أيون الهيدروجين

This article needs additional citations for verification. Please help improve this article by adding citations to reliable sources. Unsourced material may be challenged and removed. Find sources: "Hydrogen ion" – news · newspapers · books · scholar · JSTOR (October 2014) (Learn how and when to remove this message)

يتكون أيون الهيدروجين عندما تفقد ذرة الهيدروجين إلكترونًا . يمكن لأيون الهيدروجين المشحون إيجابيًا (أو البروتون ) أن يتحد بسهولة مع جزيئات أخرى وبالتالي لا يُرى معزولًا إلا عندما يكون في حالة غازية أو مساحة خالية من الجسيمات تقريبًا. ^[1] ونظرًا لكثافة شحنته العالية للغاية والتي تبلغ حوالي 2 × 10 ¹⁰ أضعاف كثافة أيون الصوديوم، لا يمكن لأيون الهيدروجين العاري أن يوجد بحرية في المحلول لأنه يترطب بسهولة، أي يرتبط بسرعة. ^[2] يوصي الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية بأيون الهيدروجين كمصطلح عام لجميع أيونات الهيدروجين ونظائره . ^[3] اعتمادًا على شحنة الأيون، يمكن التمييز بين فئتين مختلفتين: أيونات مشحونة إيجابيا وأيونات مشحونة سلبًا.

تتكون ذرة الهيدروجين من نواة بشحنة +1 وإلكترون واحد. لذلك، فإن الأيون الوحيد المحتمل المشحون إيجابياً هو الذي يحمل شحنة +1. ويشار إليه بـ H ⁺ .

اعتمادًا على النظير المعني، فإن كاتيون الهيدروجين له أسماء مختلفة:

• هيدرون : اسم عام يشير إلى الأيون الموجب لأي نظير هيدروجين (H ⁺ )
• البروتون : ^{1H +} ( أي كاتيون البروتيوم )
• الديوترون : ² H ⁺ , D ⁺
• تريتون : ³ H ⁺ , T ⁺

بالإضافة إلى ذلك، فإن الأيونات الناتجة عن تفاعل هذه الكاتيونات مع الماء وكذلك هيدراتها تسمى أيونات الهيدروجين:

• أيون الهيدرونيوم ^: _H3O +
• كاتيون زوندل : H ₅ O ₂ ⁺ (سمي على اسم جورج زوندل )
• الكاتيون الذاتي : H ₉ O ₄ ⁺ (أو H ₃ O ⁺ • 3H ₂ O) (سمي على اسم مانفريد إيجن )

تلعب كاتيونات زوندل وكاتيونات إيجن دورًا مهمًا في انتشار البروتون وفقًا لآلية جروثوس .

فيما يتعلق بالأحماض، يشير مصطلح "أيونات الهيدروجين" عادة إلى الهيدرونات.

في الصورة على اليسار تحتوي ذرة الهيدروجين (الوسط) على بروتون واحد وإلكترون واحد. يؤدي إزالة الإلكترون إلى ظهور كاتيون (يسار)، في حين يؤدي إضافة إلكترون إلى ظهور أنيون (يمين). يتمتع أنيون الهيدروجين، مع سحابة إلكترونية متماسكة بشكل فضفاض، بنصف قطر أكبر من الذرة المحايدة، والتي بدورها أكبر بكثير من بروتون الكاتيون العاري. يشكل الهيدروجين الكاتيون الوحيد الذي لا يحتوي على إلكترونات، ولكن حتى الكاتيونات التي (على عكس الهيدروجين) لا تزال تحتفظ بإلكترون واحد أو أكثر لا تزال أصغر من الذرات أو الجزيئات المحايدة التي اشتُقت منها.

يتم تشكيل أنيونات الهيدروجين عند اكتساب إلكترونات إضافية:

• الهيدريد : اسم عام يشير إلى الأيون السالب لأي نظير هيدروجين (H ⁻ )
• بروتيد ^{: 1H} −
• الديوتيرايد: 2H ^{− ,} D ⁻
• التريتيد: ³ H ⁻ ، T ⁻

تدفع أيونات الهيدروجين إنزيم ATP synthase في عملية التمثيل الضوئي . يحدث هذا عندما يتم دفع أيونات الهيدروجين عبر الغشاء مما يخلق تركيزًا عاليًا داخل غشاء الثايلاكويد وتركيزًا منخفضًا في السيتوبلازم. ومع ذلك، بسبب التناضح، فإن أيونات الهيدروجين ^ستجبر نفسها على الخروج من الغشاء من خلال إنزيم ATP synthase. باستخدام طاقتها الحركية للهروب، ستدور البروتونات إنزيم ATP synthase الذي سيخلق بدوره ATP . يحدث هذا في التنفس الخلوي أيضًا على الرغم من أن الغشاء المركّز سيكون بدلاً من ذلك الغشاء الداخلي للميتوكوندريا .

تركيز أيونات الهيدروجين، الذي يقاس بالرقم الهيدروجيني، مسؤول أيضًا عن الطبيعة الحمضية أو القاعدية للمركب. تنقسم جزيئات الماء لتكوين أيونات الهيدروجين ^{وأيونات} الهيدروكسيد. يشار إلى هذه العملية باسم التأين الذاتي للماء .

تركيز أيونات الهيدروجين ودرجة الحموضة يتناسبان عكسيا؛ ففي المحلول المائي، يؤدي التركيز المتزايد لأيونات الهيدروجين إلى درجة حموضة منخفضة، وبالتالي إلى منتج حامضي. بحكم التعريف، الحمض هو أيون أو جزيء يمكنه التبرع بالبروتون، وعند إدخاله إلى محلول فإنه سيتفاعل مع جزيئات الماء (H ₂ O) لتكوين أيون الهيدرونيوم (H ₃ O ⁺ )، وهو حمض مترافق للماء. ^[4] وللتبسيط، غالبًا ما يستخدم أيون الهيدروجين (H ⁺ ) لاختصار أيون الهيدرونيوم.

تحمض المحيطات هو النتيجة المباشرة لارتفاع تركيزات أيونات الهيدروجين وتشبع الكربونات من الامتصاص الكبير لثاني أكسيد الكربون (CO ₂ ) بواسطة محيطات العالم. ^[5] كانت حالة ما قبل الصناعة لكيمياء الكربونات في المحيط مستقرة بشكل ملحوظ، بما في ذلك توازن درجة الحموضة. ^[6] بعد الثورة الصناعية، أدت الانبعاثات البشرية من حرق الوقود الأحفوري وإنتاج الأسمنت والتغيرات في استخدام الأراضي إلى زيادة امتصاص المحيطات لثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي بنسبة 30٪. ^[7] في المحيط، تكون قدرة امتصاص هذا الغاز الدفيء أعلى بمقدار 59 مرة من الغلاف الجوي؛ ^[8] يعمل المحيط كأكبر بالوعة للكربون على هذا الكوكب، ويلعب دورًا مهمًا في تنظيم المناخ. ^[9] بالإضافة إلى تدفقات الكربون، يتم تسهيل العملية الطبيعية لعزل الكربون من الغلاف الجوي إلى أعماق المحيط من خلال نظامين، المضخة البيولوجية ومضخة الذوبان. مضخة الذوبان هي عملية فيزيائية كيميائية تنقل ثاني أكسيد الكربون _عند واجهة الهواء والبحر. ^[10] بناءً على قانون هنري، فإن كمية ثاني أكسيد الكربون المذاب _في المحلول المائي تتناسب طرديًا مع الضغط الجزئي لثاني أكسيد الكربون _في الغلاف الجوي. ^[11] وللحفاظ على التوازن، تؤدي حالة الضغط الجزئي الجوي المرتفع لثاني أكسيد الكربون _إلى زيادة تبادل هذا الغاز في المحيطات عن طريق الانتشار الجزيئي.

في المياه السطحية، يتفاعل ثاني أكسيد الكربون الجوي المذاب (CO2 _(aq) ) مع جزيئات الماء لتكوين حمض الكربونيك (H2CO3 ) _، وهو حمض ثنائي البروتون ضعيف. تتكون الأحماض ثنائية البروتون من ذرتين هيدروجين قابلتين للتأين في كل جزيء. ^[12] في المحلول المائي، يؤدي التفكك الجزئي لحمض الكربونيك إلى إطلاق بروتون هيدروجين (H ₊ ⁾ وأيون بيكربونات (HCO3− ⁾ _، وبعد ذلك، يتفكك أيون البيكربونات إلى بروتون هيدروجين إضافي وأيون كربونات (CO32- ₎ . ^{[13] يؤدي إذابة وتفكك هذه الأنواع الكربونية غير العضوية إلى زيادة في تركيز أيونات الهيدروجين ويقلل بشكل عكسي من} درجة حموضة سطح المحيط المحيط. يتحكم نظام تخزين الكربونات في حموضة مياه البحر من خلال الحفاظ على الأنواع الكربونية غير العضوية المذابة في حالة توازن كيميائي.

تتكون المعادلة الكيميائية من المتفاعلات والمنتجات التي قد تتفاعل في أي اتجاه. يؤدي إضافة المزيد من المتفاعلات إلى النظام إلى إنتاج المزيد من المنتج (يتحول التفاعل الكيميائي إلى اليمين) وإذا تمت إضافة المزيد من المنتج، فسوف تتشكل متفاعلات إضافية، مما يحول التفاعل الكيميائي إلى اليسار. لذلك، في هذا النموذج، ينتج التركيز العالي للمتفاعل الأولي، ثاني أكسيد الكربون، كمية متزايدة من المنتج النهائي (H ⁺ وCO3 _2- ⁾ ، وبالتالي خفض الرقم الهيدروجيني وإنشاء محلول أكثر حمضية. يقاوم نظام التخزين المؤقت الطبيعي للمحيط التغير في الرقم الهيدروجيني عن طريق إنتاج المزيد من أيونات البيكربونات الناتجة عن تفاعل بروتونات الحمض الحرة مع أيونات الكربونات لتكوين شخصية قلوية. ^[14] ومع ذلك، فإن زيادة تركيزات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي _قد تتجاوز عتبة سعة التخزين المؤقت، مما يؤدي بالتالي إلى ارتفاع معدلات تحمض المحيطات. إن التحولات في كيمياء الكربونات في المحيط لديها القدرة على التلاعب بالدورات البيوكيميائية للمحيط للعديد من العناصر والمركبات مما يسبب تأثيرات عميقة على النظم البيئية البحرية. علاوة على ذلك، فإن قابلية ذوبان ثاني أكسيد الكربون _تعتمد على درجة الحرارة؛ فارتفاع درجات حرارة المياه السطحية يقلل من قابلية ذوبان ثاني أكسيد الكربون _. ومن الممكن أن يؤدي الارتفاع المستمر في الضغط الجزئي الجوي لثاني أكسيد الكربون _إلى تحويل المحيط من العمل كمصرف (النقل الرأسي للكربون إلى أعماق المحيط) إلى أن يصبح مصدرًا ( إزالة غاز _ثاني أكسيد الكربون من المحيط)، مما يؤدي إلى زيادة درجات الحرارة العالمية. ^[15]

• حامض
• البروتونات
• كاتيون ثنائي الهيدروجين
• كاتيون ثلاثي الهيدروجين