Einzelne Atome/Ionen werden durch die sog. Primärbindungen zu einer Verbindung “zusammengehalten”, beispielsweise das Methan CH4 oder Wasserstoff H2. Gibt es nun Anziehungskräfte zwischen den Molekülen, die diese zu einem Verband zusammenhalten? Und wie würden wir diese “Sekundärbindungen” nennen?
Um diese Frage lösen zu können, erinnern wir uns, dass es -grob gesagt- zwei Arten von Molekülen gibt, polare Moleküle (diese Moleküle nennt man auch Dipole) und unpolare Moleküle. Das zwischen zwei (oder mehreren) polaren Moleküle anziehende Wechselwirkungen (diese bezeichnen wir später als Dipol-Dipol-Wechsel-Wirkung). Ähnlich wie bei einem Magneten ziehen sich die entgegengesetzt geladenen Molekülteile gegenseitig an.
Aber wie ist das mit unpolaren Molekülen? Wie sollten solche Moleküle überhaupt miteinander wechselwirken können? Die Frage ob (unpolare) Moleküle miteinander wechselwirken, können wir dadurch bejahen, da beispielsweise Methan oder Wasserstoff bei tiefen Temperaturen als Flüssigkeit vorliegen, d.h. es muss eine anziehende Wechselwirkung zwischen den einzelnen Molekülen geben, sonst würde niemals ein Molekülverband (=Flüssigkeit) gebildet werden, sondern immer nur “Einzelmoleküle” (= Gas) vorliegen.
Diese Kräfte, die zwischen unpolaren Molekülen wirken, werden das van-der-Waals-Kräfte oder van-der-Waals-Wechselwirkung bezeichnet. Diese anziehenden Kräfte zwischen Molekülen lässt sich darauf zurückführen, dass auch aufgrund der Elektronenbewegung um den Kern eine Bildung eines kurzzeitigen Dipols möglich ist.
Diese anziehenden Wechselwirkungen zwischen unpolaren Molekülen wurden nach van der Waal benannt. Diese van-der-Waals-Kraft entsteht dadurch, dass Atome kurzfristig Dipole (sog. induzierte Dipole) bilden. Aber wie entstehen diese van-der-Waals Kräfte.
Im zeitlichen Mittel sind die (negativ geladenen) Elektronen in der Atomhülle um den (positiv geladenen) Atomkern symmetrisch verteilt.
symmetrische Ladungsverteilung
Durch die sog. Influenz kann es zu einer kurzfristigen asymmetrischen Verteilung der Elektronen in der Hülle kommen. Dabei “entstehen” kurzfristig Bereiche im Atom bzw. Molekül mit unterschiedlicher Ladung (positive und negative Partialladung) und es bildet sich ein temporärer Dipol
asymmetrische Ladungsverteilung
Diese Bereiche mit unterschiedlicher Ladung können nun mit anderen Moleküle mit temporärem Dipol Wechselwirkung. Die Kräfte, mit denen sich die Moleküle gegenseitig anziehen, ist die van-der-Waals-Kraft.
Stärke der van-der-Waals-Kraft
Die Stärke der van-der-Waals-Kraft nimmt mit zunehmender Molekülgröße und Polarisierbarkeit der beteiligten Moleküle zu. Im Vergleich zu den Primärbindungen (Atombindung, Metallbindung, Ionenbindung) und den anderen Sekundärbindungen (Dipol-Dipol-Wechselwirkung, Wasserstoffbrückenbindung) sind die van-der-Waals-Wechselwirkungen die schwächsten “Bindungskräfte”.
Bester Hinweis für die van-der-Waals-Kräfte ist das Iodmolekül (I2). Es handelt sich bei dem Iodmolekül um ein unpolares Molekül mit einer unpolaren Atombindung zwischen beiden Iodatomen. Daher müsste das Iod eigentlich gasförmig sein (keine anziehende Wechselwirkung, die die Iodmoleküle zusammen hält). Da aber Moleküle van-der-Waals-Kräfte ausbilden und die Iodmoleküle auf Grund ihrer “Größe” relativ starke van-der-Waals Kräfte ausbilden, ist Iod bei Raumtemperatur ein Feststoff.
In vielen Lehrbüchern wird die van-der-Waals-Kraft” als sehr schwach angegeben (2 kJ/mol). Dies bezieht sich auf “normale” Moleküle in der SEK I. Die van-der-Waals-Kräfte, die von der Größe des Moleküls abhängen, können bei makromolekularen Verbindungen (=> organische Verbindungen) “relativ” stark werden.
Wie viele temporäre Dipole benötigt man theoretisch, um van-der-Waals-Kräfte zwischen einem großen Verband an Molekülen “aufzubauen”?
Im Grunde bräuchte man nur einen temporären Dipol. Dieser temporärer Dipol kann auf seine Nachbarmoleküle polarisierend wirken, d.h. der temporäre Dipol induziert andere Moleküle zu Dipolen (dies bezeichnet man als induzierte Dipole). Somit kann zwischen beiden temporären Dipolen eine anziehende Wechselwirkung, die van-der-Waals-Kraft, wirken. Allerdings bestehen diese -immer wieder auftretenden- temporären Dipole nur sehr kurzfristig, da der Zustand der symmetrischen Ladungserteilung für Atom bzw. Molekül “energetisch” wesentlich günstiger ist.
Die van-der-Waals-Wechselwirkungen sind schwache, attraktive Kräfte zwischen Molekülen oder Teilen von Molekülen, die durch instantane (flüchtige) Polarisation von Elektronen in den Atomen und Molekülen entstehen.
Es gibt drei Arten von van-der-Waals-Wechselwirkungen: Keesom-Wechselwirkungen (Dipol-Dipol), Debye-Wechselwirkungen (Dipol-induzierter Dipol) und London-Dispersion-Kräfte (induzierter Dipol-induzierter Dipol).
London-Dispersion-Kräfte sind eine Form der van-der-Waals-Wechselwirkung, die entsteht, wenn sich Elektronen zufällig so verteilen, dass sie ein vorübergehendes Dipol in einem Atom oder Molekül erzeugen.
Van-der-Waals-Wechselwirkungen sind entscheidend für viele physikalische und biologische Phänomene, wie die Löslichkeit, den Siede- und Schmelzpunkt von Stoffen und die Struktur von Proteinen und Nukleinsäuren.
Größere und massereichere Moleküle haben in der Regel stärkere van-der-Waals-Wechselwirkungen, da sie mehr Elektronen haben, die zur Polarisation und Bildung temporärer Dipole beitragen können.
Die van-der-Waals-Wechselwirkungen können durch Erhöhen der Temperatur oder durch Anwendung von Druck unterbrochen werden, da beide Maßnahmen die kinetische Energie der Moleküle erhöhen und sie weiter voneinander entfernen.
Keesom-Wechselwirkungen sind eine Form der van-der-Waals-Wechselwirkung, die zwischen permanenten Dipolen auftritt, d.h., zwischen Molekülen, die eine asymmetrische Ladungsverteilung aufweisen.
Debye-Wechselwirkungen entstehen, wenn ein permanentes Dipolmolekül ein Dipol in einem ansonsten unpolarisierten Molekül induziert, was zu einer Attraktion führt.
Van-der-Waals-Wechselwirkungen sind besonders stark in Molekülen mit großer molarer Masse und hoher Polarität, da diese Moleküle in der Regel mehr Elektronen haben und stärker polarisierbar sind.
Die van-der-Waals-Kräfte haben großen Einfluss auf die Eigenschaften von Feststoffen und Flüssigkeiten, einschließlich ihrer Dichte, Härte, Elastizität, Schmelz- und Siedepunkte sowie ihre Fähigkeit, Wärme und elektrischen Strom zu leiten.