Solvatation

Anstelle von „Solvatation“ wird auch von „Solvatisierung“ gesprochen.

Dabei handelt es sich um eine „Attraktion oder Assoziation von Molekülen des Lösungsmittels mit Molekülen oder Ionen des gelösten Stoffes“ (s. Wikipedia), d.h. die Moleküle des Lösungsmittels wechselwirken mit den Molekülen des gelösten Stoffes.

Dabei bildet sich um das gelöste Molekül eine sogenannte „Solvathülle“. Darunter versteht man einfach die um das gelöste Molekül herum angeordneten Moleküle des Lösungsmittels.

Um diesen Vorgang genauer zu verstehen schaut man sich am besten den Lösungsvorgang von Salz in Wasser an, das ist ein Beispiel, das sicher jeder kennt. Was passiert wenn man Salz in Wasser tut? Wahrscheinlich erstmal nicht viel. Die festen kleinen Salzkörnchen sinken zu Boden. Wenn man jetzt z.B. eine Gabel nimmt um das Wasser umzurühren, dann beobachtet man, dass die sichtbaren Salzkörnchen mit der Zeit verschwinden. Das Salz löst sich langsam. Nach kurzer Zeit ist das Wasser wieder klar und das Salz ist komplett im Wasser gelöst.

Der Vollständigkeitshalber muss an dieser Stelle gesagt werden, dass dieser Vorgang eine Spezialform der Solvatation ist, da es sich um das Lösungsmittel Wasser handelt. Sobald ein Stoff in Wasser gelöst wird spricht man nicht mehr von Solvatation sondern von einer Hydratation und anstatt von einer Solvathülle von einer Hydrathülle.

Die chemische Formel von Kochsalz ist NaCl. Die chemische Formel von Wasser ist H20.

Hier gibt es jetzt einige einfache Besonderheiten.

NaCl ist eine Ionenverbindung, da Natrium in der 1. Hauptgruppe des PSE (Periodensystem der Elemente) steht und Chlor in der vorletzten. Natrium muss also ein Elektron abgeben um die Edelgaskonfiguration zu erreichen und Chlor muss eins aufnehmen. Na liegt daher als Na+ vor (ein negatives Teilchen abgegeben, also ein Überschuss an einem positiven Teilchen) und Cl als Cl- (ein negatives Teilchen empfangen, daher ein Überschuss an einem negativem Teilchen). Ausschlaggebend für diese Aufteilung in Ionen ist der EN-Wert eines Atoms.

Der EN-Wert ist der Wert der Elektronegativität. Das ist die „Kraft“ eines Atoms, sollte es sich in einer Bindung befinden, die Elektronen des Bindungspartners zu sich zu ziehen. Atome, die nur relativ wenige Elektronen auf der äußersten Elektronenschale haben, haben einen schwacheren Elektronegativitätswert (Bsp. Na) als Atome, denen nur noch ein oder zwei Elektronen fehlen um die Edelgaskonfiguration zu erreichen (Bsp. Cl).

Bei Wasser ist es nun so, dass es keine Ionenverbindung ist, denn die Differenz zwischen den beiden EN-Werten beträgt nur etwa 1,24 (wenn H 2,22 und O 2,44), allerdings ist die EN-Wert-Differenz wiederum so groß, dass sie auch nicht gänzlich ohne Folgen bleibt. Es ist so, dass sich sogenannte Partialladungen ausbilden. Die „Kraft“ des O-Atoms ist nicht groß genug um die Elektronen der beiden H-Atome vollständig an sich zu binden, daher verliert das H-Atom diese nicht, aber dennoch ist die Kraft stark genug um die Elektronen des Wasserstoff statistisch häufiger auf der Seite des Sauerstoffs zu bringen, daher ist Wasserstoff dann „leicht“ positiv“ und Sauerstoff „etwas“ negativer, was man durch entsprechende Zeichen kennzeichnet (s.u.).

Eine weitere Besonderheit begibt sich jetzt aus der Struktur des Wassermoleküls. Sauerstoff steht ja in der 6. Hauptgruppe und hat daher auch sechs Elektronen, wobei insgesamt vier davon sich zu Elektronenpaaren zusammengefunden haben. Sauerstoff hat also zwei Elektronenpaare und zwei einzelne Elektronen. Die Elektronenpaare sind allerdings schwerer als die einzelnen Elektronen und drücken diese daher in eine gewinkelte Form, auch obwohl H gebunden ist.

Durch die gewinkelte Form und die Partialladungen ist Wasser ein sogenannter „Dipol“, d.h. ein Molekül, an dem durch die Ladungsdifferenzen zwei Pole auszumachen sind, und diese Dipol-Eigenschaft von Wasser begründet jetzt wiederum die Tatsache, dass sich Salze gut in Wasser lösen, da Salze aus Ionen bestehen.

Wassermolekül
Wasser als Dipol

Aufgrund der Dipol-Eigenschaft des Wassermoleküls kann dieses sich jetzt nämlich entweder mit seiner negativeren Seite um das Kation des Salzes anordnen oder mit seiner positiveren Seite um das Anion. Beides geschieht in der Realität, da beide Ionen vorhanden sind. Sind alle Salzionen von Wassermolekülen umgeben ist das Salz gelöst und für den Beobachter nicht mehr sichtbar.

hydratation
hydratisiertes Kation und Anion (Kation ist positiv, daher von negativeren Wasserteil umgeben, Anion ist negativ, daher von positiveren Wasserteil umgeben)

Die Geschwindigkeit, mit dem sich Salze in Wasser lösen hängt übrigens davon ab, ob die Bindungskräfte zwischen den Ionen des Salzes stärker sind (liegen im Ionengitter vor), oder die Anziehungskräfte zwischen Wasserhülle und Ionen.

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