Hydrationsschichten

Hydrationsschichten, auch Hydrationshüllen, bezeichnen in der Physikalischen Chemie die strukturierte Gruppe von Wassermolekülen, die ein gelöstes Teilchen in polaren Lösungsmitteln umgeben. Die erste Hydrationsschicht ist dem Teilchen am engsten anliegen und wird meist als erste Koordinationsschicht beschrieben. Ihr Grad der Ordnung wird von der Ladung, dem Radius des Ions und der Polarität des gelösten Teilchens beeinflusst. Darüber liegen weitere, geringer gebundene Hydrationsschichten, die zusammen das Hydrationsfeld bilden. Bei Ionen ist die Koordinationszahl der ersten Schicht ein charakteristischer Parameter: Na+ ca. 5–6, K+ ca. 6–8, Ca2+ ca. 6–8, Mg2+ ca. 6–8, je nach Lösungsmittelumgebung variiert. Die Wassermoleküle in der ersten Schicht zeigen orientierte Wasserstoffbrückenbindungen, während in den äußeren Schichten die Dynamik stärker bleibt. Hydrationsschichten sind dynamisch; Austauschprozesse mit dem Bulk erfolgen kontinuierlich.

Die Hydration beeinflusst grundlegende Eigenschaften der Lösung, darunter Löslichkeit, Reaktionskinetik, Diffusion und Ionentransport. Sie spielt eine zentrale Rolle in biologischen Prozessen (Ionentransport durch Membranen, Enzymaktivität), in der Analytik und in der Materialforschung (Elektrolyte, Glasbildung). Experimentell werden Hydrationsschichten durch Neutronen- und Röntgenstreuung, NMR, Infrarot- und Raman-Spektroskopie sowie durch Computerrechnungen (Molekulardynamik, DFT) untersucht. Die Kombination aus Messung und Simulation ermöglicht Einblicke in Struktur, Bindungsstärke und dynamische Austauschprozesse an der Grenzfläche.