H3O+: sự hình thành ion hydronium từ H2O và H+

Trả lời nhanh

Ion H⁺ không có electron nhưng còn orbital 1s trống, còn nguyên tử O trong H₂O có hai cặp electron chưa liên kết. O đưa ra một cặp electron dùng chung với H⁺, tạo liên kết cho – nhận O → H. Phương trình: H₂O + H⁺ → H₃O⁺. Ba liên kết O–H trong ion là tương đương nhau.

Điều kiện để tạo liên kết cho – nhận

Liên kết cho – nhận là liên kết cộng hoá trị mà cặp electron dùng chung chỉ do một nguyên tử đóng góp. Muốn có loại liên kết này cần hai điều kiện:

Bên cho: còn cặp electron chưa liên kết (cặp electron hoá trị riêng).
Bên nhận: còn orbital trống để nhận cặp electron đó.

Với H₂O và H⁺, cả hai điều kiện đều thoả mãn, nên phản ứng xảy ra rất dễ.

Phân tích từng bước

Bước 1: Xét phân tử H₂O

Nguyên tử O có 6 electron hoá trị. Hai electron độc thân dùng để tạo 2 liên kết O–H, còn lại 4 electron ghép thành 2 cặp electron chưa liên kết. Đây chính là “kho” để O đi cho.

Bước 2: Xét ion H⁺

Nguyên tử H có cấu hình 1s¹. Khi mất 1 electron thành H⁺, orbital 1s hoàn toàn trống, sẵn sàng nhận một cặp electron.

Bước 3: Tạo liên kết

Một cặp electron chưa liên kết của O xen phủ với orbital 1s trống của H⁺. Cặp electron này trở thành cặp dùng chung giữa O và H, ta có liên kết O → H (mũi tên chỉ chiều từ bên cho sang bên nhận).

Sơ đồ H2O nhận H+ tạo ion H3O+ bằng liên kết cho – nhận — Một cặp electron chưa liên kết của O dùng chung với H+ tạo liên kết cho – nhận, hình thành H3O+.

Bước 4: Kết quả

Trong H₃O⁺, nguyên tử O có 3 liên kết O–H và còn 1 cặp electron chưa liên kết.
Ion mang điện tích 1+ (điện tích này thuộc cả ion, không chỉ riêng H vừa gắn vào).
Khi đã hình thành, ba liên kết O–H giống hệt nhau về độ dài và độ bền, không còn phân biệt đâu là liên kết “cho – nhận”.
Do O còn 1 cặp electron chưa liên kết và có 3 liên kết, ion có dạng hình chóp tam giác.

Vì sao H⁺ trong nước luôn là H₃O⁺?

Ion H⁺ chỉ là một proton, kích thước rất nhỏ nên điện tích tập trung rất mạnh. Nó không thể tồn tại tự do trong nước mà bị phân tử H₂O hút ngay. Vì thế khi viết “H⁺” trong dung dịch axit, thực chất ta viết gọn của H₃O⁺.

Ví dụ khi hoà tan khí hiđro clorua vào nước:

HCl + H₂O → H₃O⁺ + Cl⁻

Phân tử H₂O nhận proton của HCl bằng chính liên kết cho – nhận vừa nêu. Nhờ có H₃O⁺ mà dung dịch có tính axit, làm quỳ tím hoá đỏ.

Mẹo nhớ và lỗi hay gặp

Mẹo: “Có cặp thì cho, có ô trống thì nhận”. H₂O có cặp, H⁺ có ô trống.
Lỗi 1: Cho rằng H⁺ cho electron. Sai, H⁺ không còn electron nào, nó là bên nhận.
Lỗi 2: Viết sai điện tích, ví dụ H₃O hoặc H₃O⁻. Ion này mang điện tích dương.
Lỗi 3: Quên vẽ cặp electron chưa liên kết còn lại trên O trong công thức electron của H₃O⁺.
Lỗi 4: Nghĩ rằng liên kết thứ ba yếu hơn hai liên kết còn lại. Thực tế ba liên kết O–H như nhau.

Bài luyện tập

Bài 1. Ion amoni NH₄⁺ hình thành từ NH₃ và H⁺ như thế nào?

Đáp án: Nguyên tử N trong NH₃ có 1 cặp electron chưa liên kết, dùng chung với orbital 1s trống của H⁺ tạo liên kết cho – nhận N → H: NH₃ + H⁺ → NH₄⁺. Bốn liên kết N–H trong ion tương đương nhau.

Bài 2. Trong các phân tử CH₄, NH₃, H₂O, phân tử nào có thể kết hợp với H⁺ bằng liên kết cho – nhận?

Đáp án: NH₃ (N có 1 cặp electron chưa liên kết) và H₂O (O có 2 cặp). CH₄ không có cặp electron chưa liên kết nên không tạo được liên kết cho – nhận với H⁺.

Bài 3. Sau khi tạo H₃O⁺, nguyên tử O còn bao nhiêu cặp electron chưa liên kết?

Đáp án: Còn 1 cặp (ban đầu 2 cặp, đã dùng 1 cặp cho liên kết cho – nhận).

Tóm tắt

H₂O là bên cho (2 cặp electron chưa liên kết), H⁺ là bên nhận (orbital 1s trống).
H₂O + H⁺ → H₃O⁺, hình thành bằng liên kết cho – nhận.
H₃O⁺ là dạng tồn tại thực của H⁺ trong dung dịch nước, quyết định tính axit.

Câu hỏi thường gặp

Ion hydronium H3O+ là gì?

Là ion dương gồm một nguyên tử O liên kết với 3 nguyên tử H, hình thành khi phân tử H2O nhận một proton H+ bằng liên kết cho – nhận. Đây là dạng tồn tại thực của H+ trong dung dịch nước.

Trong sự hình thành H3O+, chất nào là bên cho, bên nhận cặp electron?

H2O là bên cho vì nguyên tử O còn cặp electron chưa liên kết. Ion H+ là bên nhận vì còn orbital 1s trống.

Ba liên kết O–H trong H3O+ có khác nhau không?

Không. Dù một liên kết được tạo bằng cách cho – nhận, sau khi hình thành cả ba liên kết O–H đều giống nhau về độ dài và độ bền.

Vì sao viết H+ trong dung dịch axit là cách viết gọn của H3O+?

Proton H+ có kích thước rất nhỏ nên bị phân tử nước hút ngay, không tồn tại tự do. Vì vậy trong nước nó luôn ở dạng H3O+.