La existencia de $\ce{H4O^{2+}}$ se ha deducido a partir del intercambio isotópico de hidrógeno/deuterio, que se controla mediante $\ce{^{17}O}$ Espectroscopia de RMN en el superácido en fase condensada más extremadamente ácido que podemos hacer, ácido fluoroantimónico ( $\ce{HF:SbF5}$ o $\ce{HSbF6}$ ). Parece que incluso el ligeramente más débil pero todavía muy superácido ácido mágico $\ce{HSO3F:SbF5}$ no es lo suficientemente fuerte como para efectuar una protonación medible de $\ce{H3O+}$ en $\ce{H4O^{2+}}$ . Es probable que también pueda existir en la fase gaseosa al exponer el agua a protones desnudos, y podría tener cierta importancia en la astroquímica. En relación con esto, $\ce{H4S^{2+}}$ también se ha deducido que existe a través del mismo tipo de mediciones, y es más fácil de hacer, existiendo en mezclas de ácidos mágicos.
Una buena fuente para sus necesidades superácidas son los libros de George Olah, el padre de la química superácida. En particular, Iones de onio tiene una sección sobre la dicación de protohidronio $\ce{H4O^{2+}}$ en la página 435. Hay muchas otras caciones curiosas analizadas como $\ce{CH6^{2+}}$ e incluso $\ce{CH7^{3+}}$ . Cuando se trata de superácidos, ¡nada es sagrado!
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Las membranas semipermeables no funcionan así. Usted no puede separar los cationes de los aniones de esta manera, y eso es un muy, muy enorme " no puede "(como en "un mosquito no puede levantar el Empire State Building" ). La posible (?) existencia de $\ce{H4O^2+}$ en condiciones extremas es otra historia.
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Véase chemistry.stackexchange.com/questions/24342/
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La ósmosis puede rechazar aniones como se indica en rechazo de aniones por ósmosis @IvanNeretin
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Claro, pero también colocaría a otros iones en lugar de ellos.