Hydratatie

Hydratatie is het al of niet moedwillig toevoegen van water aan een bepaalde chemische stof. Vaak wordt met de term het opnemen van water uit de lucht bedoeld; dit is het geval bij de meeste hygroscopische stoffen. Bekende technische voorbeelden van hydrateren zijn het toevoegen van water aan gips of cement, waardoor de stof hard wordt.

In de scheikunde kan het begrip op twee verschillende processen betrekking hebben:

• Zouten kunnen gehydrateerd worden. De moleculen water worden opgenomen in de kristalstructuur van het zout. Een dergelijk, waterhoudend, zout wordt een hydraat genoemd.
• In de organische chemie betekent hydrateren dat aan het organische molecuul een watermolecuul gekoppeld wordt. Vaak gebeurt dit aan dubbele bindingen. Een bekend technisch voorbeeld is de bereiding van ethanol uit etheen en water onder invloed van zuur.

Hydratatie kan zowel een vaste stof als een oplossing als resultaat hebben. In het eerste geval worden watermoleculen opgenomen in de kristalstructuur van de vaste stof, in het tweede geval omhullen de watermoleculen de deeltjes van de vaste stof, waardoor deze zich van elkaar kunnen scheiden: de stof lost dan op in water. Als hydratatie leidt tot het oplossen van de stof is hydratatie een speciaal geval van solvatatie: het oplosmiddel is water.

De hydratatie van negatieve ionen verloopt via het positieve einde van de waterdipool, soms via waterstofbruggen.

• Een hoeveelheid vast calciumchloride ${\displaystyle {\ce {(CaCl2)}}}$ wordt in een bekerglaasje enige tijd in een open ruimte gezet. Na een dag of twee is de inhoud compleet vervloeid.
• Zinkchloride wordt door de leveranciers afgeleverd met een bekende hoeveelheid kristalwater. De kristallen zien er al glazig uit. Als de pot niet steeds gesloten wordt gehouden zal de inhoud gaan vervloeien.
• Soda of natriumcarbonaat‍decahydraat ${\displaystyle {\ce {(Na2CO3.10H2O)}}}$ is een vaste stof die bij voorzichtige verwarming bij ongeveer 37 °C vloeibaar wordt. Bij verder verwarmen ontwijkt water en wordt de massa weer vast. De tweede vaste stof is veel minder glazig dan de eerste.

In de synthetisch organische chemie wordt het verschijnsel hydratatie gebruikt om resten water die tijdens het opwerken van een reactieproduct van de organische producten en oplosmiddelen te scheiden. In voorschriften wordt gesproken van "het reactiemengsel wordt gedroogd op ...". Steeds wordt er een vaste stof gevormd die vervolgens door filtreren verwijderd wordt. Voorbeelden daarbij zijn:

• natriumsulfaat
• magnesiumsulfaat
• calciumsulfaat (of gips)

In de analytische chemie wordt het verschijnsel hydratatie gebruikt om voorraadoplossingen te beschermen tegen vocht en andere bestanddelen uit de lucht. In de opening die ervoor zorgt dat lucht de voorraadfles in kan als vloeistof wordt afgetapt wordt een buisje met het droogmiddel geplaatst, vaak calciumchloride.

In de gravimetrie wordt het analysemonster vaak in een droogstoof verwarmd. Om te voorkomen dat tijdens het afkoelen door het monster water wordt aangetrokken wordt het monster in een desiccator geplaatst. Om de inhoud watervrij te houden bevat de desiccator een hoeveelheid silicagel die voorzien is van een kobaltzout. Zolang de silicagel nog vocht kan binden is het zout kobaltblauw. Is de silicagel verzadigd, dan is de kleur bleekroze.

Hydratatie kan tot een hydraat leiden. Door verwarming kan het water weer vrijkomen. Hydraten van vaste stoffen bevatten kristalwater. Deze stoffen kunnen in chemisch evenwicht met de omgeving zijn, waarbij dan een bepaalde (water)dampspanning hoort. Deze is temperatuurafhankelijk. Is de dampspanning van water hoger dan de evenwichtswaarde, dan neemt het kristal water op en kan vervloeien. Is de dampspanning lager dan de evenwichtswaarde, dan staat het kristal (het hydraat) kristalwater af en verweren de kristallen. Ze kunnen daarbij dof worden. Wanneer de hydratatie in een chemische reactie voorkomt, wordt het een hydratatiereactie genoemd.

De hydratatie van positieve ionen verloopt bij metaalionen via de vrije elektronenparen van zuurstof. Hiermee is hydratatie een speciale vorm van complexvorming. Bij ionen waarbij geen complexvorming mogelijk is, bijvoorbeeld quaternaire ammonium verbindingen treedt de interactie op via het negatieve einde van de waterdipool.

In de bouw wordt veel gebruikgemaakt van het verschijnsel hydratatie. Veel bouwmaterialen worden aangeleverd in een watervrije vorm. Door toevoegen van water ontstaan eerst verwerkbare halfvloeibare massa's. Door de vorming van hydraten ontstaan vervolgens de dragende constructies of de afwerklagen. Voorbeelden zijn:

• beton (op basis van cement)
• specie (voor metselwerk op basis van cement)
• tras (voor binnenmetselwerk, tras is niet goed bestand tegen water)
• gips (voor pleisterwerk van muren en plafonds)