Die van-der-Waals-Wechselwirkung

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.

Van-der-Waals-Wechselwirkung

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

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

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

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.

Hinweis zur van-der-Waals-Kraft

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.