Die Worte „Stay hydrated“ (zu Deutsch: Bleib hydriert), hast Du in Deinem Leben bestimmt schon des Öfteren gehört. Das bedeutet einfach nur, dass Du viel trinken und Wasser in Deinem Körper ansammeln sollst. Diese Ansammlung von Wasser kann es aber nicht nur in Deinem Körper geben, sondern insgesamt bei Wassermolekülen.
Hydratation Definition
Hydratation beschreibt das Anlagern von Wassermolekülen an Ionen und polaren Verbindungen, die zur Bildung von Hydraten, genauer gesagt Hydrathüllen führt.
Synonyme für Hydratation sind die chemischen Begriffe Hydratisierung und Hydration.
Die Hydratation spielt eine wichtige Rolle beim Lösen von Substanzen in Wasser. Das Wasser fungiert hierbei als Lösungsmittel. Bei der Hydratation lagert sich das Wasser beispielsweise an die Ionen an. Dadurch werden Stoffe gelöst und können dadurch sogar vollständig ihren Aggregatzustand von fest zu flüssig ändern.
Zu beachten ist, dass es sich hierbei nicht um einen chemischen, sondern um einen physikalischen Vorgang handelt. Es findet während der Anlagerung von Wasser keine chemische Reaktion statt, sondern es liegt eine lockere Bindung zwischen den Wassermolekülen und Ionen aufgrund elektrostatischer Kräfte vor. Die vom Wasser hydratisierten Ionen werden auch Hydrate genannt.
Die elektrostatischen Kräfte, auch Ion-Dipol-Wechselwirkung genannt, bestehen daraus, dass das Sauerstoffion im Wasser eine gewisse Elektronegativität aufweist und somit partiell negativ geladen ist. Die Wasserstoffatome des Wassers sind hingegen partiell positiv geladen.
So ziehen sich die verschiedenen Enden des Wassers entweder mit den Wasserstoffatomen in Richtung eines Anions, also eines negativ geladenen Ions, oder mit dem Sauerstoffatom in Richtung eines Kations, also eines positiv geladenen Atoms. Und allein durch diese Anziehung der verschiedenen Ladungen besteht die Hydrathülle.
Die Hydratation ist dabei ein Spezialfall der Solvatation. Der chemische Begriff Solvatation ist allgemein gehalten und bezieht sich auf ein Lösungsmittel, welches sich an Ionen und polare Verbindungen sowie andere neutral geladenen Moleküle anlagert. Es werden sogenannte Solvate gebildet. Beispiele für solche Lösungsmittel sind die organische Verbindung Methanol oder Ammoniak. Hydratation ist somit eine Solvatation mit dem Lösungsmittel Wasser.
Der Vorgang, bei dem sich Wasser in Festkörpern einlagern und das sogenannte Kristallwasser bilden, wird auch als Hydratation bezeichnet. Ein Beispiel hierfür ist Natriumsulfat, bei dem sich pro Molekül 
zehn Moleküle Wasser als Kristallwasser einlagern. Chemisch wird dies wie folgt geschrieben: 
. Eine chemische Substanz, die Kristallwasser gebunden hat, wird Hydrat genannt.
Kristallwasser ist vereinfacht gesagt Wasser, welches in kristallinen Feststoffen gebunden ist. Die sieht dann aus wie ein ganz normaler Kristall, ist aber so gesehen hauptsächlich Wasser mit verschiedenen Salzen.
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.
Es kann sich also für die Hydratation gemerkt werden: Je kleiner ein Ion ist und je größer die Ionenladung ist, desto größer ist die Hydratationsenergie, die freigesetzt wird.
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.
Kochsalz besteht chemisch gesehen aus den positiv geladenen Natriumionen und negativ geladenen Chloridionen, die in einem Ionengitter angeordnet sind. Wenn das Natriumchlorid in Wasser gegeben wird, umgeben Wassermoleküle die Salzkristalle.
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:
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“.
Bedeutung Hydratation
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.
Verwendung der Hydratation
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.
Hydration – Das Wichtigste
Hydratation bezeichnet die Anlagerung von Wasser an Ionen und polaren Substanzen, die ein Hydrat ergeben.
Es ist ein physikalischer Vorgang, es findet keine chemische Reaktion bei der Hydratisierung statt.
Ion-Dipol-Wechselwirkungen zwischen den Ionen und Wassermolekülen spielen eine grundlegende Rolle für die Hydratation und Ausbildung von Hydrathüllen.
Während dem Lösen eines Salzes in Wasser dissoziieren die Ionen des Salzes und es kommt zu einer Hydratisierung.
Die Gitter- und Hydratationsenergie bestimmen, ob ein Salz wasserlöslich ist oder nicht.
Nachweise
- flexikon.doccheck.com: Hydratation (30.08.2022)
- E. Anibal Disalvo, ed. (2015). Membrane Hydration. Springer International Publishing.
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