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 D3h. 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+       [ ΔHr° = -422,3 kJ/mol (-4,377 eV); ΔGr° = -394,7 kJ/mol (-4,090 eV) ]

(qui ΔHr° e ΔGr°, 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       [ ΔHr° = (-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.

Note

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

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