Was ist in der Chemie eine Salzbrücke?
Der Begriff Salzbrücke hat in der Chemie zwei unterschiedliche Verwendungen. Die ursprüngliche Verwendung beschrieb eine elektrisch leitende Gelverbindung zwischen zwei Halbzellen einer Volta-Zelle auf dem Gebiet der Elektrochemie. Das zweite ist die Verwendung eines externen, leicht polaren Moleküls, um eine Brücke zwischen Abschnitten eines Makromoleküls zu schaffen, die sich ohne das Eingreifen einer Salzbrücke abstoßen würden. Ein neues Gebiet, die supramolekulare Chemie, die sich seit etwa 1960 in der praktischen Entwicklung befindet, nutzt Salzbrücken, um hochdetaillierte Strukturen zu erzeugen.
In einer Voltaikzelle, auch galvanische Zelle genannt, findet eine elektrochemische Reaktion an zwei getrennten physikalischen Orten statt, die als Halbzellen bezeichnet werden. In jeder Halbzelle findet die Hälfte einer Oxidations-Reduktions- (Redox-) Reaktion statt. Alessandro Volta demonstrierte das Grundprinzip, indem er um 1800 Zink- und Silberscheiben stapelte, die durch in Salzwasser getränkte Papierscheiben voneinander getrennt waren. Durch Stapeln mehrerer dieser Zink-Brücken-Silberscheibensätze konnte er einen elektrischen Schlag feststellen als er beide Enden gleichzeitig berührte.
Eine echte Batteriezelle wurde 1836 von John Frederick Daniell gebaut, der Zink und Kupfer verwendete. Ein Streifen jedes Metalls wurde in eine Lösung seines eigenen Metallions getaucht. Die beiden Streifen wurden durch Draht und die beiden Lösungen durch einen mit Salzwasser gefüllten porösen Keramikschlauch, die Salzbrücke, verbunden.
Wird in einer Batteriezelle keine Salzbrücke eingesetzt, erfolgt die Reaktion direkt und der Elektronenfluss kann nicht durch den Draht geleitet werden. Die Salzbrücke leitet über ihre Salzionen nur die Ladung auf das Ion. Durch die Redoxreaktion gelangen keine Ionen durch die Brücke.
Die supramolekulare Chemie bietet einen innovativen Ansatz auf dem Gebiet der Nanotechnologie. Nanoskalige Strukturen von 1 bis 100 Nanometern (0,00000004 bis 0,0000004 Zoll) werden typischerweise hergestellt, indem größere Strukturen unter Verwendung von Elektronenbeschuss oder anderen Techniken abgeschliffen werden. Die supramolekulare Chemie versucht, Strukturen zu schaffen, indem sie die Selbstorganisation der Natur nachahmt. Selbstorganisation tritt auf, wenn sich ein Makromolekül durch schrittweises Hinzufügen grundlegender Komponenten selbst aufbaut. Es gewinnt neue Einheiten, wodurch sich das Molekül faltet und biegt, um die nächste Komponente anzuziehen und zu binden, und schließlich eine präzise dreidimensionale Struktur erreicht.
Desoxyribonukleinsäure (DNA) wird in der Zelle durch einen Faltungs- und Rückfaltungsprozess selbstorganisiert. Bei jeder Faltung werden neue funktionelle Gruppen, Seitengruppen reaktiver Atome, in eine Position der Anziehung oder Abstoßung gebracht. Wenn sich die Moleküle bewegen, um es den funktionellen Gruppen zu ermöglichen, näher oder weiter voneinander entfernt zu sein, wird eine Falte gebildet. Wasserstoffbrücken, ein schwaches Intermolekül oder im Falle von Makromolekülen eine schwache intramolekulare Anziehung zwischen leicht negativen Hydroxylgruppen und leicht positiven Protonengruppen lenken den Faltungsprozess.
Manchmal muss eine Falte oder Biegung in einem natürlichen oder synthetischen Makromolekül an einem Ort auftreten, an dem milde Abstoßungskräfte vorhanden sind. Ein zweites kleines Molekül, eine Salzbrücke genannt, kann sich an der richtigen Stelle ausrichten, wo es die entgegengesetzten Kräfte überbrücken kann. Anstatt die Falte aufzudrücken, wie es der nicht überbrückte Abschnitt tut, verengt die Salzbrücke den Spalt und verengt das Makromolekül. Die Auswahl der Salzbrücke ist sehr anspruchsvoll; Eine genaue Passform ist physikalisch und in Ladungsverteilung erforderlich. Supramolekulare Chemiker untersuchen natürliche Makromoleküle, um Salzbrücken beim Aufbau nützlicher Nanostrukturen zu verstehen und zu nutzen.