Hydrate

Grundbegriff

Hydrate sind in der Chemie allgemein Substanzen, die Wasser enthalten. Der Begriff wird je nach Teilgebiet der Chemie unterschiedlich verwendet: In der anorganischen Chemie geht es meist um molekulares Wasser in Kristallen oder Komplexen, in der organischen Chemie oft um Wasser, das chemisch an eine Verbindung addiert wurde. Den Hydraten stehen Anhydride gegenüber, also Verbindungen, denen Wasser entzogen wurde.

Anorganische Hydrate

Anorganische Hydrate sind Solvate, also Stoffe, die molekulares Wasser enthalten, zum Beispiel als Kristallwasser. Auch Komplexe mit Wasser-Liganden werden als Hydrate bezeichnet. Stoffe ohne Kristallwasser heißen Anhydrate.

Kristallwasser kann durch Wasserstoffbrücken oder andere zwischenmolekulare Kräfte an Ionen gebunden sein. Es kann aber auch in den Kristall eingebaut werden, weil dadurch eine günstigere Kristallstruktur entsteht. In kristallinen Hydraten bestehen feste stöchiometrische Verhältnisse zwischen der Ionenverbindung und dem Kristallwasser. Von manchen Stoffen gibt es mehrere Hydrate mit verschiedenen Wassermengen; bei Natriumcarbonat sind Formen mit einem, zwei, fünf, sieben und zehn Äquivalenten Kristallwasser sowie wasserfreies Natriumcarbonat bekannt.

Hydrate entstehen durch Hydratation, meist bei der Kristallisation aus wässrigen Lösungen. Durch Erhitzen können kristallwasserreiche Hydrate entwässert werden. Dabei entstehen entweder wasserärmere Hydrate oder die wasserfreie Verbindung; oft treten zugleich Farbänderungen auf. Ein Beispiel ist Cobalt(II)-chlorid: wasserfreies CoCl2 und Cobalt(II)-chlorid-Hexahydrat CoCl2 · 6 H2O.

Formeln und Namen

In Summenformeln wird das Kristallwasser nicht direkt in die Formel eingebaut, sondern am Ende als „· n H2O“ angegeben. Dabei ist n die Menge an Kristallwasser pro Formeleinheit im Kristall. Beispiel: CaSO4 · 2 H2O bedeutet Calciumsulfat mit 2 Äquivalenten Kristallwasser; dieser Stoff ist Gips.

Bei der Benennung wird dem Namen der Verbindung ein Zusatz wie -monohydrat, -dihydrat oder -hexahydrat angefügt. Die Zahl gibt an, wie viele Wassermoleküle oder Äquivalente Kristallwasser enthalten sind. Gips heißt daher systematisch Calciumsulfat-Dihydrat.

Wichtige Bezeichnungen sind: Anhydrat für 0 Wassermoleküle, Hemihydrat für 1/2, Monohydrat für 1, Sesquihydrat für 1 1/2, Dihydrat für 2, Trihydrat für 3, Tetrahydrat für 4, Pentahydrat für 5, Hexahydrat für 6, Heptahydrat für 7, Octahydrat für 8, Nonahydrat für 9, Decahydrat für 10, Undecahydrat für 11 und Dodecahydrat für 12. Beispiele sind Kupfersulfat-Pentahydrat CuSO4 · 5 H2O, Magnesiumsulfat-Heptahydrat MgSO4 · 7 H2O und Natriumsulfat-Decahydrat Na2SO4 · 10 H2O, auch Glaubersalz genannt.

Organische Hydrate

In der organischen Chemie meint Hydrat meist eine hydratisierte Verbindung. Das sind häufig keine Stoffe, die molekulares Wasser enthalten, sondern Verbindungen, bei denen Wasser durch eine Additionsreaktion chemisch hinzugefügt wurde.

Beispiele sind geminale Diole und Aldehydhydrate. Aldehydhydrate sind hydratisierte Aldehyde. Die meisten Aldehydhydrate sind instabil; Ausnahmen sind Chloralhydrat und Formalin. Geminale Triole, auch Orthocarbonsäuren oder hydratisierte Carbonsäuren genannt, sind ebenso wie Orthokohlensäure beziehungsweise Tetrahydroxymethan nur in Form ihrer Ester stabil.

Daneben gibt es auch stabile organische Verbindungen, die Hydratwasser enthalten. Ein Beispiel ist (R)-Cystein·Hydrochlorid·Monohydrat beziehungsweise L-Cystein·Hydrochlorid·Monohydrat, das in technischem Maßstab hergestellt wird.

Gashydrate und Kohlenhydrate

Gashydrate unterscheiden sich von kristallwasserhaltigen Stoffen. Sie sind Einschlussverbindungen, auch Clathrate genannt. Dabei ist das Wasser kein struktureller Bestandteil der eingeschlossenen Substanz. Stattdessen bildet Wasser feste, käfigartige Strukturen, die über Wasserstoffbrücken verbunden sind und dodekaedrische Hohlräume enthalten.

In diese Hohlräume können verschiedene Stoffe eingeschlossen sein, zum Beispiel Kohlenwasserstoffe, Edelgase oder Kohlenstoffdioxid. Gashydrate bilden sich unter hohem Druck und bei niedrigen Temperaturen, besonders auf dem Meeresgrund. Das bekannteste Gashydrat ist Methanhydrat.

Kohlenhydrate enthalten zwar die Wortendung -hydrat, gehören aber nicht zu den Hydraten.