Van-der-Waals-Kräfte

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Van-der-Waals-Kräfte ist der Sammelbegriff für die intermolekularen Wechselwirkungen, die für die schwachen Anziehungskräfte zwischen neutralen chemischen Spezies wie Atomen und Molekülen verantwortlich sind. Sie sind relativ schwache Kräfte mit einer sehr kurzen Reichweite und bestehen aus der Summe von drei verschiedenen Arten von Kräften, die gleichzeitig vorhanden sein können oder nicht. Diese drei Kräfte sind die Keesom-Kräfte, die Debye-Kräfte und die Londoner Zerstreuungskräfte.

Obwohl sie viel schwächere Wechselwirkungen sind als die Bindungskräfte, die in ionischen, metallischen und kovalenten Bindungen vorhanden sind, können sie beträchtlich werden, wenn die beteiligten Moleküle groß genug sind.

Van-der-Waals-Kräfte sind für die Fähigkeit der Geckos und Arthropoden verantwortlich, sehr glatte Oberflächen wie Glas und Keramik zu erklimmen.

Sie sind auch für die Adhäsionskräfte zwischen verschiedenen Oberflächen und dem Klebeband sowie anderen klebrigen Substanzen verantwortlich. Tatsächlich existiert Klebeband dank Van-der-Waals-Kräften. Diese Kräfte sind aus nächster Nähe stark genug, um die Teile zusammenzuhalten, die wir verbinden möchten (wie zum Beispiel die Deckel eines Kartons), aber gleichzeitig sind sie schwach genug, dass wir sie leicht lösen können.

Beispiel Van-der-Waals-Kräfte

Eigenschaften der Van-der-Waals-Kräfte

  • Wie alle Wechselwirkungen zwischen Atomen und Molekülen sind Van-der-Waals-Kräfte elektrostatischen Ursprungs.
  • Sie sind sehr kurzreichweitige Kräfte, was bedeutet, dass sie nur signifikant sind, wenn die Moleküle sehr nahe beieinander sind, und verschwinden schnell, wenn sie sich weiter voneinander entfernen.
  • Wenn sich zwei Moleküle näher kommen, unterhalb eines bestimmten Mindestabstands, werden die Van-der-Waals-Kräfte abstoßend. Dadurch wird sichergestellt, dass Atome und Moleküle nicht ineinander kollabieren.
  • Sie sind schwache Kräfte im Vergleich zu ionischen und kovalenten Bindungen. Denn zwischen kleinen Teilladungen bestehen Anziehungskräfte, die zum Teil nur für sehr kurze Zeit bestehen.
  • Einige der Komponenten der Van-der-Waals-Kräfte sind nicht gerichtet. Dies bedeutet, dass zwei Moleküle, die nahe genug sind, immer eine Anziehungskraft zueinander spüren, unabhängig von ihrer relativen Orientierung zueinander.
  • Sie sind additiv, was in Kombination mit ihrer fehlenden Richtwirkung dazu führt, dass sie bei ausreichend großer Kontaktfläche zwischen zwei Molekülen erheblich intensiver werden können.
  • Alle Komponenten der Van-der-Waals-Kräfte mit Ausnahme der Keesom-Kräfte sind temperaturunabhängig.
  • Sie können zwischen jedem Atom oder Molekül auftreten, unabhängig von seiner Struktur oder Zusammensetzung.

Komponenten der Van-der-Waals-Kräfte

Van-der-Waals-Kräfte entsprechen der Summe von drei verschiedenen Arten von Anziehungskräften. Einige dieser Komponenten sind unabhängig von den betreffenden Atomen oder Molekülen immer vorhanden, während andere nur bei polaren Molekülen vorkommen. Diese drei Komponenten sind:

Keesom-Kräfte oder Dipol-Dipol-Wechselwirkungen

Von den drei Komponenten der Van-der-Waals-Kräfte sind die intensivsten Wechselwirkungen diejenigen, die von der Anziehung zwischen den entgegengesetzten Polen polarer Moleküle herrühren, d. h. diejenigen, die einen permanenten Dipol haben. Diese Arten von Kräften oder Wechselwirkungen zwischen zwei permanenten Dipolen werden Keesom-Kräfte genannt, nach dem niederländischen Physiker Willem Hendrik Keesom, der sie zu Beginn des 20. Jahrhunderts untersuchte.

In diesen Fällen wird die positive Teilladung (δ+) des Dipols eines polaren Moleküls von der negativen Teilladung (δ-) des Dipols eines zweiten, ebenfalls polaren Moleküls angezogen (und umgekehrt). Diese Moleküle können einander gleich sein oder nicht.

Keesom-Kräfte - Dipol-Dipol-Wechselwirkungen

Keesom-Kräfte sind hauptsächlich für die Löslichkeit polarer Substanzen in polaren Lösungsmitteln verantwortlich. Außerdem treten sie aus offensichtlichen Gründen nur zwischen polaren Molekülen auf.

Debye-Kräfte oder induzierte Dipol-Dipol-Wechselwirkungen

Wenn sich ein Molekül mit einem permanenten Dipol (ein polares Molekül) einem neutralen Molekül nähert, das unpolar ist, oder sich dem unpolaren Teil eines amphipathischen Moleküls nähert (das einen polaren Kopf und einen unpolaren Schwanz hat), zieht sich die Teilladung des Dipols an Elektronen von der Oberfläche des zweiten Moleküls (wenn es teilweise positiv ist) oder stoßen sie ab (wenn es teilweise negativ ist). Der Effekt ist, dass die Verteilung der Elektronen auf seiner Oberfläche im unpolaren Molekül verzerrt wird, was die Bildung eines kleinen Dipols induziert. Dieser induzierte Dipol wird dann von dem Dipol des polaren Moleküls angezogen.

Diese Arten von Wechselwirkungen zwischen einem permanenten Dipol und einem induzierten Dipol werden als Debye-Kräfte bezeichnet und entsprechen der zweiten Intensitätskomponente der Van-der-Waals-Kräfte.

Londoner Dispersionskräfte oder induzierte Dipol-induzierte Dipol-Wechselwirkungen

In den Fällen, in denen ein Molekül kein permanentes Dipolmoment hat, oder in den Fällen neutraler Atome, die keine Dipole haben können, besteht immer noch die Möglichkeit, dass eine anziehende Kraft namens Londoner Dispersionskraft auftritt, benannt nach Fritz London, der sie charakterisierte im Jahr 1930.

In diesem Fall besteht die Anziehungskraft zwischen winzigen augenblicklichen Dipolen, die auf der Oberfläche aller Atome und Moleküle erscheinen und verschwinden, weil Elektronen Teilchen sind, die nicht überall gleichzeitig sein können. Aufgrund seiner ständigen Bewegung gibt es Zeiten, in denen sich auf einer Seite eines Atoms oder Moleküls mehr Elektronen befinden als auf der anderen. Diese ungleichmäßige Verteilung der elektrischen Ladungen führt zu einem kleinen Dipol, der verschwindet, sobald die Elektronen, die niemals stillstehen, auf die andere Seite des Moleküls zurückkehren.

Van-der-Waals-Kräfte - Londoner Dispersionskräfte

Aufgrund ihrer kurzen Dauer werden sie augenblickliche Dipole genannt, und sie erscheinen und verschwinden mit überraschender Häufigkeit auf der Oberfläche absolut aller chemischen Substanzen, seien es Moleküle, Atome oder Ionen. Immer wenn sich zwei Moleküle annähern, treten Anziehungskräfte zwischen den momentanen Dipolen des einen Moleküls und denen des anderen auf. Wenn einer dieser Dipole verschwindet, erscheint ein anderer auf der anderen Seite, und in beiden Molekülen wird es zu jedem Zeitpunkt immer eine bestimmte Anzahl anziehender Dipole geben.

Londoner Dispersionskräfte in einem Alkan

London-Kräfte sind die einzigen intermolekularen Wechselwirkungen, die in unpolaren Verbindungen vorhanden sind, und sie sind außerdem die schwächste Komponente aller Van-der-Waals-Kräfte. Je größer jedoch die Kontaktfläche zwischen zwei Molekülen ist, desto mehr augenblickliche Dipole ziehen sie an, so dass die London-Kräfte bei unpolaren Makromolekülen wie den Polymeren, aus denen die Kunststoffe bestehen, beträchtlich werden können.

Beispiele für Van-der-Waals-Kräfte

  • Dipol-Dipol-Wechselwirkungen zwischen zwei Wassermolekülen.
  • Die Klebekraft des Packbandes.
  • Beim Kondensieren von Edelgasen wie Argon oder Krypton sind die Kräfte, die die Atome zusammenhalten , Londoner Dispersionskräfte.
  • Zwischen einem Methanolmolekül und dem aliphatischen Schwanz eines Triglycerids induzierte Dipol-Dipol-Wechselwirkungen .
  • Die induzierten Dipol-Dipol-Kräfte, die zwischen Wassermolekülen (die polar sind) und Sauerstoffgasmolekülen (die unpolar sind) auftreten, wenn sich dieses Gas in Wasser auflöst.
  • Bei Kunststoffen wie Polyethylen werden die London-Kräfte, die zwischen den langen unpolaren Ketten von Gruppen –CH 2 – auftreten.
  • Die Haftung der Gecko-Pads auf polierten Oberflächen wie Glas.
  • Die Kräfte, die die Moleküle von Brom (Br 2 ) im flüssigen Zustand und Jod (I 2 ) im festen Zustand bei Raumtemperatur zusammenhalten .

Verweise

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Israel Parada (Licentiate,Professor ULA)
(Licenciado en Química) - AUTOR. Profesor universitario de Química. Divulgador científico.

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