수소이온(hydrogen ion)은 수소와 그 동위원소(중수소 등)의 이온을 말한다. 전하에 따라 양이온이나 음이온이 된다.
수소 양이온 (H⁺)
수소가 전자를 잃으면 다음 양이온이 만들어진다. 일반적으로 영어로 hydron이라고 불리지만 이것은 동위 원소의 종류에 상관 없는 명칭이다. 자연계에서 발견이 되는 세 가지 동위원소의 이온의 명칭은 다음과 같다:
- 수소 양이온(H⁺)
- ¹H⁺ : Proton(프로톤/양성자/프로튬 양이온)
- ²H⁺, D⁺ : Deutron(듀트론/듀테륨 양이온)
- ³H⁺, T⁺ : Triton(트라이톤[1]/트리튬 양이온)
사실은 원자핵만 있는 형태이므로 실제로는 STP(표준 상태) 또는 일반적인 실험 환경에서 존재하기가 거의 불가능에 가깝다. 일반적으로 하이드로늄 이온을 쓰기 귀찮아 사용하는 표기이다.
옥소늄 이온(H₃O⁺)
Hydronium ion/oxonium ion/hydroxonium ion (IUPAC 정식 명칭은 옥소늄 이온). 하이드로늄 이온이라고도 한다. 대개 산이라 하면 수소 양이온이 물과 결합한 이 물질이 만들어지는 경우를 의미한다. 산•염기 반응에서 사용 할 때, (H⁺) 대신에 (H₃O⁺) 이온을 사용할 때에는 (H₃O⁺)가 있는 반응식의 반대쪽에 (H₂O)를 넣는다.
상온에서 H₃O⁺의 pKa가 -1.7이며 강산이다. 은근히 안정한 H₃O⁺ 염의 결정을 얻기 가능하다. 일반적으로는 이온화 상수가 109 이상인 산들만 염을 만들 수 있다. 예를 들자면, HCl의 이온화 상수가 107이므로 (109 보다 작으니) H₃O⁺의 염이 생기지 않는다. 하지만 이온화 상수가 109인 HClO₄(과염소산)은 다음과 같은 과정을 통해 염이 생긴다 :
건조한(H₂O 가 포함되지 않은) HClO₄ 과 물을 1:1 몰랄 비율(Molar ratio)로 섞으면 옥소늄 과염소산(Oxonium perchlorate)/하이드로늄 과염소산 (Hydronium perchlorate)이 생성된다. 또한, H₃O⁺는 초강산인 H(CHB₁₁Cl₁₁)(카보레인산)(H₂SO₄의 1 000 000배 강한 산)과 안정한 화합물을 만들어낸다. 만들어진 염의 화학식은 [H₃O⁺][H(CHB₁₁Cl₁₁)]이고 벤젠에 용해된다.
H₃O⁺ 가 물속에서 용해될 때, 다양한 양이온으로 용해가 된다. 그 중 몇 가지 양이온들을 소개하자면,
첫번째로 Zundel 양이온이 있는데 H₃O⁺(H₂O) 또는 H₅O₂⁺ 의 형태이다. 두번째로 Eigen 양이온이 있는데 H₃O⁺(H₂O)₃ 또는 H₉O₄⁺ 의 형태이다. 어떤 양이온들은 크기가 좀 크다. 대표적으로 H₃O+(H₂O)₂0 에서는 십이면체의 중심에 H₃O⁺ 이온이 있을 수도 있지만 확실하지는 않다고 한다.
수소화 이온 (H⁻)
일반적으로 영어로 hydride라고 부르지만 수소 양이온과 같이 역시 동위원소에 따른 각각의 명칭(이번에도 역시 자연계에서 발견되는 세 종류만)이 각각 존재 하고 그 이온들의 명칭은 다음과 같다:
- ¹H¹⁻ : Protide(프로타이드/프로튬 음이온)
- ²H¹⁻/D¹⁻ : Deutride (듀트라이드/듀테륨 음이온)
- ³H¹⁻/T¹⁻ : Tritide (트리타이드/트리튬 음이온)
1929년 한스 베테라는 독일 태생 미국 물리학자가 이론상 존재한다는 것을 증명해 냈다. 입자 가속기로 만들 수 있고, 지구의 전리층에 존재하고, 태양과 같은 별들의 대기에서의 중요한 구성 요소이다. 0.75~4.0eV 사이에 있는 에너지를 흡수한다.
수소 음이온이 포함된 화합물의 예시로는 BH4⁻ , MH 등이 있다. 대부분 초염기이다.
참고자료
같이 보기
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