Hydratation

Hydratation und Hydrathüllen

Die Hydrathülle, die bei der Hydratation unmittelbar um die Ionen entsteht, wird als erste Sphäre bezeichnet. Durch Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Molekülen des Wassers ist es möglich, dass sich eine zweite Sphäre, also eine zweite Hydrathülle, um die Erste formt. Dieses Phänomen tritt vermehrt bei kleineren Ionen auf.

Die erste Hydrathülle, die bei der Hydratisierung entsteht, besteht gewöhnlich aus vier oder sechs Wassermolekülen.

Hydratation von Ionen

Die Hydratation von Ionen und die Entstehung von Hydrathüllen wird durch den Dipolcharakter von Wasser ermöglicht. Wasser besteht aus partiell positiv geladenen Wasserstoffteilchen und einem partiell negativ geladenen Sauerstoffteilchen. Durch die größere Elektronegativität des Sauerstoffteilchens in Wasser kommt dies zustande.

Während der Hydratisierung von Ionen richten sich die partiell positiv geladenen Wasserstoffteilchen des Wassers zu den Anionen, welche negativ geladen sind. Das partiell negativ geladene Sauerstoffteilchen des Wassers richtet sich zu den Kationen, die positiv geladen sind, aus. Denn positive und negative Ladungen ziehen einander an. Es kommt zu elektrostatischen Kräften, eine Ion-Dipol-Wechselwirkung bildet sich aus. Es findet eine Hydratation statt und Hydrathüllen um die Ionen entstehen.

Hydratation und Hydratationsenergie

Wenn Ionen oder polare Substanzen von Wasser hydratisiert werden, wird Energie freigesetzt. Diese Energie wird Hydratationsenergie genannt. Die Menge an Energie, die während der Hydratisierung frei wird, ist abhängig von der Größe und Ladung der Ionen.

Die Größe von Ionen wird durch den Ionenradius bestimmt. Bei gleicher Ionenladung ist die Hydratationsenergie bei dem Ion mit dem kleineren Ionenradius größer. Wegen des kleineren Ionenradius ist die Ladung des Ions konzentrierter und es lagern sich bei der Hydratation mehr Wassermoleküle an. Dies führt zu einer größeren Hydratationsenergie.

Ein weiterer Faktor, der die Hydratationsenergie mitbestimmt, ist die Ladung der Ionen. Sind Ionen mehrfach geladen, ist die Hydratationsenergie größer als bei einfach geladenen Ionen. Bei einer größeren Ladung der Ionen läuft eine Anlagerung von mehr Wassermolekülen ab.

Hydratation – Das Lösen von Salzen in Wasser

Die Hydratation und das Zustandekommen von Hydrathüllen spielen primär beim Lösen von Salzen in Wasser eine Rolle.

Dissoziation von Salzen in Wasser

Wird ein Salz in Wasser gegeben, werden die Salzkristalle anfangs von Wassermolekülen umgeben. Das Wasser adsorbiert sich an das Ionengitter des Salzes. Es bilden sich Ion-Dipol-Wechselwirkungen zwischen den Wassermolekülen und den Ionen im Salzkristall aus. Schließlich werden am Rand einzelne Ionen durch das Wasser aus dem Ionengitter herausgelöst. Das Salz ist im Wasser dissoziiert.

Hydratation Salze

Die vom Wasser herausgelösten Ionen werden schließlich hydratisiert. Es kommt zu einer Anlagerung des Wassers an die Ionen des Salzes und es bilden sich Hydrathüllen. Die gebildeten Hydrathüllen schwächen die Anziehungskräfte zwischen den Ionen des Salzes. Die Anziehungskräfte lassen durch die Hydratation immer mehr nach, sodass sich das Salz schließlich im Wasser löst. Das Salz liegt nun im Wasser hydratisiert vor. Es hat eine Hydratation stattgefunden und Hydrathüllen wurden gebildet.

Beispiel zur Hydratation und Hydrathülle

Das Lösen eines Salzes in Wasser und dessen Hydratation wird nun anhand eines Beispiels veranschaulicht. Für das Beispiel zur Hydratation wird normales Kochsalz (NaCl) verwendet. Chemisch ausgedrückt: Es wird Natriumchlorid verwendet. Dieses wird in Wasser gelöst und eine Hydratation ereignet sich.

Die Wassermoleküle lagern sich an das Ionengitter an. Elektrostatische Kräfte zwischen den Wassermolekülen und den Ionen des Ionengitters finden statt. Diese Ion-Dipol-Wechselwirkungen bewirken, dass einzelne Natrium- oder Chloridionen vom Wasser aus dem Ionengitter am Rand herausgelöst werden.

An den herausgelösten Ionen kommt es zu einer Anlagerung der Wassermoleküle und es bildet sich eine Hydrathülle um diese. Dabei richten sich die partiell positiven Wasserstoffteilchen des Wassers zu den negativ geladenen Chloridionen aus und der partiell negativ geladene Sauerstoff zu den positiv geladenen Natriumionen.

Durch die gebildeten Hydrathüllen um die Chlorid- und Natriumionen werden die Anziehungskräfte zwischen den Natrium- und Chloridteilchen immer kleiner. Das Ionengitter löst sich nach und nach auf. Somit sind die Natrium- und Chloridionen dissoziiert und wurden hydratisiert. Das Salz löst sich im Wasser, eine Hydrathülle wurde gebildet und eine Hydratation kam zustande.

In Wasser gelöste und hydratisierte Ionen werden in chemischen Reaktionsgleichungen wie folgt geschrieben:

${\mathrm{NaCl}}_{\left(\mathrm{s}\right)}\stackrel{{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}}{\to }{{\mathrm{Na}}^{+}}_{(\mathrm{aq}.)}+{{\mathrm{Cl}}^{-}}_{(\mathrm{aq}.)}$

Natriumchlorid → Natriumionen + Chloridionen

In dieser Reaktionsgleichung ist ein tiefer gestelltes (s) hinter NaCl sowie ein tiefer gestelltes (aq.) jeweils hinter den Natrium- und Chloridionen erkennbar. Das s steht für solid, also fest, und aq. bedeutet „in Wasser gelöst“.

Hydratation Bedeutung

Die Hydratation hat chemisch gesehen vordergründig eine wichtige Bedeutung für die Wasserlöslichkeit von Salzen. Die Hydratations- und Gitterenergie bestimmen über die Wasser – genauer gesagt Wasserunlöslichkeit eines Salzes.

Während der Hydratation wird die Hydratationsenergie frei. Wenn die Hydratationsenergie die Gitterenergie des Salzes übersteigt, löst sich das Salz im Wasser. Ist die Hydratationsenergie sehr viel größer als die Gitterenergie, kann sich die Lösung auch erwärmen, da dann mehr Energie frei wird, als gebraucht wird. Das kann sich dann in Energieabgabe in Form von Wärme äußern.

Ist die Hydratationsenergie geringer als die Gitterenergie, ist das Salz in Wasser unlöslich oder die Lösung kühlt sich ab.

Hydratation Verwendung

Die Hydratation ist einer der beiden Hauptstabilisatoren des Holzes bei Pflanzen, sie schützt den Stoff vor zu rascher Vergröberung, hält ihn also in einem fein zerteiltem Zustand. In ihrer Form zwischen den Feststoffen ist die Hydratation zu verschiedenen Oberflächenreaktionen in der Lage, die auf der Oberfläche der Partikel lokalisiert sind. Diese sind äußerst vielfältig und tragen ebenfalls zur Stabilität, aber auch zur allgemeinen Wasserversorgung der Pflanze bei.

Die Hydratation ist außerdem wichtig aufgrund ihrer Fähigkeit, Salze in Wasser zu lösen. Dadurch kommen auch in der Natur Mineralien ins Trinkwasser, welche dadurch dann von Menschen, Pflanzen und Tieren aufgenommen werden können und so deren Überleben sichern.