Wie halten Van-der-Waals-Kräfte Moleküle zusammen?

Van-der-Waals-Kräfte bilden elektrostatische Bindungen zwischen Molekülen. Intermolekulare Bindungen einschließlich Van-der-Waals-Bindungen halten die Moleküle in Flüssigkeiten und Festkörpern zusammen und sind für Phänomene wie die Oberflächenspannung in Flüssigkeiten und Kristalle in Festkörpern verantwortlich. Die intermolekularen Kräfte sind viel schwächer als die inneren Kräfte, die Atome in Molekülen zusammenhalten, aber sie sind immer noch stark genug, um das Verhalten und die Eigenschaften vieler Materialien zu beeinflussen.

TL; DR (zu lang; nicht gelesen)

Elektrostatische Van-de-Waals-Kräfte wirken zwischen Molekülen, um schwache Bindungen zu bilden. Die Arten von Van-der-Waals-Kräften, vom stärksten bis zum schwächsten, sind Dipol-Dipol-Kräfte, Dipol-induzierte Dipolkräfte und die Londoner Dispersionskräfte. Die Wasserstoffbrücke basiert auf einer besonders starken Dipol-Dipol-Kraft. Diese Kräfte helfen, die physikalischen Eigenschaften von Materialien zu bestimmen.

Drei Arten von Van-der-Waals-Kräften, vom stärksten bis zum schwächsten, sind Dipol-Dipol-Kräfte, Dipol-induzierte Dipolkräfte und die Londoner Dispersionskräfte. Dipole sind polare Moleküle mit negativ und positiv geladenen Polen an gegenüberliegenden Enden des Moleküls. Der negative Pol eines Moleküls zieht den positiven Pol eines anderen Moleküls an und bildet eine elektrostatische Dipol-Dipol-Bindung.

Wenn sich ein geladenes Dipolmolekül einem neutralen Molekül nähert, induziert es eine entgegengesetzte Ladung im neutralen Molekül, und die entgegengesetzten Ladungen ziehen sich an, um eine dipolinduzierte Dipolbindung zu bilden. Wenn zwei neutrale Moleküle zu temporären Dipolen werden, weil sich ihre Elektronen zufällig auf einer Seite des Moleküls sammeln, neutrale Moleküle werden von elektrostatischen Kräften, den sogenannten London-Dispersionskräften, angezogen und können eine entsprechende Bindung.

Die Londoner Dispersionskräfte sind bei kleinen Molekülen schwach, aber bei größeren Molekülen nehmen sie an Stärke zu, wo viele der Elektronen sind vergleichsweise weit vom positiv geladenen Kern entfernt und können sich frei bewegen um. Dadurch können sie sich asymmetrisch um das Molekül ansammeln und den temporären Dipoleffekt erzeugen. Für große Moleküle werden die Londoner Dispersionskräfte zu einem bedeutenden Faktor in ihrem Verhalten.

Enthält ein Dipolmolekül ein Wasserstoffatom, kann es eine besonders starke Dipol-Dipol-Bindung eingehen, da das Wasserstoffatom klein ist und die positive Ladung konzentriert ist. Die erhöhte Stärke der Bindung macht dies zu einem Sonderfall, der als Wasserstoffbrücke bezeichnet wird.

In Gasen bei Raumtemperatur sind Moleküle zu weit voneinander entfernt und haben zu viel Energie, um von intermolekularen Van-der-Waals-Kräften beeinflusst zu werden. Diese Kräfte werden für Flüssigkeiten und Feststoffe wichtig, weil die Moleküle weniger Energie haben und näher beieinander liegen. Die Van-der-Waals-Kräfte gehören zu den intermolekularen Kräften, die Flüssigkeiten und Feststoffe zusammenhalten und ihnen ihre charakteristischen Eigenschaften verleihen.

In Flüssigkeiten sind die intermolekularen Kräfte noch zu schwach, um die Moleküle an Ort und Stelle zu halten. Die Moleküle haben genug Energie, um die intermolekularen Bindungen immer wieder auf- und abzubrechen, aneinander vorbeizugleiten und die Form ihres Behälters anzunehmen. Im Wasser beispielsweise bestehen die Bipolmoleküle aus einem negativ geladenen Sauerstoffatom und zwei positiv geladenen Wasserstoffatomen. Die Wasserdipole bilden starke Wasserstoffbrücken, die die Wassermoleküle zusammenhalten. Dadurch hat Wasser eine hohe Oberflächenspannung, eine hohe Verdampfungswärme und einen für das Molekülgewicht vergleichsweise hohen Siedepunkt.

In Festkörpern haben die Atome zu wenig Energie, um die Bindungen der intermolekularen Kräfte aufzubrechen, und sie werden mit geringer Bewegung zusammengehalten. Neben Van-der-Waals-Kräften kann das Verhalten von Festkörpermolekülen auch durch andere intermolekulare Kräfte beeinflusst werden, beispielsweise durch solche, die ionische oder metallische Bindungen bilden. Die Kräfte halten die Moleküle von Festkörpern in Kristallgittern wie Diamanten, in Metallen wie Kupfer, in homogenen Festkörpern wie Glas oder in flexiblen Festkörpern wie Kunststoffen. Während die starken chemischen Bindungen, die Atome in Molekülen zusammenhalten, die chemischen Eigenschaften bestimmen von Materialien beeinflussen die intermolekularen Kräfte einschließlich der Van-der-Waals-Kräfte die physikalische Eigenschaften.