ما هو الهيدرونيوم؟

تُعرّف أيونات الهيدرونيوم على أنها جزيئات الماء اكتسبت أيون هيدروجين إيجابي إضافي، تتشكل في الماء النقي أو عند وجود الحمض في الماء، تكمن أهميته في التفاعلات الكيميائية التي تحدث في المحاليل المائية، كما أن تركيزه نسبةً إلى شوارد الهيدروكسيد يمثل مقياس مباشر لدرجة حموضة المحلول.

يتشكّل أيون الهيدرونيوم (+H3O) طريق الجمع بين أيون الهيدروجين(H+) وجزيء الماء (H2O)، يتمتع ببنية هرمية ثلاثية الأبعاد، تتكوّن من ثلاث ذرات هيدروجين وذرة أكسجين واحدة، تحمل زوج وحيد من الإلكترونات، تبلغ زاوية الرابطة بين الذرات 113°.

H2O  ⇌  OH− + H +

ترتبط أيونات (+H) بجزيئات الماء (H2O) في المحلول لتكوّن أيون الهيدرونيوم(H3O+) ، وذلك لأن أيونات الهيدروجين غير موجودة في المحاليل المائية، ولكنها تأخذ شكل أيون الهيدرونيوم (+H3O)، التفاعل في هذه الحالة عكوس أي أنه يسير في كلا الاتجاهين، بالوقت الذي تتفكك فيه جزيئات الماء لا تلبث أن تتحد أيونات الهيدروكسيل (OH−) مع أيونات الهيدروجين (+H) ليتشكّل الماء.

يجذب جزيء الماء أيونات الهيدروجين (+H) نظرًا لقطبيته، وبالتالي فإنه يحمل شحنة جزئية (سالبة) وذلك يعود لكون الأكسجين أكثر كهرسلبية من الهيدروجين.

ففي الرابطة بين الهيدروجين والأكسجين، يسحب الأكسجين زوج الإلكترونات المشتركة بقوة أكبر، مما يتسبّب في ظهور شحنة جزئية سالبة على الجزيء ويجعله ينجذب إلى الشحنة الموجبة لـ (+ H) ليتشكل الهيدرونيوم.

ويكون التفاعل العام لتفكك الماء لتكوين الهيدرونيوم على النحو التالي:

H2O  ⇌  OH-  + H3O+

كما تتكون أيونات الهيدرونيوم عندما يتفكك الحمض بوجود الماء، ترتبط أيونات الهيدروجين (+H) بجزيئات الماء، فعلى سبيل المثال  تفكك حمض الهيدروكلوريك في وجود الماء:

HCl + H2O → H3O + + Cl−

كما يعتمد الرقم الهيدروجيني للمحلول على تركيزه أيونات الهيدرونيوم فيه، في عينة من الماء النقي ، يكون تركيز الهيدرونيوم (1 × 10_7) مول لكل لتر (0.0000001M ) في درجة حرارة الغرفة، إن معادلة إيجاد الأس الهيدروجيني لمحلول باستخدام تركيزه من الهيدرونيوم هي:

log (H3O+) − = PH

بتطبيق هذه المعادلة، يساوي الرقم الهيدروجيني للمياه النقية 7، يرتفع الرقم الهيدروجيني أو ينخفض تبعًا للتغيير في تركيز أيونات الهيدرونيوم.

ينخفض الرقم الهيدروجيني للمحلول بزيادة تركيز أيونات الهيدرونيوم، أي أن المحلول يصبح أكثر حمضية، فعند إضافة حمض للماء، تنفصل أيونات (+ H) عن الحمض وترتبط بالماء لتشكل أيونات الهيدرونيوم(H3O+)، وبذلك يزداد تركيز الهيدرونيوم في المحلول.

وعلى العكس يزداد الرقم الهيدروجيني للمحلول بانخفاض تركيز أيونات الهيدرونيوم، أي أن المحلول يغدو أكثر أساسية، فعند إضافة أساس للماء، تنفصل أيونات (OH−) عن الأساس، ترتبط هذه الأيونات مع أيونات (+ H) الناتجة عن تفكك الماء لتكوّن جزيئات ماء (H2O) بدلاً من أيونات الهيدرونيوم (H3O+).

يمكن حساب تركيز أيونات الهيدرونيوم في المحلول بمعرفة الرقم الهيدروجيني:

H3O+=10−pH

فإذا كان الرقم الهيدروجيني مساويًا لـ 7 في هذه المعادلة، فإن تركيز الهيدرونيوم في هذه الحالة  0.0000001 M.

من المعروف أن الماء الطبيعي عند الجميع يعرف بالصيغة H2O، ويعد الماء من أبسط المركبات لاحتوائه على هيدروجين (بروتون) يرتبط بقوة عالية مع الأوكسجين ليتشكل مركب لا يمكن فصل مكوناته إلا بالتحليل الكهربائي، فإذا استطاع جزيء الماء المتشكّل الارتباط مع بروتون آخر من الهيدروجين، لن تكون الرابطة قويّة كارتباط الذرات المشكلّة للماء.

يتشكل الهيدرونيوم ذو الصيغة H3O من ارتباط بروتون من الهيدروجين مع جزيء واحد من الماء، تتشكل الرابطة بين جزيئات الماء لكون الهيدروجين ذو كثافة عالية نتيجة البروتون الموجب فينجذب إلى أي ذرة أو جزيء تحمل شحنة سالبة كالأوكسجين وهذا  سبب الرابطة القوية لذرات جزيء الماء، ونتيجة بعض الحالات تسمح بوجود بروتونات من الهيدروجين داخل محلول مائي، تتفاعل هذه البروتونات مع جزيئات الماء  لتشكيل الهيدرونيوم (Hydroniom ions) كما المعادلة الآتية:

+H2O +  H+ ↔  H3O

من المعروف أن كل الأحماض تتشكل نتيجة تفاعل بعض المركبات مع أيون الهيدروجين الموجب وتبعاً لذلك يمكن اعتبار الهيدرونيوم حمض ويتشكل في الماء النقي بشكلٍ طبيعي أو عند إضافة الحمض للماء، وفي أي محلول تقاس نسبة الهيدرونيوم إلى نسبة الهيدروكسيد لقياس حموضة المحلول المائي (مركبات قابلة للذوبان في الماء).

وبشكل أوضح الهيدرونيوم هو أيون الهيدروجين الذي عند تفاعله مع بعض المواد يشكل حمضاً لكن نظراً لعدم إمكانية وجود أيون هيدروجين موجب بشكل مستقل بل يتفاعل مع الماء ليتشكل H3O فقياس درجة الحموضة فعليّاً تقاس بنسبة الهيدرونيوم وليس بروتون الهيدروجين بمفرده.

في الماء العادي توجد أيونات الهيدروكسيد والهيدرونيوم بشكل متساوٍ  فتتفاعل بشكل طبيعي لتشكيل جزيئات الماء، فإذا انفجرت إحدى الجزيئات أو تم فقدان نواة الهيدروجين فإن النوى المتبقية للهيدروجين تتحد على الفور بجزيء ماء آخر لتكوين الهيدرونيوم.

-H2o ↔ H+ + OH

حيث أيونات الهيدرونيوم تنتشر بسرعة كبيرة بالنسبة للهيدروكسيد فتستطيع نقل بروتونات متعددة من الهيدروجين لجزيئات للماء المجاورة ويمكن لها أن تنقل عدة بروتونات في وقت واحد، بينما الهيدروكسيد يكون أبطأ بعدة مرات في النقل.

وأيون الهيدرونيوم يكون على شكل هرم ثلاثي الأبعاد أي له ثلاثة زوايا قياس كل منها يساوي 113 درجة، لكن كون الرابطة قطبية فيكون الأيون قابل للتفكك كما تشكّل، ويحمل شحنة جزئية أي لا يلبث أن يتفاعل الأيون مع الماء حتى يتحد مع الهيدروكسيد (OH-) وتشكل جزيء الماء.

  -2H2O→H3O+ +OH

ويمكن للهيدرونيوم أن ينشكل نتيجة وجود حمض في الماء ففي المحلول المائي يتفكك الحمض وينفضل أيون الهيدروجين الموجب ليتحد مع حزيء، مثل المحلول المائي لحمض كلور الماء كما المعادلة الآتية:

  H3O + CL  → HCL  + H2O

وفي الماء العادي ينجذب كل أيون من الهيدروجين مركب واحد من الماء من بين 6 مركبات أي عند وجود 6 مركبات ماء يمكن للهيدرونيوم أن يتشكل ويعرف هذا باحتمال تشكل الهيدرونيوم.