Chemie Grundlagen

Van-der-Waals-Kräfte

Wieso kann ein Gecko an – für uns gesehen – glatten Oberflächen haften? Warum kondensieren Gase unterhalb einer bestimmten Temperatur zu Flüssigkeiten? Damit das alles klappt, sind die sogenannten Van der Waals Kräfte verantwortlich.

Eine Erklärung, was diese Kräfte sind, wie sie entstehen und wie sie funktionieren, haben wir für euch auch in unserem Video zusammengefasst.

Inhaltsübersicht

Van der Waals Kräfte Definition

Merke
Als Van der Waals Kräfte werden die geringen Anziehungen zwischen Molekülen oder Atomen definiert. Dabei herrscht eine relativ schwache, nicht-kovalente Wechselwirkung.

Die Elektronen der Teilchen sind immer in Bewegung. Durch diese Ladungsverteilung bilden sich kurzzeitig Dipole und es kommt, ähnlich wie bei Magneten, zu einer Anziehung, beziehungsweise Bindung untereinander.

Van der Waals Kräfte, Temporärer Dipol, Dipol, Elektronenverteilung
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Temporärer Dipol durch Elektronenverteilung

Mittlerweile erfolgen Versuche der Definition der Van der Waals Wechselwirkung mittels quantenmechanischer Betrachtung. Das wird in diesem Artikel aber nicht weiter behandelt.

Zwischenmolekulare Kräfte

Eine Aufteilung der Van der Waals Kräfte nach heutigem Definitionsstand erfolgt in drei Bestandteile:

  • Die Keesom Wechselwirkung zwischen zwei Dipolen (Dipol-Dipol-Kräfte)
  • Die Debye Wechselwirkung zwischen einem Dipol und einem polarisierten Molekül (Dipol-induzierter-Dipol-Kräfte)
  • Die Londonsche Dispersionswechselwirkung zwischen zwei polarisierten Molekülen (Induzierter-Dipol-induzierter-Dipol-Kräfte)

Am stärksten wird die Londonsche Dispersionswechselwirkung mit der Van der Waal Bindung assoziiert, da diese der dominierende der drei Bestandteile ist.

Noch zu erwähnen ist zusätzlich die Wasserstoffbrückenbindung. Falls du Interesse an diesem Thema hast findest du hier unseren Beitrag dazu.

Van der Waals Bindung

Eigentlich ist die Van der Waals Bindung keine echte Bindung, wird aber meistens als eine solche bezeichnet. Sie besteht zwischen fast allen Teilchen, wird hauptsächlich aber durch stärkere Bindungsarten überdeckt. Dazu zählen unter anderem Dipol-Dipol-Wechselwirkungen in Wasser oder die Ionenbindung . Eine bessere Bezeichnung für diese Situation bietet die Van der Waals Wechselwirkung. Die Stärke der Bindung ist abhängig von der Polarisierbarkeit der beiden Moleküle und nimmt mit der sechsten Potenz des Abstandes ab.

\vec{F}\ \sim\ \frac{1}{r^6}

Ursache der Van der Waals Kraft

In den einzelnen Molekülen bewegen sich die Elektronen ständig in bestimmten Grenzen. Das führt zu einer ständig wechselnden Ladungsverteilung. Ist sozusagen der größte Abstand zwischen den Ladungen erreicht spricht man von einem Dipol. Dabei sind einzelne Moleküle aber nur temporäre Dipole, da sich die Elektronenverteilung kontinuierlich verändert. Diese temporären Dipole treten aber nur bei sehr ähnlicher Elektronegativität auf. Außerdem können sich unpolare Moleküle gegenseitig einen Dipol influieren. Das passiert, wenn beispielsweise ein einseitig negativ geladenes Teilchen einem anderen Teilchen zu nahe kommt. Dadurch werden die Elektronen in dem ungeladenen Teilchen weggestoßen und es entsteht eine positiv geladene Seite. Dieser Vorgang wird als Influenz bezeichnet. Jetzt stehen sich sowohl ein Minus- als auch ein Pluspol gegenüber und es kommt zu einer gegenseitigen Anziehung.

Van der Waals Kräfte, Van der Waals Wechselwirkung, Temporärer Dipol, Influenz, Sipol
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Van der Waals Wechselwirkung

Und das sind die Van der Waals Kräfte. Wichtig ist, dass die Dipole sich schnell wieder zurückbilden, aber sofort wieder neue gebildet werden. Deshalb kann nicht von einer dauerhaften Bindung gesprochen werden. Man kann dementsprechend zwei verschiedene Situationen definieren:

  • Zwei temporäre Dipole treffen sich und es kommt zu einer Anziehung
  • Ein temporärer Dipol trifft auf ein Teilchen ohne Dipol und influiert dort ein Dipolmoment; Es kommt zur Anziehung

London Kräfte

In der quantenmechanischen Definition der chemischen Bindung werden die schwachen Anziehungskräfte zwischen ungeladenen, unpolarisierten Atomen und Molekülen als London Kräfte bezeichnet. Diese werden oftmals mit den Van der Waals Kräften assoziiert, sind aber nur ein Bestandteil davon. Man kann also festhalten, dass bei der Nennung der London Kräfte die Van der Waals Kräfte gemeint sind und dies auch umgekehrt gilt.

Van der Waals Kräfte Beispiel

Die Alkane sind wohl das bekannteste Beispiel für eine Stoffgruppe in Zusammenhang mit den Van der Waals Kräften. Mehr zu der Stoffgruppe der Alkane findest du in unserem Beitrag dazu. Das sind Kohlenwasserstoffe mit der allgemeinen Summenformel C_nH_{2n+2}. Prominente Vertreter sind unter Anderem Methan, Ethan oder Butan. Der Vergleich von kurz- und langkettigen Molekülen zeigt eine unterschiedliche Stärke der Van der Waals Bindung auf. Hat man eine kleine Molekülmasse und dementsprechend eine kleine Berührungsfläche ist die Van der Waals Kraft kleiner als bei einer großen Molekülmasse mit großer Berührungsfläche.

Van der Waals Kräfte, Propan, Octan
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Propan und Octan

Eine technische Nutzung dieses Effekts wird beispielsweise bei der Trennung von Gasgemischen genutzt, da kurzkettige Moleküle bei Erwärmung schneller verdampfen als langkettige. So ist das auch mit der Haftkraft des Geckos an glatten Oberflächen. Dieser nutzt, neben der elektrostatischen Anziehungskraft, auch die Van der Waals Kräfte. Er hat unzählige kleine Härchen an den Füßen, welche einzeln nur geringe Kräfte übertragen können. Viele davon können jedoch eine viel größere Kraft übertragen, was ihm ermöglicht, an der Decke zu kleben.

Van der Waals Kräfte einfach erklärt

Halten wir fest, was wir bisher erfahren und gelernt haben.

Man kann sich die Van der Waals Kräfte wohl am ehesten wie die Anziehungskräfte von Magneten vorstellen. Dabei ziehen sich ebenfalls unterschiedliche Pole gegenseitig an, was aufgrund der temporären Dipole ähnlich darzustellen ist.

Die Van der Waals Kräfte sind schwache Bindungen, bzw. Wechselwirkungen und oftmals von den stärkeren Bindungen verdeckt und deswegen auch übersehen oder vergessen.

Sie entstehen nur bei geringen Elektronegativitätsdifferenzen und nie bei dauerhaften Dipolen. Die Influenz eines temporären Dipols auf ein Teilchen ohne Dipol ist ein in der Chemie oftmals vorkommendes Phänomen und bildet die Grundlage für das Auftreten von Van der Waals Kräften.

Das wohl prominenteste Beispiel sind die Kohlenwasserstoffe.


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