Sauerstoff hilft gegen Wasserscheu

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Ob eine Substanz eher hydrophil oder lipophil ist, kann man bei organischen Verbindungen meist schon an der Strukturformel sehen. Es sind bestimmte funktionelle Gruppen, die darüber entscheiden.

Hydrophilie ist die Fähigkeit eines Stoffes mit Wasser in Wechselwirkung zu treten. Man sagt, er ist „wasserliebend“. Das heißt noch nicht, dass er auch in Wasser löslich sein muss. Es bedeutet aber zumindest, dass er Wasser anziehen und binden kann, also eine gewisse Affinität zu Wasser hat. Dazu muss der Stoff polar sein.

Polarität wiederum findet man immer dann, wenn ein Teil des Moleküls eine positive Teilladung hat und ein anderer eine negative. Dieser Zustand entsteht durch eine Ladungsverschiebung, also eine Verschiebung von Elektronen im Molekül. Die Bindungselektronen zwischen zwei Atomen sind dann ungleichmäßig verteilt. Man spricht von einer polaren Atombindung.

Das ist nur dann möglich, wenn in dem betreffenden Molekül Atome mit unterschiedlicher Elektronegativität miteinander verbunden sind. Das Atom mit der höheren Elektronegativität zieht die Bindungselektronen stärker an, sodass sie sich näher an diesem Atom befinden und das Atom dadurch negativ polarisiert wird. Das andere Atom ist dann zwangsläufig positiv polarisiert. Und schon ist ein Dipol entstanden. 

Wasser ist auch ein Dipol Im Wassermolekül hat der Sauerstoff die höhere Elektronegativität und zieht die Bindungselektronen an sich. Dadurch werden den beiden Wasserstoffatomen die Elektronen teilweise entzogen und sie sind positiv polarisiert, während der Sauerstoff eine negative Teilladung erhält. Auch hier handelt es sich um eine polarisierte Atombindung.

Gibt man nun einen hydrophilen und damit polaren Stoff in Wasser, so lagert sich der positiv polarisierte Wasserstoff des Wassermoleküls an den negativen Pol des polaren Moleküls. Diese zwischenmolekulare Bindung zwischen den beiden entgegengesetzten Polen der Moleküle wird als Wasserstoffbrückenbindung bezeichnet. Solche Bindungen sind zwar nicht so stark wie eine Atombindung, sie können aber, wenn es viele davon gibt, in ihrer Gesamtheit einiges bewirken.

Hydrathülle durch Ionen Eine polare und damit hydrophile Gruppe entsteht meist durch Sauerstoffatome in einem Molekül. Sauerstoff ist sehr elektronegativ und bildet zum Beispiel in Alkoholen, Carbonsäuren, Ethern oder Estern den negativen Pol, indem er die Elektronen in der Bindung zu Kohlen- oder Wasserstoff an sich zieht.

Gehen Elektronen komplett auf das elektronegativere Atom über, entstehen Ionen. Durch die volle Ladung ist die Hydrophilie besonders ausgeprägt. Ein Anion zieht durch seine negative Ladung das Wasserstoffatom des Wassers stark an sich. Beim Kation ist es umgekehrt. Seine positive Ladung zieht den Sauerstoff des Wassers an.

Die Anziehungskräfte sind bei Ionen so stark, dass sich dies nicht nur auf die direkt benachbarten Wassermoleküle, sondern auch auf die zweite und weitere Reihen von Wassermolekülen um das Ion herum auswirkt. Es bildet sich eine sogenannte Hydrathülle aus Wassermolekülen, die den hydrophilen Teil des Moleküls umgibt und räumlich sehr groß macht. Das spielt bei Emulgatoren oder beim Durchtritt durch Membranen eine Rolle.

Den Artikel finden Sie auch in die PTA IN DER SCHULE 2016 auf Seite 8.

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