hydratatielaag

Een hydratatielaag is de laag watermoleculen die zich direct rond een opgeloste stof of een oppervlak bevindt en waarvan de structuur en dynamiek anders zijn dan in de bulkoplossing. In waterige oplossingen vormt deze laag een solvatatieschil rondom ionen, moleculen of oppervlakken, waarbij watermoleculen sterk gebonden zijn via ionbindingen, dipoolinteracties en waterstofbruggen.

De hydratatielaag ontstaat doordat watermoleculen zich oriënteren en coördineren met elektrische ladingen of functionele groepen op de oploste stof of het oppervlak. De eerste hydratatielaag bestaat uit watermoleculen die direct met het ion of oppervlak communiceren; de aantallen watermoleculen hangen af van de lading en de grootte van het interactiecentrum. Bij veel monovalente ionen ligt de eerste laag doorgaans op de orde van vier tot zes moleculen, terwijl bij multivalente ionen het aantal hoger kan zijn. Daarnaast bestaan tweede- en buitenste hydratatielagen die minder strak gebonden zijn maar nog steeds beïnvloed worden door de aanwezigheid van het oplosmiddel en de solute.

Toepassingen en voorkomen: hydratatielagen spelen een cruciale rol in chemische solvatie, iontransport, en elektrochemische processen. Ze zijn ook fundamenteel voor de stabiliteit en functies van biomoleculen (bijvoorbeeld eiwitten en nucleïnezuren), en voor het gedrag van kleimineralen, colloïden en korrels in waterige media.

Meting en dynamiek: de structuur en dikte van hydratatielagen worden bestudeerd met experimentele technieken zoals NMR, IR/Raman-spectroscopie en neutronen- of röntgenverstrooiing, en met moleculaire dynamica-simulaties die radial distribution functions (g(r)) leveren. De watermoleculen in de hydratatielaag wisselen voortdurend uit met het bulkwater, met karakteristieke tijden op nanoseconde- tot picoseconden-schaal.