Hydratation von Ionen

Guten Tag und herzlich willkommen. In diesem Video geht es um Hydratation von Ionen. Das Video gehört zur Reihe Salzlösungen. Für das Erlangen nötiger Vorkenntnisse solltest du die Videos Bedeutung und Dissoziation von Salzen gesehen haben. Das Ziel ist es euch das Wesen und Bedeutung der Hydratation von Ionen zu veranschaulichen. Das Video habe ich in 7 Abschnitte unterteilt. 1. Gitterenergie 2. Hydratation 3. Hydratationsenthalpie 4. Ionenradius und Ladung 5. Ionentransport durch Zellen 6. Aussalzen und 7. Abführmittel 1. Gitterenergie Salze bestehen aus einem Ionengitter. Entfernt man die Ionen möglichst weit voneinander, behält man isolierte Ionen. Die für diesen Prozess notwendige Energie wird als Gitterenergie bezeichnet und man schreibt DeltaHGitter. Die Gitterenergie ist gemessen an chemischen Reaktionen sehr groß. Der relativ geringe Wert von Natriumchlorid beträgt immerhin 788 kJ/mol. Die Umwandlung des Ionengitters in isolierte Ionen ist somit stark endotherm. Das bedeutet aber, dass dieser Prozess thermodynamisch unwahrscheinlich ist. Wie kommt er aber dann trotzdem zustande? Und vor allem: Wie läuft dann die Dissoziation von Salzen ab?      2. Hydratation Da die Bildung isolierter Ionen energetisch unwahrscheinlich ist, so muss dieser Prozess mit einer Reaktion gekoppelt sein, die zu einer ausgeglichenen Energiebilanz führt. Betrachten wir nun jeweils ein isoliertes Kation sowie ein isoliertes Anion. Auf beide Teilchen wirkt Wasser ein. Wassermoleküle sind die Pole. Sie besitzen einen ausgeprägten Dipolcharakter. Das Kation tritt mit dem negativen Teil des Dipols in Wechselwirkung. Das Anion dagegen wird an den positiven Teil des Dipols gekoppelt. Es kommt zu einer Ion-Dipol-Wechselwirkung. Um ein Ion wie das Natrium-Ion können sich gleichzeitig mehrere Wasserteilchen anordnen. Diesen Vorgang der Anlagerung von Wasserteilichen um ein Ion bezeichnet man als Hydratation. Schreibt man die Wasserteilchen in Formelschreibweise und kennzeichnet an jedem Teilchen die jeweilige negative Partialladung, so sieht das Ergebnis der Hydratation eines Kations in etwa so aus. Ein hydratisiertes Anion sieht in etwa so aus. Die positiven Partialladungen der Wasserteilchen sind zur negativen Ladung des Ions gerichtet. Man sagt auch, dass die Wasserteilchen um die Ionen eine Hydrathülle bilden. Es ist wichtig zu beachten, dass die Zahl der Wassermoleküle um ein Ion schwankt. Daher ist es zum Beispiel nicht sinnvoll für das hydratisierte Natriumion NA+(H2O) in Klammern n-mal zu schreiben oder vielleicht sogar noch eine Zahl einzusetzen. Unter Kenntnis der Hydratation können wir nun die Dissoziation eines Salzes formulieren. Wir schreiben: NaCl in festem Zustand wird unter Einwirkung von Wasser zu Na+ aq + Cl- aq. Das aq bedeutet das die entsprechenden Ionen jeweils hydratisiert sind.  3. Hydratationsenthalpie Ein isoliertes Kation ist ein Kation, welches sich in der Gasphase befindet. Dieses Kation reagiert mit Wasser und wird hydratisiert. Den gleichen Vorgang kann man für ein isoliertes Anion beschreiben. Die bei dieser Reaktion frei werdende Reaktionswärme bezeichnet man als Hydratationsenthalpie und schriebt DeltaHhyd. DeltaHhyd, die Hydratationsenthalpie ist kleiner als 0. Die Hydratationsenthalpie wird für gewöhnlich in kJ/mol angegeben. Folgende Werte sind für wichtige Ionen bekannt. Lithiumion -508, Natriumion -398, Kaliumion -308, Magnesiumion -1908, Kalziumionen -1577. Das Chloridion hat eine Hydratationsenthalpie von -376. 4. Ionenradius und Ladung  Die Radien der Ionen in nm betragen: Lithiumion 0,060, Natriumion 0,095, Kaliumion 0,133, Magnesiumion 0,065, Kalziumion 0,097 und Chloridionen 0,18. Betrachtet man diese kleine Anzahl an Ionenradien, so ist auffällig: Die Hydratationsenthalpie fällt mit steigendem Ionenradius. Die Ladungen der Ionen können wir leicht aus den Symbolen ablesen. Lithium, Natrium und Kalium sind einfach positiv geladen. Magnesium ist zweifach positiv geladen und Kalzium ist ebenfalls zweifach positiv geladen. Folgende Tendenz ist leicht zu ersehen: Die Hydratationsenthalpie steigt mit steigender Ionenladung. 5. Ionentransport durch Zellmembran Betrachten wir eine Zellmambran in dieser schematisch vereinfachten Darstellung. Liegen Kationen hydratisiert vor, so ist der Ionenradius des Natriumions größer als der Ionenradius des Kaliumions. Bei geeigneter Porengröße kann das Kaliumion die Zellmembran durchdringen. Das Natriumion dagegen ist zu groß und wird von der Zellmembran zurückgehalten. Sind die Kationen nicht hydratisiert, sondern nackt, so kehren sich die Verhältnisse um. Das Kaliumion ist groß und das Natriumion ist klein. Das Natriumion durchdringt die Zellmembran. Das Kaliumion dagegen wird von der Zellmembran zurückgehalten. Ein interessanter Vorgang unter Beteiligung von Ionen findet in den Nervenzellen statt. Man spricht hier von einem Selektivfilter. Haben die Kationen eine geeignete Größe, so können sie den Filter durchdringen. Sind die Ionen zu groß, werden sie zurückgehalten. Das ist völlig klar und das hatten wir schon. Sind sie dagegen zu klein, so werden sie auch zurückgehalten. Und das ist schon erstaunlich. Zu kleine Ionen führen nämlich zu einer gestörten Energiebilanz. Der Verlust an Energie durch das Ablösen von Wasser, welches die Hydrathülle um das Ion gebildet hat, muss nämlich ausgeglichen werden durch die Solvatation des Anions durch das Protein, in welches es eindringt. 6. Aussalzen Blutplasma besteht aus Proteinen, welches eine große Anzahl an Wassermolekülen enthält. Wir versetzen nun das Blutplasma mit einer gesättigten Ammoniumsulfatlösung. Das Blutplasma verliert sein Hydratationswasser und es entsteht Albumin. Achtung: Albumin ist eine Sammelbezeichnung. Das hier abgebildete Albumin kann durchaus nicht vom Blut stammen. Ich bitte um Nachsicht. Durch Zugaben von Wasser kann man die Reaktion umkehren. Den Entzug von Hydratationswasser durch Zugabe einer gesättigten Salzlösung bezeichnet man als Aussalzen. Aussalzen wird für die Proteinreinigung verwendet.  7. Abführmittel Verstopfung ist schon eine schlimme Geschichte. Gegen Verstopfung helfen Bittersalz, Magnesiumsulfat oder Glaubersalz, Natriumsulfat mit Kristallwasser. Man verwendet dafür eine gewebeisotone Lösung. Unter dieser Bedingung findet die Osmose durch die Darmwand nicht statt. Die Salzlösung bleibt unverändert im Darminneren und führt zu einer Durchspülung des Darms. Bei der Verwendung einer hypertonischen Lösung, d. h. einer Lösung mit höherer Konzentration kommt es zu einer Verstärkung des genannten Effekts. Aber Vorsicht: Nicht häufig praktizieren, es gibt Nebenwirkungen.   Und damit möchte ich schließen. Ich wünsche euch alles Gute. Auf Wiedersehen.