Dem Auflösen auf der Spur: Erst 30 Wassermoleküle trennen Salz

Ob in Ozeanen, Böden oder lebenden Zellen: Salz (Natriumchlorid, NaCl) löst sich überall um uns herum auf. Dennoch fehlte der Physik bislang das genaue Bild davon, was beim Kontakt der Moleküle Schritt für Schritt passiert. Ein Forschungsteam um Prof. Dr. Marcel Mudrich vom Institut für Physik der Universität Kassel hat das Geschehen nun erstmals Molekül für Molekül verfolgt.

Für ihre Analysen nutzten die Forschenden ein besonderes Verfahren: Sie betteten die Teilchen in winzige Helium-Nanotröpfchen nahe dem absoluten Nullpunkt ein und untersuchten das Geschehen mittels ultrahochauflösender Elektronenspektroskopie. Ergänzende Computersimulationen machten die entstehenden Mikrostrukturen anschaulich. Dadurch konnten die Forschenden isolieren, wie einzelne Wassermoleküle die Bindung zwischen Natrium und Chlor schwächen, bis sich schließlich eine vollständige Hydrathülle um beide Ionen bildet.

Wassermoleküle hüllen Ionen unterschiedlich schnell ein

Die Messungen zeigen deutliche Unterschiede zwischen den beiden Partnern: Während ein Chlorid-Ion bereits von etwa 17 Wassermolekülen vollständig umgeben wird, benötigt ein Natrium-Ion bis zu 34 Moleküle. Erst ab einer Schwelle von rund 30 Wassermolekülen liegen die Ionen dauerhaft getrennt vor. „Das Wasser hüllt die Ionen Schritt für Schritt ein, wie ein Schleier, der das Salz allmählich auflöst“, sagt Mudrich. „Mit einer neuen Messmethode konnten wir erstmals nachweisen, wann sich die Ionen vollständig trennen und von Wasser umhüllt sind."

Grundlagenwissen verbessert Modelle für Natur und Chemie

Da es sich um reine Grundlagenforschung handelt, steht nicht der unmittelbare Alltagsnutzen im Vordergrund, sondern das fundamentale Verständnis eines zentralen Naturprozesses. Viele chemische und biologische Reaktionen finden in wässriger Umgebung statt. In einer normalen Flüssigkeit lassen sich die einzelnen Zwischenschritte jedoch kaum isolieren.

„Unsere Methode ermöglicht es, gewissermaßen gezielt einzelne Wassermoleküle hinzuzufügen und live zu beobachten, wie sich die elektronische Struktur verändert“, erläutert Mudrich. „Dieses Wissen hilft langfristig dabei, chemische und biologische Prozesse, etwa in der Atmosphären- oder Meereschemie, auf molekularer Ebene besser zu verstehen und in Computer- Modellen realistischer abzubilden.“