Hydrolyse ist eine Art chemischer Reaktion, die zwischen Wasser und einer anderen Verbindung stattfindet. Während der Reaktion werden in beiden Molekülen chemische Bindungen aufgebrochen, wodurch sie auseinanderbrechen. Das Wassermolekül spaltet sich auf, um positiv geladene Wasserstoff- (H+) und negativ geladene Hydroxid- (OH-)-Ionen zu bilden, und das andere Molekül teilt sich in zwei einfachere Abschnitte, ebenfalls mit positiver und negativer Ladung. H+- und OH–Ionen lagern sich an jeden dieser Abschnitte an. Diese Reaktionen finden statt, wenn sich einige ionische Verbindungen, zum Beispiel bestimmte Säuren, Basen und Salze, in Wasser lösen; sie sind an lebenswichtigen Prozessen beteiligt; sie werden in einigen wichtigen industriellen Prozessen wie der Herstellung von Seife verwendet; und sie spielen eine wichtige Rolle bei der Verwitterung von Gesteinen.
Ionische Verbindungen
Ionische Verbindungen können Säuren, Basen oder Salze sein, bei denen es sich um Verbindungen handelt, die aus der Reaktion einer Säure und einer Base resultieren. Sie bestehen aus positiv geladenen Kationen und negativ geladenen Anionen. Wenn sie in Wasser aufgelöst werden, spalten sie sich in ihre Kationen und Anionen auf. Die Anionen schwacher Säuren und die Kationen schwacher Basen reagieren bis zu einem gewissen Grad mit Wasser, was zu einer Hydrolyse führt.
Wenn ein Salz das Produkt einer starken Säure und einer schwachen Base ist, hydrolysiert das Kation der Base in Wasser. Ammoniumchlorid (NH4Cl) zum Beispiel ist das Salz einer schwachen Base – Ammoniak (NH3) – und einer starken Säure – Salzsäure (HCl). Wenn es in Wasser gelöst wird, spaltet es sich in Kationen und Anionen auf – NH4+ bzw. Cl-. Das Kation reagiert jedoch bis zu einem gewissen Grad mit Wasser, indem es ein Wasserstoffion verliert:
NH4+ + H2O NH3 + H3O+
Da bei dieser Reaktion Hydroniumionen (H3O+) entstehen, ist die resultierende Lösung sauer. Wenn ein Salz das Produkt einer starken Base und einer schwachen Säure ist, reagieren die Anionen der Säure mit Wasser, indem sie Wasserstoffionen (H+) aufnehmen, wobei Hydroxidionen (OH-) zurückbleiben, die eine alkalische Lösung ergeben. Das Salz einer starken Säure und einer starken Base hydrolysiert nicht, da das Anion der Säure und das Kation der Base nicht mit Wasser reagieren.
Life
Viele lebenswichtige Prozesse beinhalten Hydrolyse. Ein Beispiel ist die Energiefreisetzung durch das Molekül Adenosintriphosphat (ATP). Zellen verwenden diese Verbindung, um Energie zu speichern, die dann bei Bedarf freigesetzt werden kann. Das Molekül besitzt drei Phosphatgruppen (PO4-), kann aber durch Reaktion mit Wasser eine dieser Gruppen verlieren. Diese Reaktion verbraucht zwar wenig Energie, aber viel mehr wird durch die Folgereaktionen der freien Phosphatgruppe freigesetzt.
Die Hydrolyse spielt auch eine wichtige Rolle bei der Aufspaltung der Nahrung in leicht aufnehmbare Nährstoffe. Die meisten organischen Verbindungen in Lebensmitteln reagieren nicht leicht mit Wasser, und normalerweise ist ein Katalysator erforderlich, um diese Prozesse ablaufen zu lassen. Organische Katalysatoren, die bei Reaktionen in lebenden Organismen helfen, werden als Enzyme bezeichnet. Im Körper katalysieren Enzyme wie Lipasen, Carbohydrasen und Proteasen die Reaktionen mit Fetten, Kohlenhydraten und Proteinen mit Wasser.
Ein Beispiel für die Hydrolyse ist der Abbau von Stärke, der durch das Enzym Amylase katalysiert wird. Stärke wird in kleinere Moleküle zerlegt, die aus dem Zucker namens Maltose bestehen. Maltose kann dann unter dem Einfluss des Enzyms Maltase weiter in Glucosemoleküle abgebaut werden. In jedem Fall ist Wasser an dem Prozess beteiligt, das selbst spaltet und eine Hydroxylgruppe und ein Wasserstoffion zu den neuen Molekülen hinzufügt, die auf jeder Seite der aufgebrochenen Bindung gebildet werden.
Industrie
Viele industrielle Verfahren erfordern die Hydrolyse verschiedener Substanzen, um nützliche Produkte zu erzeugen. Oftmals reagieren die Rohstoffe für diese Prozesse jedoch nicht leicht mit Wassermolekülen, daher werden die Reaktionen durch eine Vielzahl von Mitteln unterstützt, wie beispielsweise hoher Druck, hohe Temperaturen und Katalysatoren. Die Hydrolyse im Labor erfordert normalerweise die Verwendung eines Katalysators, der typischerweise eine starke Säure oder ein starkes Alkali ist.
Hydrolyse wird seit langem bei der Seifenherstellung eingesetzt. Bei diesem Prozess, der als Verseifung bekannt ist, wird Fett in einer Reaktion mit Wasser und dem starken Alkali Natriumhydroxid hydrolysiert. Die Reaktion erzeugt Fettsäuresalze, die allgemein als Seife bekannt sind. Bei alten Ölgemälden tritt manchmal eine Verseifung auf, wenn Fettsäuren in Ölfarbe mit den Metallen in Farbpigmenten reagieren. Dies kann dazu führen, dass sich weiße Ablagerungen und Klumpen auf der Oberfläche von Gemälden bilden, obwohl nicht bekannt ist, warum es nur bei einigen Kunstwerken vorkommt und bei anderen nicht.
Verwitterung
Hydrolyse ist ein wichtiger Prozess bei der Verwitterung von Gesteinen. Verschiedene Silikatminerale wie Feldspat gehen langsame Hydrolysereaktionen mit Wasser ein, wobei Ton und Schluff zusammen mit löslichen Verbindungen gebildet werden. Dieser Prozess ist wichtig für die Bildung von Böden und für die Bereitstellung wichtiger Mineralien für Pflanzen.