Hydrationshüllen

Hydrationshüllen bezeichnet die Schichten von Wassermolekülen, die ein in Lösung befindliches Teilchen umgeben. Sie entstehen durch Wasserstoffbrückenbindungen und koordinative Wechselwirkungen zwischen dem Solvanden und den Wassermolekülen und beeinflussen Stabilität, Mobilität und Reaktivität der gelösten Spezies.

Die erste Hydrationsschicht besteht aus den Wassermolekülen, die direkt an das Ion oder Molekül gebunden sind. Die Koordination hängt von Ladung, Größe und Form des Solvanden ab; typischerweise liegen Koordinationszahlen im Bereich von vier bis acht vor. Kleinere, stärker geladene Ionen wie Li+, Mg2+ weisen engere Bindungen auf, während größere Ionen wie K+ eine lockerere Hydration zeigen. Jenseits dieser ersten Schicht befinden sich weitere Hydrationsschichten, deren Struktur dem umgebenden Wasser ähnelt, aber durch das zentrale Solvanden beeinflusst wird.

Die Hydrationshülle ist dynamisch. Wassermoleküle der ersten Schicht tauschen kontinuierlich mit dem umgebenden Wasser aus, wobei die Austauschzeiten je nach Ion und Umwelt von Pikosekunden bis Nanosekunden reichen. Die Struktur der Hüllen beeinflusst Diffusion, Reaktionskinetik und die energetischen Barrieren chemischer Prozesse am Solvanden.

Die Hydrationshüllen werden experimentell und computational analysiert. Wichtige Methoden sind Röntgen- und Neutronenstreuung, Spektroskopie (etwa NMR, EXAFS) sowie ab-initio und klassische Molekulardynamik-Simulationen. Hydrationshüllen spielen eine zentrale Rolle in der Lösung chemie, Biochemie, Geochemie und Materialwissenschaft, da sie Löslichkeit, Ionenleitfähigkeit, Reaktivität und die Funktion von Enzymen oder Membranen maßgeblich beeinflussen.