¿Debo usar H3O+ o H+?

Question

Aprendí la ecuación

$$\ce{H2O + H+ -> H3O+}$$

Y sé que $\ce{H^+}$ y $\ce{H_3O+}$ son los mismos. Pero estoy confundido en cuanto a cuándo puedo usar $\ce{H^+}$ y $\ce{H_3O+}$ ?

Answer 1

Además de la respuesta de entropid, recordemos por qué invocamos el ion hidronio $\ce{H3O+}$ en primer lugar.

Utilizamos $\ce{H3O+}$ como abreviatura de $\ce{H+(aq)}$ que se parece más a los cúmulos de agua protonada de la fórmula genérica $\ce{H+.(H2O)_{n}}\equiv \ce{H_{2n +1}O_{n}+}$ .

Hace casi diez años, un un documento muy interesante apareció en Ciencia que examinó la estructura de estos cúmulos ( $n=2,3,4,5,6,7,8$ ). El artículo enlazado ha sido puesto a disposición del público por Ciencia pero es necesario registrarse para obtener una cuenta gratuita en sciencemag.org.

Uno de los puntos clave del artículo fue la determinación de la estructura interna de estos cúmulos. Para $n=1$ , usted tiene $\ce{H3O+}$ el ion hidronio, con el que estamos razonablemente familiarizados. Cuando $n=2$ , usted tiene $\ce{H5O2+}$ que tiene una estructura diferente: el protón se reparte uniformemente entre dos moléculas de agua: $\ce{[H2O\bond{...}H\bond{...}OH2]+}$ . Los grupos de orden superior tienen estas dos estructuras, denominadas iones "Eigen" y "Zundel", respectivamente, en sus núcleos.

El estudio utilizó una combinación de teoría (MP2/aug-cc-pDVZ) y experimento (espectroscopia vibracional de fotodisociación). Encontraron el for $n=2,6,7,8$ los clusters tienen un núcleo de Zundel, mientras que el núcleo de Eigen existe para $n=3,4,5$ . ¡Vaya! Y se complica más a medida que aumenta el número de moléculas de agua en los racimos (podría estar detrás de un muro de pago) - aunque resulta que el ion Eigen es ligeramente más común en los grupos más grandes.

En las soluciones acuosas, podemos tener una extensa red dinámica de cúmulos siempre en flujo. En este caso, tenemos una mezcla de Eigen $\ce{H3O+}$ iones que representan protones estrechamente asociados a las moléculas de agua y Zundel $\ce{H5O2+}$ iones que representan protones en tránsito.

Por lo tanto, utilizamos $\ce{H3O+}$ para mantener las cosas simples, y también para satisfacer las necesidades de la teoría ácido-base de Brønsted-Lowry, en la que cada reacción ácido-base necesita un donante de protones y un receptor de protones . Así, la "disociación" de los ácidos en el agua no es realmente una disociación, sino una reacción de ionización - una reacción ácido-base en la que el agua es la base y el hidronio es el ácido conjugado.

$$\ce{HA + H2O <=> A- + H3O+}$$

Por supuesto, sólo es apropiado utilizar $\ce{H3O+}$ en solución acuosa. En otros disolventes, el "protón" tiene una estructura diferente. En general, el protón está unido a un sitio básico de la molécula del disolvente. Por ejemplo, en el metanol:

$$\ce{HCl + CH3OH <=> Cl- + CH3OH2+}$$

Answer 2

No hay ninguna diferencia real entre las dos notaciones. Como usted sabe, $\ce{H+}$ no puede existir por sí mismo en solución, ya que se hidrata a $\ce{H3O+}$ pero en la mayoría de los casos se puede utilizar al escribir ecuaciones o trabajar con reacciones. Hasta donde yo sé, $\ce{H3O+}$ es ligeramente preferible cuando se trata de reacciones ácido/base, por ejemplo

$$\ce{H2O + HCl -> H3O+ + Cl-}$$

mientras que $\ce{H+}$ se utiliza más -por simplicidad- con las reacciones redox, por ejemplo

$$\ce{Zn + 2H+ -> Zn^{2+} + H2}$$