水合氢离子

水合质子的结构问题一直是分析界的一大难题，质子在水中的状态，并不是一般认为是H₃O 的结构或者H₅O₂ 的结构，X射线衍射结果表明，存在的氢键并不是传统意义上的O——H···O，而是O···H···O，后者拥有更短的O···O间距和更低的势垒，使得质子可以轻易的在两侧势井中移动，中间势垒低，加上质子具有类似于电子透射势垒的运动，使得质子被束缚在两个氧之间，但是却是非定域的。

由于它是堆成结构，中间势垒低，在低振动态的情况下，分子就可以越过势垒，就会有很高的透射率。因此常温下存在这种结构是可能的。

由于O 和N原子具有相同的电子数，因此H₃O 与NH₃的电子数相等，从H₃O 的球棍模型可以看出，其具有氧原子位于顶点的三角锥形分子构型，H-O-H的夹角大约为113^o，同时质心非常靠近氧原子 。因为金字塔的底部是由三个相同的氢原子组成的，H₃O 分子的对称顶部结构属于C3v点群。因为这个对称和它有偶极矩的事实，旋转选择规则是ΔJ=±1 和ΔK=0。过渡偶极子在c轴上，由于负电荷在氧原子附近，因此偶极矩指向顶点，垂直于基面。

很多强酸都可能形成相对稳定的水合氢离子盐晶体。这些盐有时被称为酸的一水合物。通常，任何具有10⁹或更高的电离常数的酸都可以形成水合氢离子盐。而电离常数小于10⁹的酸一般不能形成稳定的H₃O 盐。

例如，盐酸的电离常数为10⁷，在室温下与水的混合物是液态的。而高氯酸的电离常数为10¹⁰，如果液体无水高氯酸和水以1:1的摩尔比结合，则反应形成固体一水合高氯酸，即高氯酸的水合氢离子盐：

H₂O HClO₄=H₃O ·ClO₄^-

也有很多的含有水合的H₃O 的例子，例如HCl·2H₂O中含有H₅O₂ （H₃O ·H₂O）,HBr·4H₂O中含有H₇O₃ （H₃O ·2H₂O）和H₉O₄ （H₃O ·3H₂O）

氢离子浓度与溶液的pH

常温下，稀溶液中氢离子的浓度和氢氧根离子浓度的积（即离子积）总是1.0×10^-14。我们用氢离子的负对数表示溶液酸碱度，即pH。

所以纯水的pH=-lg10^-7=7.0。酸性溶液的氢离子浓度毫无疑问总是大于1.0×10^-7mol/L，而碱性溶液的氢离子浓度总是小于1.0×10^-7mol/L。所以规定酸性溶液pH<7，碱性溶液pH>7，中性溶液pH=7。

值得注意的是，溶液的pH值不总是在0-14之间，有时会出现大于14的值或是负值。而我们的广泛pH试纸通常只能测试pH值处在0-14之间的溶液，并且只能取整数。而pH计则可以测出小数。

水合过程在有机化工中的最早应用是1913年在德国用乙炔水合制乙醛。当前在工业中的主要应用有以下四方面：

①烯烃水合　制备醇类的重要方法，在工业上得到广泛应用的是乙烯水合制乙醇以及丙烯水合制异丙醇：

根据马尔科夫尼科夫规则,只有乙烯水合可生成伯醇,其他烯烃水合均只能生成仲醇或叔醇。烯烃水合有直接水合和间接水合两种方法。间接水合法是先用硫酸吸收烯烃成为硫酸酯，后者再进行水解。这是较老的生产方法，现已为直接水合法所取代。直接水合法采用酸性催化剂（见酸碱催化剂），如用载于硅藻土上的磷酸催化剂、氧化钨、磷钨酸以及强酸性离子交换树脂等。烯烃水合是放热反应，温度低对平衡有利，但温度的选定主要决定于催化剂的活性（见催化活性）。升高压力能提高平衡转化率，但以不致使气相中的水蒸气在催化剂表面凝结为限。

②环氧化合物水合　这是制取二元醇的重要方法，主要是环氧乙烷水合制乙二醇，以及环氧丙烷水合制丙二醇：

用硫酸为催化剂时反应可在常压下进行，在加压下可以不用催化剂。

③腈的水合　这是工业上制取酰胺的重要方法，如丙烯腈水合制丙烯酰胺：最好的催化剂是骨架铜催化剂（见金属催化剂），又开发了生物催化剂。

④炔烃水合　主要是乙炔水合制乙醛：

C2H2 H2O─→CH3CHO

氢离子在溶液中的形成

通常由酸在水中电离产生。一些酸式盐在电离时也能直接形成氢离子，如硫酸氢钠；水自身也会电离出极少量的氢离子和氢氧根离子（严格地说式子不能写成H₂O=H OH^-，因为氢离子极易被其他水分子吸引，因此严格的式子应该是2H₂O=H₃O OH^- ，但是在一定情况下可以写为H₂O=H OH^-）。某些强酸弱碱盐在电离时虽然不直接生成氢离子，但是会电离出一些能让水中少量氢氧根离子转化为沉淀或气体的阳离子，从而使水中氢离子数目增多，如硫酸铜、硫酸铵等。