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Hydratation: Hydrathülle einfach erklärt
Bei der Hydratation lagern sich Wassermoleküle an gelöste Ionen oder polare Moleküle an. Um ein Ion entsteht dabei eine Hydrathülle. Ihre Ausrichtung lässt sich aus den Teilladungen des Wassermoleküls erklären.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Warum kann Wasser Ionen umgeben?
Ein Wassermolekül ist ein Dipol: Sauerstoff zieht die Bindungselektronen stärker an als Wasserstoff. Deshalb trägt die Sauerstoffseite eine negative Teilladung und die Wasserstoffseite positive Teilladungen. Das Molekül ist insgesamt trotzdem ungeladen.
Ion-Dipol-Wechselwirkung
Die elektrostatische Anziehung zwischen einem geladenen Ion und den Teilladungen eines polaren Moleküls heißt Ion-Dipol-Wechselwirkung. Sie hält Wassermoleküle in der Umgebung eines gelösten Ions.
Die Ausrichtung folgt der Regel „Entgegengesetzte Ladungen ziehen sich an“:
- Bei einem positiven Kation zeigt die negativ polarisierte Sauerstoffseite nach innen.
- Bei einem negativen Anion zeigen die positiv polarisierten Wasserstoffseiten nach innen.
Beim Natriumion Na⁺ richten sich die Sauerstoffseiten der Wassermoleküle zum Ion. Beim Chloridion Cl⁻ zeigen dagegen die Wasserstoffseiten zum Ion. Die geordnete Umgebung aus Wassermolekülen ist jeweils die Hydrathülle.
Was geschieht beim Lösen eines Salzes?
Beim Salzlösen laufen zwei unterscheidbare Teilprozesse ab:
- Bei der Dissoziation wird das Ionengitter getrennt. Kationen und Anionen liegen danach nicht mehr an ihren festen Gitterplätzen.
- Bei der Hydratation richten sich Wassermoleküle um die getrennten Ionen aus und bilden Hydrathüllen.
Für Natriumchlorid kann man den gelösten Zustand vereinfacht so schreiben:
NaCl(s) → Na⁺(aq) + Cl⁻(aq)
(s) bezeichnet den festen Stoff. (aq) zeigt an, dass ein Teilchen in wässriger Lösung hydratisiert vorliegt. Die genaue Zahl der Wassermoleküle in der Hydrathülle steht in einer solchen Gleichung gewöhnlich nicht dabei.
Dissoziation trennt die Ionen; Hydratation umgibt sie mit Wasser. Beide Vorgänge gehören zum Lösen eines Salzes, bedeuten aber nicht dasselbe.
Die hydratisierten Ionen können sich in der Lösung bewegen. Deshalb kann eine Salzlösung elektrischen Strom durch Ionenbewegung leiten. Im festen Ionengitter sind die Ionen dagegen an ihre Plätze gebunden. Das ist keine Elektronenleitung wie in einem Metall.
Wovon hängt die Stärke der Hydratation ab?
Wie stark ein Ion Wasser anzieht, hängt vor allem von seiner Ladung und seinem Radius ab.
- Bei gleicher Ladung bindet ein kleineres Ion Wasser meist stärker. Seine Ladung wirkt auf kleinerem Raum konzentriert.
- Bei ähnlicher Größe zieht ein höher geladenes Ion Wasser meist stärker an als ein einfach geladenes Ion.
Die erste, enger gebundene Umgebung enthält häufig vier oder sechs Wassermoleküle. Das ist keine starre Zahl: Ionengröße, Ladung und Temperatur beeinflussen die Anordnung; weitere Wassermoleküle können sich lockerer anschließen.
Vertiefung: Hydratationsenthalpie
Bei der Bildung der Ion-Dipol-Wechselwirkungen wird Energie frei. Die Hydratationsenthalpie ist deshalb negativ; der Vorgang ist exotherm. „Stärkere Hydratation“ bedeutet hier: Der Wert ist stärker negativ und sein Betrag ist größer.
| Ion | Ionenradius in nm | Hydratationsenthalpie in kJ·mol⁻¹ |
|---|---|---|
Li⁺ | 0,060 | −508 |
Na⁺ | 0,095 | −398 |
K⁺ | 0,133 | −308 |
Mg²⁺ | 0,065 | −1908 |
Ca²⁺ | 0,097 | −1577 |
Innerhalb der gleich geladenen Reihen passt das Muster: Das kleinere Li⁺ wird stärker hydratisiert als Na⁺ und K⁺; das kleinere Mg²⁺ stärker als Ca²⁺. Vergleiche dafür die Beträge der negativen Werte, nicht nur das Vorzeichen.
Welche ähnlichen Begriffe musst du unterscheiden?
Solvatation
Solvatation ist der allgemeine Begriff für die Anlagerung von Lösungsmittelmolekülen an gelöste Teilchen. Ist Wasser das Lösungsmittel, heißt dieser Spezialfall Hydratation.
Der Begriff Hydratation wird je nach Zusammenhang außerdem weiter verwendet:
- Kristallwasser: Wasser kann fester Bestandteil einer Kristallstruktur sein. Dieses Wasser sitzt an bestimmten Gitterplätzen.
- Organische Reaktion: Bei der Hydratisierung einer C=C-Doppelbindung wird Wasser chemisch addiert; dabei kann ein Alkohol entstehen.
- Bauchemie: Bei der Zementhydratation reagieren Zementbestandteile mit Wasser und das Material erhärtet.
Diese Bedeutungen haben Wasser gemeinsam, beschreiben aber nicht alle nur eine Hydrathülle um ein gelöstes Ion. Achte deshalb immer auf den chemischen Zusammenhang.
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Wasser ist ein . Zum Kation zeigt die mit negativer Teilladung. Das Kürzel (aq) kennzeichnet ein Teilchen in wässriger Lösung. Die Trennung eines Ionengitters in Ionen heißt .
(aq) beschreibt den wässrig hydratisierten Zustand; Dissoziation bezeichnet dagegen die Trennung des Ionengitters.(aq) beschreibt den wässrig hydratisierten Zustand; Dissoziation bezeichnet dagegen die Trennung des Ionengitters.Eine Hydrathülle ist keine feste Schale mit stets gleicher Molekülzahl. Wassermoleküle bewegen und ordnen sich fortlaufend neu. Darum kennzeichnet (aq) den Zustand, ohne eine feste Zahl von Wassermolekülen anzugeben.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Hydratation
- Ursache: polarer Aufbau des Wassers
- Ion-Dipol-Wechselwirkung
- Ausrichtung
- Sauerstoff zu Kationen
- Wasserstoff zu Anionen
- Ergebnis: Hydrathülle
- Kennzeichnung `(aq)`
- Einflussgrößen
- Ionenradius
- Ionenladung
- Temperatur und Umgebung
- Abgrenzung
- Dissoziation trennt das Ionengitter
- Solvatation ist der Oberbegriff
- Ursache: polarer Aufbau des Wassers
Abschluss-Check
Du kannst Hydratation nun als Folge der Wasserpolarität erklären, vom Trennen des Ionengitters unterscheiden und die Stärke der Wasserbindung anhand von Ladung und Radius abschätzen.