水合氫離子

水（H₂O）的中心元素是O，O的最外層有6個電子，其中有一對在2s軌道，四個電子在2p軌道（其中一對電子在2px軌道，剩下兩個分別在2py和2pz），這裏面2py、2pz的那兩個電子分別與氫成鍵，剩下一對電子對空餘。

水合氫離子是H₃O⁺中，就是有一個H⁺與空餘的2px軌道中的電子對成鍵所構成的(這裏面氫核周圍沒有電子，氧把兩個電子都給H，形成配位鍵)，但不改變原來的sp3雜化。

實際上，水合氫離子在稀酸中進一步水合，以H₉O₄⁺(即H₃O⁺·3H₂O) ^[1]  形式存在，即三個H₂O的氧原子分別與H₃O⁺中的三個氫形成氫鍵。

很多強酸都可能形成相對穩定的水合氫離子鹽晶體。這些鹽有時被稱為酸的一水合物。通常，任何具有10⁹或更高的電離常數的酸都可以形成水合氫離子鹽。而電離常數小於10⁹的酸一般不能形成穩定的H₃O⁺鹽。

例如，鹽酸的電離常數為10⁷，在室温下與水的混合物是液態的。而高氯酸的電離常數為10¹⁰，如果液體無水高氯酸和水以1:1的摩爾比結合，則反應形成固體一水合高氯酸，即高氯酸的水合氫離子鹽：

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）

水合質子的結構問題一直是分析界的一大難題，質子在水中的狀態，並不是一般認為是H₃O⁺的結構或者H₅O₂⁺的結構，X射線衍射結果表明，存在的氫鍵並不是傳統意義上的O——H···O，而是O···H···O，後者擁有更短的O···O間距和更低的勢壘，使得質子可以輕易的在兩側勢井中移動，中間勢壘低，加上質子具有類似於電子透射勢壘的運動，使得質子被束縛在兩個氧之間，但是卻是非定域的。

由於它是堆成結構，中間勢壘低，在低振動態的情況下，分子就可以越過勢壘，就會有很高的透射率。因此常温下存在這種結構是可能的。

由於O⁺和N原子具有相同的電子數，因此H₃O⁺與NH₃的電子數相等，從H₃O⁺的球棍模型可以看出，其具有氧原子位於頂點的三角錐形分子構型，H-O-H的夾角大約為113^o，同時質心非常靠近氧原子 ^[1]  。因為金字塔的底部是由三個相同的氫原子組成的，H₃O⁺分子的對稱頂部結構屬於C3v點羣。因為這個對稱和它有偶極矩的事實，旋轉選擇規則是ΔJ=±1 和ΔK=0。過渡偶極子在c軸上，由於負電荷在氧原子附近，因此偶極矩指向頂點，垂直於基面。