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Van-der-Waals-Kräfte einfach erklärt
Van-der-Waals-Kräfte sind schwache Wechselwirkungen zwischen Atomen oder Molekülen. Im engeren Sinn meint der Begriff meist die Anziehung durch kurzzeitig ungleich verteilte Elektronen. Viele solcher schwachen Einzelwirkungen können gemeinsam Stoffeigenschaften und sogar die Haftung eines Geckos beeinflussen.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Was bedeutet Van-der-Waals-Kraft?
Ein Molekül besteht aus Atomen, die durch Bindungen zusammengehalten werden. Zusätzlich können sich verschiedene Moleküle gegenseitig anziehen. Diese Anziehung zwischen Teilchen nennt man eine zwischenmolekulare Wechselwirkung.
Van-der-Waals-Kräfte
Van-der-Waals-Kräfte sind relativ schwache, nichtkovalente Wechselwirkungen zwischen Atomen oder Molekülen. Sie sind keine zusätzlichen Atombindungen innerhalb eines Moleküls.
Der Begriff wird unterschiedlich verwendet:
- Im weiteren Sinn umfasst er Dipol-Dipol-Wechselwirkungen, Dipol–induzierter-Dipol-Wechselwirkungen und London-Dispersionswechselwirkungen.
- Im engeren Sinn bezeichnet er vor allem London-Dispersionswechselwirkungen. Auf diesen häufigen schulischen Gebrauch konzentriert sich diese Seite.
London-Dispersionswechselwirkungen treten auch dann auf, wenn ein Teilchen keinen permanenten Dipol besitzt. Sie können außerdem neben anderen zwischenmolekularen Kräften wirken.
Eine Atombindung hält Atome innerhalb eines Moleküls zusammen. Eine Van-der-Waals-Wechselwirkung wirkt zwischen benachbarten Teilchen.
Wie entsteht die Anziehung?
Elektronen befinden sich nicht ständig an derselben Stelle. Deshalb kann die negative Ladung in einem Atom oder Molekül für einen kurzen Moment ungleich verteilt sein.
Sind die Schwerpunkte der positiven und negativen Ladung vorübergehend getrennt, entsteht ein temporärer Dipol: Eine Seite ist kurzzeitig etwas negativer, die andere etwas positiver.
Nähert sich ein zweites Teilchen, beeinflusst der temporäre Dipol dessen Elektronenverteilung. Die Elektronen werden etwas verschoben. So entsteht im Nachbarteilchen ein induzierter Dipol. Gegensätzliche Teilseiten liegen einander gegenüber und ziehen sich an.
Die Entstehung lässt sich als Kette darstellen:
- Die Elektronenverteilung in Teilchen A ist für einen Moment unsymmetrisch.
- Teilchen A besitzt dadurch eine kurzzeitig negative und eine kurzzeitig positive Seite.
- Die negative Seite verschiebt die Elektronen im benachbarten Teilchen B.
- Auf der zugewandten Seite von B entsteht positiver Charakter.
- Die entgegengesetzten Teilseiten ziehen sich an.
Da sich die Elektronen weiterbewegen, verschwinden und entstehen solche Dipole fortlaufend neu.
Wähle in jeder Lücke die passende Form und prüfe anschließend deine Antworten.
Eine momentane Elektronenverteilung erzeugt einen temporären Dipol. Dieser kann im Nachbarteilchen einen Dipol . Gegenüberliegende Teilseiten mit Ladungscharakter ziehen sich an.
Wovon hängt die Stärke ab?
Eine einzelne London-Wechselwirkung ist schwach. Ihre Gesamtwirkung wächst aber, wenn viele günstige Kontakte gleichzeitig möglich sind.
Drei Faktoren sind besonders wichtig:
- Abstand: Die Wechselwirkung nimmt bei wachsendem Abstand stark ab. Die Teilchen müssen einander sehr nahe kommen.
- Kontaktfläche: Große aneinanderliegende Flächen ermöglichen viele gleichzeitige Wechselwirkungen.
- Polarisierbarkeit: Je leichter sich die Elektronenverteilung eines Teilchens verschieben lässt, desto stärker können temporäre und induzierte Dipole wirken.
Auch die Temperatur spielt eine Rolle. Bei höherer Temperatur bewegen sich Teilchen stärker. Dadurch können kurzreichweitige Anziehungen leichter überwunden werden.
Kurzer Abstand und große Kontaktfläche begünstigen viele Van-der-Waals-Wechselwirkungen. Stärkere thermische Bewegung erleichtert dagegen die Trennung der Teilchen.
Wie erklären die Kräfte Siedepunkte von Alkanen?
Beim Sieden müssen Moleküle voneinander getrennt werden. Sind die zwischenmolekularen Anziehungen stärker, ist dafür mehr thermische Energie nötig. Der Stoff siedet dann bei einer höheren Temperatur.
Bei längeren Alkanmolekülen gibt es meist größere Kontaktmöglichkeiten. Deshalb steigen ihre Siedepunkte im Allgemeinen mit zunehmender Kettenlänge.
Propan besitzt eine kürzere Kohlenstoffkette als Heptan. Heptanmoleküle können sich über größere Bereiche berühren. Zwischen ihnen wirken daher insgesamt mehr beziehungsweise stärkere London-Wechselwirkungen.
Folgerung: Zum Trennen der Heptanmoleküle ist mehr thermische Energie nötig. Heptan hat deshalb den höheren Siedepunkt.
Nicht nur die Molekülgröße, sondern auch die Form ist wichtig. Das zeigt der Vergleich dreier Isomere mit derselben Summenformel $C_5H_{12}$. Isomere besitzen dieselbe Summenformel, aber einen unterschiedlichen Aufbau.
| Isomer | Siedepunkt |
|---|---|
| 2,2-Dimethylpropan | $9{,}5\,^{\circ}\mathrm{C}$ |
| 2-Methylbutan | $28\,^{\circ}\mathrm{C}$ |
| n-Pentan | $36{,}1\,^{\circ}\mathrm{C}$ |
Das kompakte 2,2-Dimethylpropan bietet ungünstigere Kontaktmöglichkeiten als das kettenförmigere n-Pentan. Deshalb ist seine gesamte Van-der-Waals-Anziehung geringer und sein Siedepunkt niedriger.
Der Siedepunkttrend lässt sich hier gut mit Kontaktfläche und Molekülform erklären. Schmelzpunkte folgen nicht immer demselben einfachen Verlauf, weil weitere Einflüsse hinzukommen.
Warum kann ein Gecko an Glas haften?
Gecko-Füße besitzen sehr viele mikroskopisch feine Härchen. Diese Strukturen vergrößern die Kontaktfläche und bringen sehr viele Stellen des Fußes nahe an die Oberfläche.
Zwischen einem einzelnen Härchen und der Oberfläche wirken nur schwache Van-der-Waals-Wechselwirkungen. Weil jedoch sehr viele Kontaktpunkte gleichzeitig entstehen, addieren sich die Einzelwirkungen zu einer großen Gesamthaftung.
Ein einzelner Kontaktpunkt trägt kaum zur Haftung bei. Tausende oder noch mehr eng anliegende Kontaktstellen wirken gleichzeitig. Die Wirkung beruht daher nicht auf einer einzelnen starken Bindung, sondern auf der Summe sehr vieler schwacher Wechselwirkungen.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Van-der-Waals-Kräfte
- Ursache: veränderliche Elektronenverteilung
- Ablauf: temporärer Dipol, induzierter Dipol, Anziehung
- Stärke: Abstand, Kontaktfläche und Polarisierbarkeit
- Stoffeigenschaft: Siedepunkt von Alkanen
- Anwendung: Haftung eines Geckos
- Abgrenzung: Wechselwirkung zwischen Teilchen, keine Atombindung
Abschluss-Check
Du hast das Ziel erreicht, wenn du von der Elektronenbewegung über temporäre und induzierte Dipole bis zu einer beobachtbaren Stoffeigenschaft oder Haftwirkung schlüssig erklären kannst.