Lösungsmitteleigenschaften von Wasser

Hat dir das Leben schon mal Zitronen gegeben? Wenn ja, bist du sicher dem alten Sprichwort gefolgt und hast daraus Limonade gemacht - natürlich mit viel Zucker! Wenn du den Zucker in die Limonade gerührt hast (oder in einen Tee oder jedes andere auf Wasser basierende Getränk) und ihn beim Auflösen beobachtet hast, dann hast du schon die Lösungsmitteleigenschaften von Wasser in Aktion erlebt. Ein Lösungsmittel ist einfach eine Substanz, die andere Moleküle und Verbindungen, die gelösten Stoffe, auflösen kann. Eine homogene Mischung aus Lösungsmittel und gelöstem Stoff wird Lösung genannt und ein großer Anteil der Chemie des Lebens spielt sich in wässrigen Lösungen, das heißt in Lösungen mit Wasser als Lösungsmittel, ab.

Aufgrund seiner Polarität und Fähigkeit, Wasserstoffbrückenbindungen zu bilden, ist Wasser ein ausgezeichnetes Lösungsmittel, was bedeutet, dass es sehr viele Arten von Molekülen lösen kann. Die meisten der chemischen Reaktionen, die wichtig für das Leben sind, laufen in einer wässrigen Umgebung im Inneren der Zellen ab. Die Fähigkeit von Wasser, eine große Bandbreite an Molekülen zu lösen, ist der Schlüssel dafür, dass diese chemischen Reaktionen stattfinden können.

Dank seiner Fähigkeit, ein breites Spektrum an Substanzen zu lösen, wird Wasser manchmal als "universelles Lösungsmittel" bezeichnet. Diese Bezeichnung ist jedoch nicht ganz korrekt, da es einige Substanzen (wie Öle) gibt, die sich nicht gut in Wasser lösen. Allgemein gesagt ist Wasser gut darin, Ionen und polare Moleküle zu lösen, aber schlecht darin, unpolare Moleküle zu lösen. (Ein polares Molekül ist neutral, oder ungeladen, aber besitzt eine asymmetrische innere Verteilung der Ladung, was zu partiell positiven oder partiell negativen Bereichen führt.)

Wasser interagiert aufgrund der Polarität seiner eigenen Moleküle unterschiedlich mit geladenen und polaren Substanzen als mit unpolaren Substanzen. Wassermoleküle sind polar, mit positiven Partialladungen an den Wasserstoffen, einer negativen Partialladung am Sauerstoff und einer gebogenen Gesamtstruktur. Diese ungleiche Ladungsverteilung in einem Wassermolekül spiegelt die höhere Elektronegativität, oder Elektronengier, des Sauerstoffs im Vergleich zum Wasserstoff wider: Die geteilten Elektronen der O-H-Bindungen verbringen mehr Zeit in der Nähe des O-Atoms als bei den H-Atomen. Im Bild unten sind die positiven und negativen Partialladungen des Wassermoleküls durch die Symbole δ${}^{+}$‍ beziehungsweise δ${}^{-}$‍ dargestellt.

Aufgrund seiner Polarität kann Wasser elektrostatische Wechselwirkungen (ladungs-basierte Anziehungen) mit anderen polaren Molekülen und Ionen bilden. Die polaren Moleküle und Ionen interagieren mit den partiell positiven und partiell negativen Enden des Wassers, wobei die positiven Ladungen die negativen Ladungen anziehen (wie die + und - Enden von Magneten). Wenn es sehr viele Wassermoleküle im Verhältnis zu den gelösten Molekülen gibt, wie in einer wässrigen Lösung, führen diese Interaktionen zur Bildung einer dreidimensionalen Kugel aus Wassermolekülen, eine Hydrathülle, um die gelöste Substanz. Hydrathüllen ermöglichen, dass Teilchen gleichmäßig dispergieren (sich verteilen).

Wie ermöglicht die Bildung einer Hydrathülle die Auflösung einer Substanz? Als Beispiel betrachten wir, was mit einer ionischen Bindung wie Kochsalz (NaCl) passiert, wenn es in Wasser gegeben wird.

Wenn du Kochsalz in Wasser einrührst, beginnt das Kristallgitter von NaCl sich in Na${}^{+}$‍- und Cl${}^{-}$‍-Ionen zu trennen oder zu dissoziieren. (Dissoziation ist nur der Name für den Prozess, in dem eine Verbindung oder ein Molekül auseinanderbricht und Ionen bildet.) Wassermoleküle bilden Hydrathüllen um Ionen herum: Positiv geladene Na${}^{+}$‍-Ionen werden von negativen Partialladungen der Sauerstoffenden der Wassermoküle umschlossen, während negativ geladene Cl${}^{-}$‍-Ionen von positiven Partialladungen der Wasserstoffenden umgeben werden. Wenn der Prozess fortschreitet, sind alle Ionen der Kochsalzkristalle von Hydrathüllen umgeben und dispergieren in Lösung.

Unpolare Moleküle, wie Fette und Öle, interagieren nicht mit Wasser oder bilden keine Hydrathüllen. Diese Moleküle besitzen keine Bereiche mit positiven oder negaitven Partialladungen, daher werden sie elektrostatisch nicht von Wassermolekülen angezogen. Somit bleiben unpolare Substanzen (wie Öle), eher als sie gelöst werden, getrennt und bilden Schichten oder Tropfen, wenn sie in Wasser gegeben werden.