Chemie Wie Ionen Wassermoleküle um sich scharen

Geladene Teilchen sind in wässrigen Lösungen stets von einer Hülle aus Wassermolekülen umgeben. Vieles über die Natur dieser sogenannten Hydrathülle ist jedoch noch unverstanden. Mit selbst entwickelten spektroskopischen Verfahren haben Chemikerinnen und Chemiker vom Exzellenzcluster Ruhr Explores Solvation neue Einblicke gewonnen, wie ein Ion die Wassermoleküle in seiner Umgebung beeinflusst. Dem Team gelang es, die Wassermoleküle in verschiedenen Hydrathüllen zu zählen.

Einen Überblick über die Erkenntnisse aus den Experimenten geben Prof. Dr. Martina Havenith, Dr. Gerhard Schwaab und Dr. Federico Sebastiani in der Zeitschrift Angewandte Chemie vom 18. Juli 2018.

Wassermoleküle zählen

Mit der Terahertz-Spektroskopie untersuchte das Team 37 verschiedene Salze in wässriger Lösung, wobei Salze aus positiv und negativ geladenen Ionen bestehen. Das Ergebnis: Die Hydrathüllen der verschiedenen Ionen enthalten zwischen 2 und 21 Wassermoleküle. Die genaue Anzahl hängt zum Beispiel von der Größe des Ions und seiner Ladungszahl ab.

Aber nicht nur mit einzelnen Ionen hat sich die Bochumer Gruppe beschäftigt, sondern auch mit Ionenpaaren. Diese können entweder eine gemeinsame Hydrathülle besitzen oder separate Hüllen um das positiv und das negativ  geladene Ion. „Es reicht aber nicht zu wissen, wie viele Wassermoleküle zum Beispiel von einem einzelnen Chloridion beeinflusst werden und wie viele von einem einzelnen Eisenion, um zu wissen, wie viele Wassermoleküle ein Eisenchlorid umgeben“, erklärt Havenith. Das sei kein einfacher additiver Prozess.

Kombination von Eigenschaften entscheidet

„Generell zeigen unsere Ergebnisse deutlich, dass nicht einzelne Ioneneigenschaften, sondern kooperative Effekte entscheidend sind“, resümiert die Forscherin. Wie ein Ion die Wassermoleküle in seiner Umgebung beeinflusst, hängt also von mehreren Ioneneigenschaften ab.