Ион водорода создается, когда атом водорода теряет электрон . Положительно заряженный ион водорода (или протон ) может легко соединяться с другими частицами и поэтому виден изолированно только тогда, когда он находится в газообразном состоянии или в пространстве, почти свободном от частиц. [1] Из-за своей чрезвычайно высокой плотности заряда , примерно в 2×10 10 раз превышающей плотность заряда иона натрия, голый ион водорода не может свободно существовать в растворе, поскольку он легко гидратируется, т. е. быстро связывается. [2] Ион водорода рекомендован ИЮПАК в качестве общего термина для всех ионов водорода и его изотопов . [3] В зависимости от заряда иона можно выделить два разных класса: положительно заряженные ионы и отрицательно заряженные ионы .
Атом водорода состоит из ядра с зарядом +1 и одного электрона. Поэтому единственный возможный положительно заряженный ион имеет заряд +1. Он обозначается как H + .
В зависимости от изотопа катион водорода имеет разные названия:
Кроме того, ионы, образующиеся при реакции этих катионов с водой, а также их гидраты называются ионами водорода:
Катионы Цунделя и катионы Эйгена играют важную роль в диффузии протонов согласно механизму Гротгуса .
В связи с кислотами под «ионами водорода» обычно подразумеваются гидроны.
На изображении слева атом водорода (в центре) содержит один протон и один электрон. Удаление электрона дает катион (слева), тогда как добавление электрона дает анион (справа). Анион водорода с его слабо удерживаемым двухэлектронным облаком имеет больший радиус, чем нейтральный атом, который, в свою очередь, намного больше, чем голый протон катиона. Водород образует единственный катион, который не имеет электронов, но даже катионы, которые (в отличие от водорода) все еще сохраняют один или несколько электронов, все еще меньше, чем нейтральные атомы или молекулы, из которых они произошли.
Анионы водорода образуются при присоединении дополнительных электронов:
Ионы водорода управляют АТФ-синтазой в фотосинтезе . Это происходит, когда ионы водорода проталкиваются через мембрану, создавая высокую концентрацию внутри тилакоидной мембраны и низкую концентрацию в цитоплазме. Однако из-за осмоса H + вытесняется из мембраны через АТФ-синтазу. Используя свою кинетическую энергию для выхода, протоны вращают АТФ-синтазу, которая в свою очередь создает АТФ . Это происходит и при клеточном дыхании , хотя концентрированная мембрана вместо этого будет внутренней мембраной митохондрий .
Концентрация ионов водорода, измеряемая как pH, также отвечает за кислотную или щелочную природу соединения. Молекулы воды расщепляются с образованием H + и гидроксид-анионов. Этот процесс называется самоионизацией воды .
Концентрация ионов водорода и pH обратно пропорциональны; в водном растворе повышенная концентрация ионов водорода дает низкий pH, а затем и кислый продукт. По определению, кислота — это ион или молекула, которая может отдавать протон, и при введении в раствор она будет реагировать с молекулами воды (H 2 O) с образованием иона гидроксония (H 3 O + ), сопряженной кислоты воды. [4] Для упрощения рассуждений ион водорода (H + ) часто используется для сокращения иона гидроксония.
Закисление океана является прямым следствием повышенных концентраций ионов водорода и насыщения карбонатами из-за значительного поглощения углекислого газа (CO 2 ) мировыми океанами. [5] Доиндустриальное состояние карбонатной химии океана было заметно стабильным, включая баланс его pH. [6] После промышленной революции антропогенные выбросы от сжигания ископаемого топлива , производства цемента и изменения в землепользовании увеличили поглощение океанами углекислого газа из атмосферы на 30%. [7] В океане поглощающая способность этого парникового газа в 59 раз выше, чем в атмосфере; [8] океан действует как крупнейший поглотитель углерода на планете, играя значительную роль в регулировании климата. [9] Помимо потоков углерода, естественный процесс секвестрации углерода из атмосферы в глубокие слои океана облегчается двумя системами: биологическим насосом и насосом растворимости. Насос растворимости — это физико-химический процесс, который переносит CO 2 на границе раздела воздух-море. [10] Согласно закону Генри, количество растворенного CO 2 в водном растворе прямо пропорционально парциальному давлению CO 2 в атмосфере. [11] Для поддержания равновесия состояние высокого парциального давления CO 2 в атмосфере приводит к увеличению обмена этого газа в океане путем молекулярной диффузии.
В поверхностных водах растворенный атмосферный углекислый газ (CO 2(aq) ) реагирует с молекулами воды, образуя угольную кислоту (H 2 CO 3 ), слабую дипротонную кислоту. Дипротонные кислоты состоят из двух ионизуемых атомов водорода в каждой молекуле. [12] В водном растворе частичная диссоциация угольной кислоты высвобождает протон водорода (H + ) и ион бикарбоната (HCO 3 − ), а затем ион бикарбоната диссоциирует на дополнительный протон водорода и ион карбоната (CO 3 2- ). [13] Растворение и диссоциация этих неорганических видов углерода генерируют увеличение концентрации ионов водорода и обратно пропорционально снижают pH окружающей поверхности океана. Карбонатная буферная система регулирует кислотность морской воды, поддерживая растворенные неорганические виды углерода в химическом равновесии.
Химическое уравнение состоит из реагентов и продуктов, которые могут реагировать в любом направлении. Больше реагентов, добавленных в систему, дают большее производство продукта (химическая реакция смещается вправо), а если добавляется больше продукта, образуются дополнительные реагенты, сдвигая химическую реакцию влево. Следовательно, в этой модели высокая концентрация исходного реагента, диоксида углерода, производит повышенное количество конечного продукта (H + и CO 3 2- ), тем самым понижая pH и создавая более кислый раствор. Естественная буферная система океана сопротивляется изменению pH, производя больше ионов бикарбоната, генерируемых свободными кислотными протонами, реагирующими с карбонатными ионами, образуя щелочной характер. [14] Однако увеличение концентрации CO 2 в атмосфере может превысить порог буферной емкости, что, следовательно, приведет к более высоким темпам закисления океана. Изменения в химии карбоната океана могут манипулировать биогеохимическими циклами океана для многих элементов и соединений, оказывая глубокое воздействие на морские экосистемы. Кроме того, растворимость CO 2 зависит от температуры; Повышенная температура поверхностных вод снижает растворимость CO 2. Постоянное повышение парциального давления CO 2 в атмосфере может потенциально превратить океан из поглотителя (вертикальный перенос углерода в глубины океана) в источник (дегазация CO 2 из океана), что еще больше повышает глобальные температуры. [15]
