Idrogenonio

Il catione idrogenonio.

Il catione idrogenonio, o catione triidrogeno, è un catione molecolare avente formula H₃⁺.

È formato da tre nuclei di idrogeno (protoni) che condividono una coppia di elettroni che esercita un'azione legante fra di essi.

L'idrogenonio è uno degli ioni molecolari più abbondanti nell'Universo. È una specie che è stabile nel mezzo interstellare per la bassa densità di materia nel mezzo, come pure per la bassa temperatura. Gioca un ruolo singolare e importante nella chimica in fase gassosa, non paragonabile ad altri ioni poliatomici che si trovano in nubi molecolari e nel mezzo interstellare.

Le righe di emissione di H₃⁺ sono state identificate anche nell'atmosfera di Giove, di Saturno e di Urano.

Caratteristiche

H₃⁺ è anche lo ione molecolare più semplice in quanto, essendo costituito da solo idrogeno, ha solo elettroni di valenza nella sua struttura molecolare. È anche l'esempio più semplice di sistema legato (ΔU < 0) in cui sia presente un legame a tre centri e due elettroni (3c-2e).

Lo ione H₃⁺ ha una struttura altamente simmetrica: in esso i tre atomi di idrogeno, legati da due elettroni, sono collocati ai vertici di un triangolo equilatero, per cui la simmetria risultante è D_3h. La distanza H−H calcolata risulta essere 90,88 pm (74,14 pm in H₂), e la densità elettronica aumenta in direzione del centro del triangolo.

Questo ione molecolare gode di una particolare stabilità connessa all'aromaticità sigma, che per esso si riscontra e che comporta una "corrente di anello", come avviene per il benzene; tale stabilità rende conto dell'abbondanza e della persistenza di questo ione molecolare nel mezzo interstellare, a differenza dello ione molecolare H₂^+•, un suo importante precursore che invece è una specie molto labile (vide infra). L'omologo superiore più semplice di H₃⁺ è lo ione molecolare isoelettronico di valenza Li₃⁺, anch'esso una specie importante in astrofisica.

L'idrogenonio può formarsi esotermicamente e spontaneamente per protonazione di una molecola di idrogeno, dato che il sistema (H₂  +  H⁺) è parecchio meno stabile:

H₂ + H⁺   →   H₃⁺       [ ΔH_r° = -422,3 kJ/mol (-4,377 eV); ΔG_r° = -394,7 kJ/mol (-4,090 eV) ]

(qui ΔH_r° e ΔG_r°, cambiati di segno, rappresentano l'affinità protonica e la basicità in fase gassosa di H₂, rispettivamente)

Questo ione molecolare è un fortissimo acido di Brønsted-Lowry, in grado di protonare anche una base debolissima come il metano dando origine allo ione metanio CH₅⁺, dato che l'affinità protonica di CH₄ (-543,5 kJ/mol) è maggiore di quella di H₂, e così pure per qualsiasi altro idrocarburo:

CH₄ + H₃⁺   →   CH₅⁺ + H₂       [ ΔH_r° = (-543,5 + 422,3) kJ/mol = -121,2 kJ/mol ]

Lo ione idrogenonio in atmosfera di idrogeno molecolare può sommare esotermicamente fino a tre molecole H₂ formando altri legami 3c-2e, però più deboli, e dando luogo alle specie H₃⁺(H₂), H₃⁺(H₂)₂ e H₃⁺(H₂)₃; le molecole H₂ si dispongono sui vertici del triangolo H₃⁺, con il loro asse di legame perpendicolare al piano di H₃⁺, formando fino a tre altri triangoli.

Formazione

La via principale di formazione di H₃⁺ si ha a partire da una iniziale ionizzazione di una molecola H₂ a dare lo ione radicalico H₂^+•, che è una specie legata da un solo elettrone (ordine di legame 1/2). Questa specie molto energetica reagisce con un'altra molecola H₂ strappando ad essa un atomo H, formando così l'idrogenonio:

H₂^+• + H₂   →   H₃⁺ + H^•

La concentrazione di H₂^+• è il fattore che limita la concentrazione di H₃⁺. Questo infatti può formarsi negli spazi interstellari soltanto quando la molecola H₂ viene colpita da un raggio cosmico o una radiazione ultravioletta abbastanza energetica da ionizzarla (teoricamente, occorrono almeno 15,43 eV):

H₂ + raggio cosmico   →   H₂^+• + e⁻ + raggio cosmico

Il raggio cosmico, come si vede nella reazione, ha talmente tanta energia che quella ceduta per ionizzare la molecola di idrogeno è sostanzialmente trascurabile. Nelle nubi interstellari, i raggi cosmici si lasciano dietro una traccia di H₂^+• e, di conseguenza, di H₃⁺.

Reazioni e distruzione

Esistono parecchie reazioni di distruzione dello ione H₃⁺; in sostanza cedere un protone praticamente a qualsiasi altra molecola con cui entri in collisione (salvo l'elio He, la cui affinità protonica, 177,8 kJ/mol, è molto minore di quella di H₂). Il composto più abbondante in assoluto nello spazio è H₂, tuttavia la reazione che coinvolge i due composti è soltanto uno scambio di protoni:

H₃⁺ + H₂   →   H₂ + H₃⁺

Questa reazione è importante soprattutto per i suoi effetti sul rapporto orto/para di H₃⁺, cioè per il rapporto tra l'idrogenonio con momento angolare di spin 3/2 e quello con momento 1/2.
Un'altra reazione importante è quella con il monossido di carbonio CO, la seconda molecola più abbondante, che viene da esso protonata (affinità protonica = 594 kJ/mol):

H₃⁺ + CO   →   HCO⁺ + H₂

HCO⁺ è uno ione importante per la chimica interstellare. Il suo notevole momento di dipolo e la sua abbondanza lo rendono facilmente rintracciabile dalla radioastronomia.
H₃⁺ può protonare anche l'ossigeno atomico (affinità protonica = 485,2 kJ/mol):

H₃⁺ + O   →   OH⁺ + H₂

Questo è l'inizio di quella che si pensa possa essere la reazione principale di formazione di acqua dall'ossigeno degli spazi interstellari, e dunque ciò che ha dato origine all'acqua presente sulla Terra.

H₃⁺ può essere distrutto anche da un processo chiamato ricombinazione dissociativa. Tale reazione decorre in modi differenti, portando anche a prodotti diversi. Quello che avviene nel 75% dei casi è la formazione di tre atomi di idrogeno, mentre nel restante 25% delle volte si producono H₂ e H.

Voci correlate

• Metanio
• Legame a tre centri e due elettroni
• Atmosfera di Giove
• Mezzo interstellare
• Affinità protonica

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Collegamenti esterni

• (EN) H₃⁺ Resource Center, su h3plus.uiuc.edu.
• (EN) Astrochemistry.net.