Hydrathülle

Hydrathülle bezeichnet die Anordnung von Wassermolekülen in der Umgebung eines gelösten Ions oder eines polaren Moleküls in wässriger Lösung. Sie entsteht durch Ion-Dipol-Wechselwirkungen sowie durch Wasserstoffbrückenbindungen und dient der Solvatation, also der Stabilisierung des gelösten Teilchens in der Lösung.

Primäre Hydrathülle: In der ersten Hydrathülle befinden sich Wassermoleküle, die direkt an das Ion koordinieren. Die Koordinationszahl hängt von Größe und Ladung des Ions ab und variiert typischerweise zwischen etwa 4 und 8 Wassermolekülen. Der Abstand vom Ion zum Sauerstoff der benachbarten Wasserstoffbrücke liegt in der Regel im Bereich von etwa 2,0 bis 2,5 Å, je nach Ion. Kleinere, hoch geladene Ionen weisen stärkere Bindungen auf und zeigen dichter koordinierte Hydrathüllen, während größere Ionen eine lockerere Anordnung aufweisen können.

Sekundäre Hydrathülle: Jenseits der ersten Koordinationsschicht lagern sich weitere Wassermoleküle in der zweiten Hydrathülle an. Diese Schicht ist nicht direkt an das Ion gebunden, wird aber stark vom elektrischen Feld des Ions beeinflusst und bleibt dennoch hydriert. Ihre Wassermoleküle tauschen regelmäßig mit der umgebenden Lösung aus und bildet so eine dynamische Umgebung.

Bedeutung: Hydrathüllen beeinflussen Solvatationsenergie, Reaktivität, Diffusion und Transportprozesse in chemischen, biologischen und geochemischen Systemen. Sie spielen eine zentrale Rolle in elektrochemischen Zellen, Membranen und enzymatischen Reaktionen, wo das Solvatationsumfeld Reaktionspfade und Kinetik mitbestimmt.

Methoden: Hydrathüllen werden durch Spektroskopie, Röntgen- und Neutronenstreuung sowie durch Molekulardynamik-Simulationen untersucht, die Einblicke in Struktur, Dynamik und Wechselwirkungen geben.