Hydrataatio

Hydrataatio (engl. hydration) on additioreaktio, jossa molekyyliin liitetään vettä. Orgaanisessa kemiassa hydrataatiolla tarkoitetaan reaktiota, jossa vettä lisätään tyydyttymättömään yhdisteeseen, kuten alkeeniin tai alkyyniin. Tämäntyyppistä reaktiota käytetään teollisesti etanolin, isopropanolin ja 2-butanolin valmistamiseksi. Epäorgaanisessa kemiassa hydrataatio (engl. mineral hydration) on reaktio, jossa mineraalin kiderakenteeseen lisätään vettä, jolloin muodostuu uusi mineraali, jota tavallisesti kutsutaan hydraatiksi.

Rakennustekniikassa puhutaan myös hydrataatiosta. Esimerkiksi veden ja sementin sisältämien mineraalien välillä tapahtuu reaktio, jonka vaikutuksesta sementin ja veden muodostama pasta kovettuu kuivuessaan. Ca3S:n tai Ca2S:n ja veden reaktiossa syntyy hydratoitunutta trikalsiumsilikaattia (Ca3S2H3) ja kalsiumhydroksidia (Ca(OH)2). Sementin mineraalien ominaisuudet vaikuttavat hydrataation nopeuteen ja lujuuskehitykseen.

Hydrataatio orgaanisessa kemiassa

Alkeenien ja alkyynien hydrataatio eli veden additio kaksois- tai kolmoissidokseen 
Kun alkeeni reagoi veden kanssa hapon läsnä ollessa saadaan sekundäärisiä ja tertiäärisiä alkoholeja. Esimerkiksi etanolia valmistetaan eteenistä hydrataatiolla:

Reaktion mekanismi on samanlainen kuin vetyhalidin additiossa. H+ reagoi kaksoissidoksen kanssa ja kiinnittyy siihen hiileen, missä on vähemmän substituentteja ja samalla muodostuu karbokationi. Vesi käyttäytyy nukleofiilin tavoin ja luovuttaa elektroniparin karbokationille. Samalla muodostuu hiili-happi-sidos ja protonoitunut alkoholi. Viimeisessä vaiheessa H+ irtoaa ja alkoholi muodostuu.

Alkyynin hydrataation päätuote ketoni, joka on nopeassa tasapainossa vastaavan enolimuodon kanssa. Veden liittäminen alkyyneihin voidaan tehdä rikkihappoliuoksessa kun katalysaattoriksi on lisätty elohopea(II)sulfaattia, HgSO4. Reaktiossa syntyy ensin enoli, joka on pysymätön ja tautomeroituu karbonyyliyhdisteeksi, kun OH-ryhmän protoni siirtyy viereiseen atomiin. Reaktio noudattaa Markovnikovin sääntöä eli vety kiinnittyy vähemmän substituoituun hiiliatomiin. Siksi terminaalisen alkyynin hydraatiossa ei saada aldehydiä vaan ketonia. Alkyyneistä ainoastaan asetyleenistä voidaan valmistaa aldehydiä, nimittäin asetaldehydiä:
H2O + C2H2 → CH3CHO

Diolien valmistus epoksideista
Epoksidieista voidaan hydrataatiolla valmistaa dioleja. Esimerkiksi oksiraanista eli etyleenioksidista tuotetaan teollisesti etyleeniglykolia.  
C2H4O + H2O → HO–CH2CH2–OH

Aldehydien ja ketonien hydraatit 

Aldehydit ja ketonit reagoivat veden kanssa muodostaen 1,1-dioleja eli geminaalisia dioleja. Aldehydin tai ketonin geminaaliset diolit eivät ole pysyviä, vaan ne ovat vesiliuoksissa tietyssä tasapainossa.Tasapaino riippuu karbonyyliryhmässä olevien substituenttien induktiivisestaa vaikutuksesta ja resonanssista . Esim. asetoni on 99,9 % ketonimuodossa ja vain 0,1 % on diolimuodossa, kun taas formaldehydi on vesiliuoksessa lähes täydellisesti diolimuodossa ja sen vesiliuoksesta käytetään nimeä formaliini. Formaldehydin vetyatomi ei pysty stabiloimaan karbonyylihiilen positiivista osittaisvarausta ja siksi formaldehydi on hyvin elektrofiilinen ja reaktiivisempi kuin asetoni. Asetonin huono reaktiivisuus johtuu siinä olevista elektroneja luovuttavista metyyliryhmistä. Bentsaldehydin vesiliuoksessa hydraattimuodossa on vain 0,8% eli sen karbonyylihiili on vähemmän elektrofiilinen kuin asetaldehydin karbonyylihiili (50% on hydraattina vesiliuoksessa). Tämä johtuu resonanssista: karbonyyliryhmän π-sidos konjugoituu aromaattisen renkaan kanssa, mikä vähentää karbonyyliryhmän poolisuutta. 

Hydraatin muodostus on hidas neutraaleissa olosuhteissa, koska vesi on heikko nukleofiili. Reaktiota voidaan nopeuttaa happo- tai emäskatalysaattorin avulla. Emäskatalyyttisessä reaktiossa nukleofiili on HO--ioni (parempi nukleofiili). Happokatalysaattori protonoi karbonyyliryhmän, joka tulee elektrofiilisemmaksi.

Nitriilien hydrataatio
Nitriilit reagoivat veden kanssa, jolloin muodostuu amideja:
H2O + RCN → RC(O)NH2
Reaktiota käytetään mm. akryyliamidin valmistuksessa.

Hydrataatio epäorgaanisessa kemiassa 
Sementin hydratoituminen:

Sementin joutuessa kosketuksin veden kanssa sen sisältämät silikaatit ja aluminaatit muodostavat hydrataatiotuotteita, jotka ajan kuluessa kovettuvat yhtenäiseksi sementtiliimaksi. Sementin hydrataatio on siis pääosin kalsiumsilikaattien hydratoitumista eli silikaateissa tapahtuvia reaktioita. 

Hydrataatiossa sementtihiukkasten pinnoilla käynnistyvät kemialliset reaktiot, jolloin muodostuu sementtigeeliksi kutsuttava massa, jonka tilavuus on yli kaksinkertainen sementin alkuperäiseen tilavuuteen verrattuna. Hydratoituneet sementtihiukkaset tarttuvat toisiinsa kiinni lujasti, kun hiukkasten välille muodostuu verkkomainen rakenne. 

Trikalsiumsilikaatin (3CaO·SiO2) reaktio veden kanssa saa aikaiseksi nopean lujuudenkehityksen eli betonin alkulujuuden, sillä on korkea hydrataatiolämpö (500 kJ/kg) ja se parantaa betonin sulfaatinkestävyyttä. 

2 (3CaO·SiO2) + 6H2O --> ((CaO)3 · (SiO2)2 · (H2O)3) + 3Ca(OH)2

Dikalsiumsilikaattin (2CaO·SiO2) reaktio veden kanssa on lujuuden kehitykseltään hidasta, mutta sillä on suuri merkitys nimenomaan betonin lopullisen lujuuden kannalta. Sillä on alhainen hydrataatiolämpö (250 kJ/kg). 

2 (2CaO·SiO2) + 4H2O --> ((CaO)3 · (SiO2)2 · (H2O)3) + Ca(OH)2

Molemmissa reaktioissa kalsiumsilikaatit reagoivat vesimolekyylien kanssa, jolloin reaktiotuotteina muodostuu kalsiumsilikaattihydraattia (CaO)k · (SiO2)m · (H2O)n) ja kalsiumhydroksidia Ca(OH)2.

Lisäksi seoksessa tapahtuu trikalsiumaluminaatin (3CaO·AI2O3) reaktio veden kanssa, joka on hyvin nopeaa ja johtaa sementtiliiman välittömään kovettumiseen. Reaktion estämiseksi sementtiin lisätään sen valmistusvaiheessa kipsiä, joka hidastaa trikalsiumaluminaatin hydrataatiota antaen betonimassalle sopivan työstöajan. Trikalsiumaluminaatille ominaista on suuri reagointinopeus ja vedentarve, pieni loppulujuus ja erittäin korkea hydrataatiolämpö (1340 kJ/kg), se myös heikentää sulfaatinkestävävyyttä.

Lähteet

Materiaalitekniikka
Kemialliset reaktiot