Hydratationsenergie

Hydratationsenergie, auch Hydrationenthalpie genannt, bezeichnet die Enthalpieänderung, die entsteht, wenn gasförmige Ionen in Wasser solvatisiert werden, also in Wasser gelöst werden, um gelöste Ionen zu bilden. Sie wird pro Mol Ion angegeben und ist typischerweise negativ, da die Hydration exotherm ist und Wärme freigesetzt wird.

In der Chemie gehört sie zu den Solvatationsenthalpien. Im Rahmen von Lösungsprozessen lässt sich die Gesamtenthalpie einer Lösung eines Salzes über den Born-Haber-Zyklus abschätzen: Die Gitterenthalpie ist positiv (Energie muss aufgewandt werden), während die Hydratationsenergien der Kationen und Anionen negativ sind. Die Lösungsenthalpie ΔH_soln ergibt sich aus ΔH_soln = ΔH_gitter + ΔH_hydration(K⁺) + ΔH_hydration(X⁻). Liegt die Summe der Hydratationsenergien in größerem Betrag als die Gitterenthalpie, wird die Lösung exotherm.

Die Hydratationsenergie hängt stark von der Ladung und dem Radius des Ions ab. Generell hydratisieren kleinere, stärker geladene Ionen energetisch intensiver (größere negative Werte). Monovalente Ionen wie Na⁺ oder Cl⁻ liegen typischerweise im Bereich von einigen hundert Kilojoule pro Mol, während divalente Ionen wie Ca²⁺ deutlich größere Werte im Bereich von über tausend Kilojoule pro Mol aufweisen. Unterschiede zwischen Kationen und Anionen entstehen aus Unterschieden in Größe, Struktur der Hydrationshüllen und Wasserorientierung.

Die Hydratationsenergie ist temperaturabhängig: Mit steigender Temperatur nimmt der Betrag der Hydratationsenergie tendenziell ab. Ihre Kenntnis ist wichtig für Vorhersagen von Löslichkeiten, Ionenmobilität, pH- und Reaktionskinetik in Biologie, Umweltchemie und Geochemie.

Messmethoden umfassen Kalorimetrie und Gasphasensysteme, ergänzt durch theoretische Berechnungen und Modelle.