In der Chemie sind die van-der-Waals-Kräfte eine wichtige Gruppe von intermolekularen Kräften. Eine intermolekulare Kraft ist eine relativ schwache Kraft, die Moleküle zusammenhält. Die Van-der-Waals-Kräfte gehören zu den schwächeren intermolekularen Wechselwirkungen und sind nach dem niederländischen Wissenschaftler Johannes Diderik van der Waals (1837–1923) benannt.
Was sind Van-der-Waals-Kräfte?
Elektronen sind negativ geladen und bewegen sich um Atome oder Ionen. Durch die Momentanverteilung der Elektronendichte entstehen an verschiedenen Stellen eines Moleküls kleine Unterschiede in der elektrischen Ladung. Diese geringfügigen Unterschiede werden als partielle Ladungen bezeichnet und oft mit δ– bzw. δ+ gekennzeichnet. Wechselwirkungen zwischen solchen partiellen oder induzierten Dipolen führen zu Van-der-Waals-Kräften. Der Begriff wird allerdings in der Literatur manchmal locker verwendet und als Synonym für alle intermolekularen Kräfte gebraucht.
Arten von Van-der-Waals-Kräften
- Dispersionskräfte (London-Kräfte): Sie entstehen durch kurzzeitige, zufällige Fluktuationen der Elektronendichte, die in benachbarten Teilchen induzierte Dipole erzeugen. Dispersionskräfte wirken zwischen allen Atomen und Molekülen, sind jedoch besonders relevant für unpolare Stoffe (z. B. Edelgase, Kohlenwasserstoffe).
- Dipol–Dipol-Kräfte (permanente Dipole): Treten auf, wenn Moleküle dauerhafte Dipole besitzen (z. B. HCl). Positive und negative Pole benachbarter Moleküle ziehen sich an.
- induzierte Dipol–Kräfte: Ein permanenter Dipol in einem Molekül kann in einem benachbarten, zunächst unpolaren Molekül einen Dipol induzieren; dadurch entsteht eine Wechselwirkung.
- Wasserstoffbrücken: Oft separat betrachtet, sind Wasserstoffbrücken stärker und sehr gerichtet, entstehen wenn H an sehr elektronegative Atome (z. B. O, N, F) gebunden ist. In vielen Kontexten werden sie jedoch zu den zwischenmolekularen Kräften gerechnet, nicht immer aber als Teil der klassischen Van-der-Waals-Kräfte.
Abstands- und Temperaturabhängigkeit
Van-der-Waals-Wechselwirkungen fallen schnell mit zunehmendem Abstand ab. Für die Dispersionsenergie zwischen zwei isolierten Teilchen gilt vereinfacht ein r–6-Abstandsverhalten (E ∝ −C6/r6). In makroskopischen Systemen wird die Summe solcher Wechselwirkungen durch z. B. den Hamaker-Wert beschrieben. Eine gebräuchliche Modellfunktion für Paare von Teilchen ist das Lennard‑Jones-Potential, das kurzreichweitige Abstoßung (r–12) und längerreichweitige Anziehung (r–6) kombiniert.
Mathematische Beschreibung und Messgrößen
- Lennard‑Jones-Potential: V(r) = 4ε[(σ/r)12 − (σ/r)6] – beschreibt qualitativ Anziehung und Abstoßung zwischen neutralen Teilchen.
- C6-Koeffizienten: charakterisieren die Stärke der Dispersionswechselwirkung zwischen zwei Atomen oder Molekülen.
- Hamaker-Konstante: relevante Größe bei makroskopischen Van-der-Waals-Wechselwirkungen zwischen Festkörpern oder großen Partikeln.
Rolle in Natur und Technik
Obwohl Van-der-Waals-Kräfte einzeln schwach sind, summieren sie sich in großen Zahlen und bestimmen viele physikalische und chemische Eigenschaften:
- Aggregatzustände und Siedepunkte: Dispersionskräfte erklären, warum unpolare Moleküle wie Edelgase bei tiefen Temperaturen verflüssigen.
- Löslichkeit: Wechselwirkungen zwischen Lösungsmittel und gelösten Stoffen beeinflussen die Löslichkeit von organischen Verbindungen.
- Biologie: Proteinfaltung, Basenstapelung in der DNA und Wechselwirkungen zwischen Lipiden werden durch eine Kombination aus Van-der-Waals-, Wasserstoffbrücken- und hydrophoben Effekten gesteuert.
- Materialwissenschaft und Nanotechnologie: Oberflächenhaftung, Selbstassemblierung von Molekülen und das Verhalten von Polymeren hängen maßgeblich von Van-der-Waals-Wechselwirkungen ab.
- Alltagsphänomene: Die Fähigkeit von Geckos, senkrecht an glatten Flächen zu haften, beruht hauptsächlich auf vielen kleinen Van-der-Waals-Kräften zwischen ihren Haftlamellen und der Oberfläche.
Beispiele
- Die zunehmenden Siedepunkte in einer homologen Reihe von Alkanen sind durch stärkere Dispersionskräfte bei größeren Molekülen erklärbar.
- Das Zusammenlagern (Stacking) aromatischer Ringe in organischen Feststoffen und Biomolekülen wird stark von Dispersionskräften beeinflusst.
- Die Bildung flüssiger Edelgase (z. B. flüssiges Argon) ist ohne Dispersionskräfte nicht möglich.
Praktische Hinweise
Van-der-Waals-Kräfte sind temperaturabhängig (höhere Temperaturen fördern die thermische Bewegung und schwächen relative Bedeutung solcher Wechselwirkungen) und hängen stark von Polarität, Polarisierbarkeit (wie leicht die Elektronenverteilung verzerrt werden kann) und dem molekularen Volumen ab. In simulationsgestützten Studien werden diese Kräfte häufig durch geeignete Potentialfunktionen und parametrische Koeffizienten modelliert.
Zusammenfassend sind Van-der-Waals-Kräfte zwar schwach im Vergleich zu kovalenten Bindungen, spielen aber eine fundamentale Rolle in der supramolekularen Chemie, bei Enzymen, in der Polymerwissenschaft, in der Nanotechnologie, in der Oberflächenwissenschaft und in der Physik der kondensierten Materie. Sie beeinflussen viele Eigenschaften von organischen Verbindungen, einschließlich ihrer Löslichkeit, und sind daher in Forschung und Technik von großer Bedeutung.
