Hydrationsschale

Eine Hydrationsschale bezeichnet die Anordnung von Wassermolekülen in unmittelbarer Umgebung eines gelösten Ions oder polaren Moleküls. Durch elektrostatische Wechselwirkungen richten sich die Dipole der Wassermoleküle so aus, dass zum Beispiel die negativen Sauerstoffatome der Wassermoleküle zu Kationen hin zeigen. Die resultierende Struktur unterscheidet man häufig in eine primäre Hydrationsschale, die direkt an das Ion gebunden ist, und eine sekundäre Schale mit schwächer gebundenen Wassermolekülen.

Die Eigenschaften der Hydrationsschale hängen von Ladung, Größe und Polarisation des Ions sowie von Temperatur und Lösungsmittelkonzentration ab. Kleine, hochgeladene Ionen bilden meist engere und stärker geordnete Hydrationsschalen mit längeren Verweilzeiten der Wassermoleküle, während große oder weniger geladene Teilchen lockere, dynamischere Schalen aufweisen. Der Austausch von Wassermolekülen zwischen Schale und Bulkwasser ist ein wichtiger dynamischer Prozess.

Hydrationsschalen werden experimentell und theoretisch untersucht, unter anderem mit NMR-Relaxation, Infrarot- und Raman-Spektroskopie, Röntgen- und Neutronenstreuung sowie mit Molekulardynamik-Simulationen. Diese Methoden liefern Informationen über Koordinationszahlen, Bindungsdistanzen und zeitliche Skalen des Wasseraustauschs.

Bedeutung haben Hydrationsschalen in Chemie, Biochemie und Materialwissenschaften: sie beeinflussen Löslichkeit, Ionenmobilität, Reaktionskinetik und die Stabilität von Makromolekülen. In biologischen Systemen spielt die Hydrationsschale eine zentrale Rolle bei Proteinstruktur, Ligandenbindung und Ionentransport durch Membrankanäle.