Hidrógeno (química)

En química, el hidrón, informalmente llamado protón, es la forma catiónica del hidrógeno atómico, representado con el símbolo H⁺
. El término general "hidrón", aprobado por la IUPAC, abarca los cationes del hidrógeno independientemente del isótopo: por lo tanto, se refiere colectivamente a los protones (¹H⁺) para el isótopo protio, a los deuterones (²H⁺ o D⁺) para el isótopo deuterio y a los tritones (³H⁺ o T⁺) para el isótopo tritio.

A diferencia de la mayoría de los demás iones, el hidrón consiste únicamente en un núcleo atómico desnudo. La contraparte cargada negativamente del hidrón es el anión hidruro, H⁻
.

En igualdad de condiciones, los compuestos que donan fácilmente hidrones (ácidos de Brønsted, ver más abajo) son generalmente solutos polares e hidrófilos y suelen ser solubles en disolventes con una permitividad estática relativa elevada (constantes dieléctricas). Algunos ejemplos son los ácidos orgánicos como el ácido acético (CH₃COOH) o el ácido metanosulfónico (CH₃SO₃H). Sin embargo, las grandes porciones no polares de la molécula pueden atenuar estas propiedades. Así, como resultado de su cadena alquílica, el ácido octanoico (C₇H₁₅COOH) es considerablemente menos hidrófilo en comparación con el ácido acético.

El hidrón no solvatado (un núcleo atómico de hidrógeno completamente libre o "desnudo") no existe en la fase condensada (líquida o sólida). Como la intensidad del campo eléctrico de la superficie es inversa al radio, un núcleo diminuto interactúa miles de veces más fuertemente con los electrones cercanos que cualquier átomo parcialmente ionizado.

Aunque a veces se dice que los superácidos deben su extraordinario poder donador de hidrones a la presencia de "hidrones libres", tal afirmación es engañosa: incluso para una fuente de "hidrones libres" como H
₂F⁺
, uno de los cationes superácidos presentes en el ácido fluoroantimónico superácido (HF:SbF₅), desprendimiento de un H libre⁺
aún tiene una enorme pérdida energética del orden de varios cientos de kcal/mol. Esto descarta efectivamente la posibilidad de que el hidrón libre esté presente en solución. Por esta razón, en los ácidos fuertes líquidos, se cree que los hidrones se difunden mediante transferencia secuencial de una molécula a la siguiente a lo largo de una red de enlaces de hidrógeno a través de lo que se conoce como el mecanismo de Grotthuss.

El ion hidrón puede incorporar un par de electrones de una base de Lewis a la molécula por aducción:

[H]⁺
+:L → [HL]⁺

Debido a esta captura de la base de Lewis (L), el ion hidrón tiene carácter ácido de Lewis. En términos de la teoría de ácido-base duro/blando (HSAB), el hidrón desnudo es un ácido de Lewis infinitamente duro.

El hidrón desempeña un papel central en la teoría ácido-base de Brønsted-Lowry: una especie que se comporta como donante de hidrón en una reacción se conoce como ácido de Brønsted, mientras que la especie que acepta el hidrón se conoce como base de Brønsted. En la reacción ácido-base genérica que se muestra a continuación, HA es el ácido, mientras que B (mostrado con un par solitario) es la base:

HA +:B → [HB]⁺
+:A^–

La forma hidratada del catión hidrógeno, el ion hidronio (hidroxonio) H
₃O⁺
(aq), es un objeto clave de la definición de ácido de Arrhenius. Otras formas hidratadas, el catión Zundel H
₅O⁺
₂, que se forma a partir de un protón y dos moléculas de agua, y el catión Eigen H
_⁺
4, que se forma a partir de un ion hidronio y tres moléculas de agua, desempeña un papel importante en la difusión de protones a través de una solución acuosa según el mecanismo de Grotthuss. Aunque el ion H
₃O⁺
(aq) se muestra a menudo en libros de texto introductorios para enfatizar que el hidrón nunca está presente como una especie no solvatada en solución acuosa, es algo engañoso, ya que simplifica demasiado la especiación infamemente compleja del protón solvatado en agua; La notación H⁺
(aq) suele preferirse, ya que transmite solvatación acuosa sin comprometer la cantidad de moléculas de agua involucradas.

1. Proton, teniendo el símbolo p o ¹H⁺, es el +1 ión de protio, ¹H.
2. Deuteron, teniendo el símbolo ²H⁺ o D⁺, es el +1 ión de deuterio, ²H o D.
3. Triton, teniendo el símbolo ³H⁺ o T⁺, es el +1 ión de tritio, ³H o T.

Otros isótopos del hidrógeno son demasiado inestables para ser relevantes en química.

La IUPAC recomienda utilizar el término "hidrón" en lugar de "protón" si no se hace distinción entre los isótopos protón, deuterón y tritón, todos ellos presentes en mezclas de isótopos naturales. El nombre "protón" se refiere al isótopo puro ¹H⁺. Por otro lado, no se recomienda llamar al hidrón simplemente "ion hidrógeno", ya que también existen aniones de hidrógeno.

El término "hidrón" fue definido por la IUPAC en 1988. Tradicionalmente, el término "protón" se utilizó y se utiliza en lugar de "hidrón". El último término generalmente solo se utiliza en el contexto en el que las comparaciones entre los diversos isótopos del hidrógeno son importantes (como en el efecto isotópico cinético o el etiquetado isotópico del hidrógeno). De lo contrario, referirse a los hidrones como protones todavía se considera aceptable, por ejemplo, en términos como protonación, desprotonación, bomba de protones o canal de protones. La transferencia de H⁺
en una reacción ácido-base se suele denominar transferencia de protones. Los ácidos y las bases se denominan donantes y aceptores de protones, respectivamente.

El 99,9844% de los hidrones naturales (núcleos de hidrógeno) son protones, y el resto (unos 156 por millón en el agua del mar) son deuterones (véase deuterio), a excepción de algunos tritones naturales muy raros (véase tritio).

• Deprotonación
• Cation de dihidrogen
• Grupo de ión de hidrógeno
• Electron resolvado
• Superácido
• Cación de trihidrógeno