В химии гидрон , неформально называемый протоном , [2] является катионной формой атомарного водорода , представленной символом H.+
. Общий термин «гидрон», одобренный ИЮПАК , охватывает катионы водорода независимо от изотопа: таким образом, он относится к протонам ( 1 H + ) для изотопа протия, дейтронам ( 2 H + или D + ) для изотопа дейтерия и тритонам ( 3 H + или T + ) для изотопа трития .
В отличие от большинства других ионов, гидрон состоит только из голого атомного ядра . Отрицательно заряженный аналог гидрона — гидрид- анион, H−
.
При прочих равных условиях соединения, которые легко отдают гидроны (кислоты Бренстеда, см. ниже), обычно являются полярными, гидрофильными растворенными веществами и часто растворимы в растворителях с высокой относительной статической проницаемостью (диэлектрической постоянной). Примерами являются органические кислоты, такие как уксусная кислота (CH 3 COOH) или метансульфоновая кислота (CH 3 SO 3 H). Однако большие неполярные части молекулы могут ослаблять эти свойства. Таким образом, в результате своей алкильной цепи октановая кислота (C 7 H 15 COOH) значительно менее гидрофильна по сравнению с уксусной кислотой.
Несольватированный гидрон (полностью свободное или «голое» ядро атома водорода) не существует в конденсированной (жидкой или твердой) фазе. Поскольку поверхностная напряженность электрического поля обратно пропорциональна радиусу, крошечное ядро взаимодействует с близлежащими электронами в тысячи раз сильнее, чем любой частично ионизированный атом.
Хотя иногда говорят, что суперкислоты обязаны своей необычайной способностью отдавать гидроны присутствию «свободных гидронов», такое утверждение вводит в заблуждение: даже для такого источника «свободных гидронов», как H
2Ф+
, один из суперкислотных катионов, присутствующих в суперкислотной фторсурьмяной кислоте (HF:SbF 5 ), отщепление свободного H+
все еще наступает огромный энергетический штраф порядка нескольких сотен ккал/моль. Это фактически исключает возможность присутствия свободного гидрона в растворе. По этой причине в жидких сильных кислотах гидроны, как полагают, диффундируют путем последовательного переноса от одной молекулы к другой по сети водородных связей через то, что известно как механизм Гротгуса . [3]
Ион гидрона может включать в молекулу электронную пару из основания Льюиса путем присоединения:
Из-за этого захвата основания Льюиса (L) ион гидрона имеет кислотный характер Льюиса. В терминах теории жесткого/мягкого кислотного основания (HSAB) голый гидрон является бесконечно жесткой кислотой Льюиса.
Гидрон играет центральную роль в теории кислотно-основных отношений Бренстеда-Лоури : вид, который ведет себя как донор гидрона в реакции, известен как кислота Бренстеда, в то время как вид, принимающий гидрон, известен как основание Бренстеда. В общей кислотно-основной реакции, показанной ниже, HA является кислотой, а B (показано с неподеленной парой) является основанием:
Гидратированная форма катиона водорода, ион гидроксония (гидроксония) H
3О+
(aq) , является ключевым объектом определения кислоты Аррениусом . Другие гидратированные формы, катион Цунделя H
5О+
2, который образован из протона и двух молекул воды, а также собственного катиона H
9О+
4, который образован из иона гидроксония и трех молекул воды, теоретически играет важную роль в диффузии протонов через водный раствор в соответствии с механизмом Гротгуса. Хотя ион H
3О+
(aq) часто указывается во вводных учебниках, чтобы подчеркнуть, что гидрон никогда не присутствует в виде несольватированной формы в водном растворе, это несколько вводит в заблуждение, поскольку упрощает печально известную сложную структуру сольватированного протона в воде; обозначение H+
(aq) часто является предпочтительным, поскольку он передает водную сольватацию, оставаясь неопределенным относительно числа вовлеченных молекул воды.
Другие изотопы водорода слишком нестабильны, чтобы иметь значение в химии.
Термин «гидрон» рекомендуется ИЮПАК использовать вместо «протона», если не делается различий между изотопами протон, дейтрон и тритон, которые встречаются в природных изотопных смесях. Название «протон» относится к изотопически чистому 1 H + . [4] С другой стороны, называть гидрон просто ионом водорода не рекомендуется, поскольку существуют также анионы водорода . [5]
Термин «гидрон» был определен ИЮПАК в 1988 году. [6] [7]
Традиционно термин «протон» был [2] и [ требуется ссылка ] используется вместо «гидрона». Последний термин обычно используется только в контексте, где важны сравнения между различными изотопами водорода (как в кинетическом изотопном эффекте или маркировке изотопов водорода ). В противном случае, ссылка на гидроны как на протоны все еще считается приемлемой, например, в таких терминах, как протонирование , депротонирование , протонный насос или протонный канал . Передача H+
в кислотно-щелочной реакции обычно называют переносом протона . Кислоты и основания называют донорами и акцепторами протона соответственно.
99,9844% природных гидронов (ядер водорода) являются протонами, а оставшаяся часть (около 156 на миллион в морской воде) — дейтроны (см. дейтерий ), за исключением некоторых очень редких природных тритонов (см. тритий ).
Слово
протон
используется не только для иона
1
H
+,
но и обычно, и неправильно, для H
+
в естественном изобилии. Во многих контекстах это не создает двусмысленности, и вполне вероятно, что такое использование будет продолжаться.