Ión de hidrógeno

Un ion de hidrógeno es un ion creado cuando un átomo de hidrógeno pierde o gana un electrón . Un ion de hidrógeno (o protón ) con carga positiva puede combinarse fácilmente con otras partículas y, por lo tanto, solo se observa aislado cuando está en estado gaseoso o en un espacio casi libre de partículas. ^{[ 1 ]} Debido a su densidad de carga extremadamente alta de aproximadamente2 × 10 ¹⁰ veces mayor que la de un ion sodio, el ion hidrógeno desnudo no puede existir libremente en solución ya que se hidrata fácilmente, es decir, se enlaza rápidamente. ^{[ 2 ]} La IUPAC recomienda el ion hidrógeno como término general para todos los iones de hidrógeno y sus isótopos . ^{[ 3 ]} Dependiendo de la carga del ion, se pueden distinguir dos clases diferentes: iones con carga positiva (hidrones) e iones con carga negativa (hidruros).

Un átomo de hidrógeno está formado por un núcleo con carga +1 y un solo electrón. Por lo tanto, el único ion con carga positiva posible tiene carga +1. Se representa como H ⁺ .

Dependiendo del isótopo en cuestión, el catión hidrógeno recibe diferentes nombres:

• Hidrón : nombre general que se refiere al ion positivo de cualquier isótopo de hidrógeno (H ⁺ ).
• Protón : ¹ H ⁺ (es decir, el catión del protio )
• Deuterón : ² H ⁺ , D ⁺
• Tritón : ³ H ⁺ , T ⁺

Además, los iones producidos por la reacción de estos cationes con el agua, así como sus hidratos, se denominan iones hidrógeno:

• Ion hidronio : H ₃ O ⁺
• Catión de Zundel _: H₅O⁺² ( nombrado en honor a Georg Zundel )
• Catión de Eigen : H ₉ O + 4 (o H ₃ O ⁺ · 3H ₂ O ) (nombrado en honor a Manfred Eigen )

Los cationes de Zundel y los cationes de Eigen desempeñan un papel importante en la difusión de protones según el mecanismo de Grotthuss .

En relación con los ácidos, "iones de hidrógeno" generalmente se refiere a los hidrones.

En la imagen de la izquierda, el átomo de hidrógeno (centro) contiene un protón y un electrón. La eliminación del electrón da lugar a un catión (izquierda), mientras que la adición de un electrón da lugar a un anión (derecha). El anión de hidrógeno, con su nube electrónica de dos electrones débilmente unida, tiene un radio mayor que el del átomo neutro, que a su vez es mucho mayor que el protón del catión. El hidrógeno forma el único catión que no tiene electrones, pero incluso los cationes que (a diferencia del hidrógeno) conservan uno o más electrones son más pequeños que los átomos o moléculas neutras de las que se derivan.

Los aniones de hidrógeno se forman cuando se adquieren electrones adicionales:

• Hidruro : nombre general que se refiere al ion negativo de cualquier isótopo de hidrógeno (H ⁻ ).
• Protida: ¹ H ⁻
• Deuteruro: ² H ⁻ , D ⁻
• Tritida: ³ H ⁻ , T ⁻

Los iones de hidrógeno impulsan la ATP sintasa en la fotosíntesis . Esto ocurre cuando los iones de hidrógeno atraviesan la membrana, creando una alta concentración dentro de la membrana tilacoide y una baja concentración en el citoplasma. Sin embargo, debido a la ósmosis, los H ⁺ se fuerzan a salir de la membrana a través de la ATP sintasa. Utilizando su energía cinética para escapar, los protones hacen girar la ATP sintasa, lo que a su vez genera ATP . Esto también sucede en la respiración celular , aunque la membrana concentrada es la membrana interna de la mitocondria .

La concentración de iones de hidrógeno, medida como pH, también determina la acidez o basicidad de un compuesto. Las moléculas de agua se disocian para formar iones H ⁺ e iones hidróxido. Este proceso se conoce como autoionización del agua .

La concentración de iones hidrógeno y el pH son inversamente proporcionales; en una solución acuosa, una mayor concentración de iones hidrógeno produce un pH bajo y, por consiguiente, un producto ácido. Por definición, un ácido es un ion o molécula que puede donar un protón, y cuando se introduce en una solución, reacciona con las moléculas de agua (H₂O ⁾ _para formar un ion hidronio (H₃O⁺ ₎ , un ácido conjugado del agua. ^{[ 4 ]} Para simplificar, el ion hidrógeno (H⁺ ⁾ se usa a menudo como abreviatura del ion hidronio.

La acidificación oceánica es consecuencia directa de las elevadas concentraciones de iones de hidrógeno y la saturación de carbonatos por la absorción significativa de dióxido de carbono (CO₂ ₎ por los océanos del mundo. ^{[ 5 ]} El estado preindustrial de la química de carbonatos del océano ha sido notablemente estable, incluido el equilibrio de su pH. ^{[ 6 ]} Tras la revolución industrial, las emisiones antropogénicas de la quema de combustibles fósiles , la producción de cemento y los cambios en el uso de la tierra han aumentado la absorción de dióxido de carbono de la atmósfera por los océanos en un 30%. ^{[ 7 ]} En el océano, la capacidad de absorción de este gas de efecto invernadero es 59 veces mayor que en la atmósfera; ^{[ 8 ]} el océano actúa como el mayor sumidero de carbono del planeta, desempeñando un papel significativo en la regulación del clima. ^{[ 9 ]} Además de los flujos de carbono, el proceso natural de secuestro de carbono de la atmósfera en el océano profundo se ve facilitado por dos sistemas: la bomba biológica y la bomba de solubilidad. La bomba de solubilidad es un proceso fisicoquímico que transfiere CO₂ _en la interfaz aire-mar. ^{[ 10 ]} Según la Ley de Henry, la cantidad de CO ₂ disuelto en una solución acuosa es directamente proporcional a la presión parcial de CO ₂ en la atmósfera. ^{[ 11 ]} Para mantener el equilibrio, un estado de alta presión parcial atmosférica de CO ₂ conduce a un mayor intercambio oceánico de este gas por difusión molecular.

En las aguas superficiales, el dióxido de carbono atmosférico disuelto (CO₂ _(aq) ) reacciona con las moléculas de agua para formar ácido carbónico (H₂CO₃ ₎ , un ácido diprótico _débil . Los ácidos dipróticos constan de dos átomos de hidrógeno ionizables en cada molécula. En una solución acuosa, la disociación parcial del ácido carbónico libera un protón de hidrógeno (H⁺ ⁾ y un ion bicarbonato ( HCO₃⁻ ) , y posteriormente, el ion bicarbonato se disocia en un protón de hidrógeno adicional y un ion carbonato ( CO₃²⁻ ) . [ ^{4 ] La} disolución y disociación de estas especies de carbono inorgánico genera un aumento en la concentración de iones hidrógeno e inversamente disminuye el pH ambiental de la superficie oceánica. El sistema amortiguador de carbonato regula la acidez del agua de mar al mantener las especies de carbono inorgánico disueltas en equilibrio químico.

La ecuación química consta de reactivos y productos que pueden reaccionar en cualquier dirección. Más reactivos añadidos a un sistema producen más producto (la reacción química se desplaza hacia la derecha) y si se añade más producto, se formarán reactivos adicionales, desplazando la reacción química hacia la izquierda. Por lo tanto, en este modelo, una alta concentración del reactivo inicial, dióxido de carbono, produce una mayor cantidad de producto final (H ⁺ y CO2−3 ), lo que reduce el pH y crea una solución más ácida. El sistema de amortiguación natural del océano resiste el cambio de pH produciendo más iones bicarbonato generados por protones ácidos libres que reaccionan con iones carbonato para formar un carácter alcalino. [ ^{12 ] Sin} embargo, el aumento de las concentraciones atmosféricas de CO2 _puede superar el umbral de capacidad de amortiguación, lo que resulta en mayores tasas de acidificación del océano. Los cambios en la química del carbonato del océano tienen el potencial de manipular los ciclos biogeoquímicos del océano para muchos elementos y compuestos causando profundos impactos en los ecosistemas marinos. Además, la solubilidad del CO2 _depende de la temperatura; Las temperaturas elevadas de la superficie del agua reducen la solubilidad del CO₂ _. Un aumento continuo de la presión parcial atmosférica de CO₂ _podría convertir al océano, pasando de actuar como sumidero (transporte vertical de carbono a las profundidades del océano) a convertirse en una fuente (desgasificación de CO₂ _del océano), lo que incrementaría aún más las temperaturas globales. ^{[ 13 ]}

• Ácido
• Protonación
• catión dihidrógeno
• catión trihidrógeno