Kristallwasser

Begriff und Bedeutung

Kristallwasser, auch Hydratwasser genannt, ist Wasser, das gebunden in kristallinen Festkörpern vorkommt. Stoffe mit Kristallwasser heißen Hydrate. Das Wasser ist meistens nur locker gebunden und entweicht beim Erhitzen. Dadurch kann sich beispielsweise Kupfersulfat entfärben. Bei anderen Stoffen kann das frei werdende Wasser sogar zur Auflösung des Stoffes in seinem eigenen Kristallwasser führen.

Bindungsarten im Kristall

Wassermoleküle können in einem Kristall unterschiedlich eingebunden sein:

• Beim Koordinationswasser sind sie koordinativ an Ionen gebunden, zum Beispiel beim Kupfersulfat.
• Strukturwasser ist über Wasserstoffbrückenbindungen an Moleküle gebunden.
• Bei Mineralen der Zeolithgruppe ist das Wasser nicht am Kristallgitter beteiligt.

Besonders vielfältig sind die Bindungsverhältnisse des Wassers in Proteinkristallen.

Hydrate, Anhydrate und Schreibweise

Ein Hydrat kann sich von einem wasserfreien Salz, dem Anhydrat, unterscheiden. Beispielsweise gibt es wasserfreies Natriumsulfat Na₂SO₄ und das zugehörige Decahydrat, Glaubersalz, mit 10 Wassermolekülen pro Formeleinheit Na₂SO₄. Die Formel lautet Na₂SO₄ · 10 H₂O. Der hochgestellte Punkt, manchmal auch ein x, zeigt die Verbindung mit Kristallwasser an, sagt aber nichts über die Art der Bindung aus.

Bei der Bildung eines Hydrats wird Energie als Hydratationswärme frei. Diese Energie muss beim Dehydratieren, also beim Austreiben des Kristallwassers durch Erhitzen beziehungsweise „Brennen“, wieder zugeführt werden.

Kristallwasserfreie Salze heißen Anhydrate, zum Beispiel Natriumsulfat-Anhydrat und Kupfersulfat-Anhydrat. Der Begriff darf nicht mit Anhydrid oder Anhydrit verwechselt werden. Anhydrate sind meist stark hygroskopisch, nehmen also leicht Feuchtigkeit aus der Umgebung auf. Deshalb werden sie zum Trocknen von Lösungsmitteln und Gasen verwendet.

Abgrenzung zu Gashydraten und organischen Stoffen

Gashydrate wie Methaneis sind im eigentlichen Sinn keine Hydrate, sondern Einschlussverbindungen, genauer Klathrate. Dabei sind Gase in Hohlräumen von kristallinem Wasser eingelagert. Die Wassermoleküle bilden selbst die Struktur; die eingeschlossenen Atome oder Moleküle sitzen wie in einem Käfig darin. Deshalb heißen diese Stoffe auch Käfigverbindungen. Beim Schmelzen des Wassers werden die Gase wieder freigesetzt.

Auch Arzneistoffe und andere organische Stoffe können als Hydrate auftreten. Sie sind häufig basisch und werden als Hydrohalogenide eingesetzt, beispielsweise Estradiol-Hemihydrat. In manchen Fällen kristallisieren Hydrohalogenide gleichzeitig als Hydrate, etwa Tirofiban und Ziprasidon.

Technische Anwendungen

Eine wichtige Anwendung beruht auf dem Verhalten von Gips. Das durch Erhitzen teilweise oder vollständig verlorene Kristallwasser kann beim Anrühren mit Wasser wieder aufgenommen werden; dabei erhärtet der Gips. Beim Erhitzen des Dihydrats CaSO₄ · 2 H₂O auf etwa 110 °C entsteht gebrannter Gips, CaSO₄ · ½ H₂O. Dieses Produkt wird auch Halb- oder Hemihydrat genannt. Bei 130 bis 160 °C entsteht Stuckgips, ein Gemisch aus viel Halbhydrat und wenig Anhydrit. Anhydrit kommt außerdem als Mineral in Salzlagerstätten vor und besteht aus kristallwasserfreiem Calciumsulfat, CaSO₄.

Eine weitere Anwendung ist Kieselgel mit Cobaltchlorid als Feuchtigkeitsanzeiger. Kristallwasserfreies Cobaltchlorid ist blau, kristallwasserhaltiges rosa. Die rosa Färbung zeigt an, dass das Kieselgel keine weitere Feuchtigkeit aufnehmen kann und durch Erhitzen regeneriert werden muss.

Salzhydrate können außerdem als Wärmespeicher dienen. Dazu wird das Hydrat geschmolzen, wodurch Wärme gespeichert wird. Bei Bedarf reagiert es wieder zu einem Hydrat und gibt dabei Wärme ab. Nach diesem Prinzip funktionieren Wärmekissen, Zentralheizungen mit Sonnenkollektoren und die Abwärmenutzung im PKW.