל של 0.7 קק"ל נובע מההבדלים בין הסימולציה למציאות, כמקובל בסימולציות מחשב). אחד הדברים העיקריים הנובעים מכך שקשר מימני בשכבה הראשונה של יון ההדירוניום חזק יותר מפי 2 מהרגיל הוא שכעת כבר לא ניתן לדבר רק על יון ההידרוניום, אלא יש לדבר על הקומפלקס הגדול יותר של H₉O₄⁺.