Jon wodorowy - Hydrogen ion

Jonów wodorowych jest tworzony, gdy atom wodoru traci lub zyskuje elektron . Dodatnio naładowany jon wodorowy (lub proton) może łatwo łączyć się z innymi cząsteczkami i dlatego jest izolowany tylko wtedy, gdy znajduje się w stanie gazowym lub w przestrzeni prawie wolnej od cząstek. Ze względu na jej bardzo wysoką gęstość ładunku około 2 x 10 10 razy z jonem sodu, nagie jonów wodorowych nie występują swobodnie w roztworze, ponieważ łatwo hydratów, czyli wiązania szybko. Jon wodoru jest zalecane przez IUPAC jako ogólny termin dla wszystkich jonów z grupy obejmującej atom wodoru i ich izotopami . W zależności od ładunku jonu można wyróżnić dwie różne klasy: jony naładowane dodatnio i jony naładowane ujemnie.

Kation (naładowany dodatnio)

kation Zundla

Atom wodoru składa się z jądra o ładunku +1 i pojedynczego elektronu. Dlatego jedyny możliwy jon naładowany dodatnio ma ładunek +1. Odnotowano H + .

W zależności od danego izotopu kation wodorowy ma różne nazwy:

  • Hydron : ogólna nazwa odnosząca się do dodatniego jonu dowolnego izotopu wodoru (H + )
  • Proton : 1 H + (czyli kation protu )
  • Deuteron : 2 H + , D +
  • Tryton : 3 H + , T +

Ponadto jony powstałe w wyniku reakcji tych kationów z wodą oraz ich hydraty nazywane są jonami wodorowymi:

Kationy Zundla i kationy Eigena odgrywają ważną rolę w dyfuzji protonów zgodnie z mechanizmem Grotthuss'a .

W połączeniu z kwasami „jony wodorowe” zazwyczaj odnoszą się do hydronów.

Ions.svg

Na zdjęciu po lewej atom wodoru (w środku) zawiera pojedynczy proton i pojedynczy elektron. Usunięcie elektronu daje kation (po lewej), podczas gdy dodanie elektronu daje anion (po prawej). Anion wodoru, z luźno utrzymywaną chmurą dwóch elektronów, ma większy promień niż atom obojętny, który z kolei jest znacznie większy niż sam proton kationu. Wodór stanowi jedyny kation, który nie ma elektronów, ale nawet kationy, które (w przeciwieństwie do wodoru) nadal zachowują jeden lub więcej elektronów, są nadal mniejsze niż neutralne atomy lub cząsteczki, z których pochodzą.

Anion (naładowany ujemnie)

Aniony wodoru powstają, gdy pozyskuje się dodatkowe elektrony:

  • Wodorek : ogólna nazwa odnosząca się do jonu ujemnego dowolnego izotopu wodoru (H )
  • Protide: 1 H
  • Deuterid: 2 H , D
  • Tryt: 3 H , T

Zastosowania

Jony wodoru napędzają syntazę ATP w fotosyntezie . Dzieje się tak, gdy jony wodoru przepychają się przez błonę, powodując wysokie stężenie wewnątrz błony tylakoidów i niskie stężenie w cytoplazmie. Jednak z powodu osmozy H + wypycha się z błony przez syntazę ATP. Wykorzystując swoją energię kinetyczną do ucieczki, protony będą obracać syntazę ATP, która z kolei wytworzy ATP . Dzieje się tak również podczas oddychania komórkowego, chociaż skoncentrowana błona będzie zamiast tego wewnętrzną błoną mitochondriów .

Stężenie jonów wodorowych, mierzone jako pH, jest również odpowiedzialne za kwasowy lub zasadowy charakter związku. Cząsteczki wody rozpadają się na aniony H + i wodorotlenkowe. Proces ten nazywany jest samojonizacją wody .

zakwaszenie oceanu

Stężenie jonów wodorowych i pH są odwrotnie proporcjonalne; w roztworze wodnym zwiększone stężenie jonów wodorowych daje niskie pH, a następnie kwaśny produkt. Z definicji kwas jest jonem lub cząsteczką, która może przekazać proton, a po wprowadzeniu do roztworu reaguje z cząsteczkami wody (H 2 O), tworząc jon hydroniowy (H 3 O + ), sprzężony kwas z wodą . Dla uproszczonego rozumowania, jon wodorowy (H + ) jest często używany jako skrót od jonu hydroniowego.

Zakwaszenie oceanów jest bezpośrednią konsekwencją podwyższonego stężenia jonów wodorowych i wysycenia węglanami ze znacznej absorpcji dwutlenku węgla (CO 2 ) przez oceany świata. Stan chemii węglanów w oceanie przed uprzemysłowieniem był szczególnie stabilny, w tym równowaga jego pH. Po rewolucji przemysłowej antropogeniczne emisje spalania paliw kopalnych, produkcja cementu i zmiany w użytkowaniu gruntów spowodowały, że oceany pobierały z atmosfery dwutlenek węgla o 30%. W oceanie zdolność absorpcji tego gazu cieplarnianego jest 59 razy większa niż w atmosferze; ocean pełni rolę największego pochłaniacza dwutlenku węgla na planecie, odgrywając znaczącą rolę w regulacji klimatu. Oprócz strumieni węgla naturalny proces sekwestracji węgla z atmosfery do głębin oceanicznych ułatwiają dwa systemy, pompa biologiczna i pompa rozpuszczalności. Pompa rozpuszczalności to proces fizykochemiczny, który przenosi CO 2 na granicy powietrze-morze. Zgodnie z prawem Henry'ego ilość rozpuszczonego CO 2 w roztworze wodnym jest wprost proporcjonalna do ciśnienia cząstkowego CO 2 w atmosferze. Aby utrzymać równowagę, stan wysokiego ciśnienia parcjalnego CO 2 w atmosferze prowadzi do zwiększonej wymiany oceanicznej tego gazu poprzez dyfuzję molekularną.

W wodach powierzchniowych rozpuszczony atmosferyczny dwutlenek węgla (CO 2(aq) ) reaguje z cząsteczkami wody, tworząc kwas węglowy (H 2 CO 3 ), słaby kwas dwuprotonowy. Kwasy diprotonowe składają się z dwóch jonizowalnych atomów wodoru w każdej cząsteczce. W roztworze wodnym częściowa dysocjacja kwasu węglowego uwalnia proton wodoru (H + ) i jon wodorowęglanowy (HCO 3 ), a następnie jon wodorowęglanowy dysocjuje na dodatkowy proton wodoru i jon węglanowy (CO 3 2- ). . Rozpuszczanie i dysocjacja tych nieorganicznych form węgla powoduje wzrost stężenia jonów wodorowych i odwrotnie obniża pH otaczającej powierzchni oceanu. System buforowania węglanu reguluje kwasowość wody morskiej poprzez utrzymywanie rozpuszczonych nieorganicznych form węgla w równowadze chemicznej.

Równanie chemiczne składa się z reagentów i produktów, które mogą reagować w obu kierunkach. Więcej reagentów dodanych do systemu daje większą produkcję produktu (reakcja chemiczna przesuwa się w prawo), a jeśli doda się więcej produktu, utworzą się dodatkowe reagenty, przesuwając reakcję chemiczną w lewo. Dlatego w tym modelu wysokie stężenie początkowego substratu, dwutlenku węgla, powoduje zwiększenie ilości produktu końcowego (H + i CO 3 2- ), obniżając pH i tworząc bardziej kwaśny roztwór. Naturalny system buforowania oceanu opiera się zmianie pH, wytwarzając więcej jonów wodorowęglanowych generowanych przez protony wolnych kwasów reagujących z jonami węglanowymi, tworząc charakter zasadowy. Jednak rosnące stężenia CO 2 w atmosferze mogą przekroczyć próg pojemności buforowej, co w konsekwencji spowoduje wyższe tempo zakwaszenia oceanów. Zmiany w składzie chemicznym węglanów oceanu mogą potencjalnie manipulować cyklami biogeochemicznymi oceanów dla wielu pierwiastków i związków, które wywierają głęboki wpływ na ekosystemy morskie. Ponadto, rozpuszczalność w CO 2, jest zależna od temperatury; podwyższone temperatury wód powierzchniowych zmniejszają rozpuszczalność CO 2 . Ciągły wzrost atmosferycznego ciśnienia parcjalnego CO 2 może potencjalnie przekształcić ocean z funkcji pochłaniacza (pionowy transport węgla w głąb oceanu) w źródło ( odgazowanie CO 2 z oceanu), co jeszcze bardziej podniesie globalne temperatury.

Zobacz też

Bibliografia