Van-der-Waals-Kraft
Synonym: Van-der-Waals-Wechselwirkung
Abkürzung: VdW
Englisch: Van-der-Waals-force
Definition
Die Van-der-Waals-Kraft (VdW), benannt nach dem niederländischen Physiker Diderik van der Waals, ist eine der elementaren Wechselwirkungen zwischen unpolaren Teilchen. Diese Wechselwirkung ist allerdings energetisch niedriger als eine ionische oder kovalente Bindung. Eine VdW-Wechselwirkung erreicht bei bestmöglichen Bedingungen eine Bindungsenergie von ca. 5 kJ/mol, wohingegen eine mittlere kovalente Bindung 140 - 595 kJ/mol beträgt.
Theorie
Die Entstehung dieser Art von Wechselwirkung basiert auf der Tatsache, dass sich die Ladungen innerhalb von Atomen ständig in Bewegung befinden. Dabei kommt es in fast regelmäßigen Abständen zu einer Verschiebung der Ladungsschwerpunkte von Protonen und Elektronen, sodass diese sich nicht mehr vollständig gegenseitig
kompensieren können. Es entstehen sog. temporäre Dipole. Für das Atom bedeutet dies, dass die Elektronen sich für einen zeitlich begrenzten Raum auf einer Seite des Atoms bevorzugt aufhalten und somit der positive Atomkern nicht mehr vollständig abgeschirmt ist. Ein temporärer Dipol ist dann in der Lage beim Annähern an ein anderes unpolares Atom bzw. Molekül ein Dipol zu induzieren. Hierbei ziehen entweder die in einer Region konzentrierten Elektronen oder der nicht vollständig abgeschirmte positive Kern eines Atoms, die jeweils gegensätzlich geladenen Elementarteilchen des Nachbaratoms an. Diese richten sich und es folgt eine Dipolausbildung durch Ladungsverschiebung im Nachbaratom. Dipole, die durch einen anderen spontanen Dipol induziert werden, nennt man influierte Dipole. Somit können diese kurzfristigen Dipole miteinander in Wechselwirkung treten oder neue Dipole induzieren, die sich wiederum an einer Wechselwirkung beteiligen können.
Die VdW-Kraft ist im Wesentlichen aus drei weiteren Wechselwirkungen zusammengesetzt:
Debye-Wechselwirkung
Diese Wechselwirkung beschreibt die Anziehung zwischen einem Dipol und einem polarisierbaren Atom bzw. Molekül.
Keesom-Wechselwirkung
Diese Wechselwirkung, auch Dipol-Dipol-Wechselwirkung genannt, beschreibt die Anziehung zwischen zwei Dipolen.
London-Wechselwirkung
Bei dieser Wechselwirkung wird das Anziehungspotenzial zwischen zwei induzierten Dipolen betrachtet.
Eigenschaften
VdW-Kräfte sind elektrostatisch betrachtet schwach und besitzen vor allem eine sehr geringe Reichweite. Somit müssen sich Atome bzw. Moleküle sehr nahe kommen. Dabei treten allerdings zwei Probleme auf:
- Je mehr kinetische Energie ein Teilchen besitzt, umso unwahrscheinlicher ist eine Annäherung die langsam genug ist, um eine VdW-Wechselwirkung zu erzeugen
- Ab einer bestimmten Distanz die überschritten wird, entsteht eine sog. Pauli-Abstoßung, da Elektronen bei Annäherung der Atomhüllen auf energetisch höhere Orbitale springen. Dies wird durch das Pauli-Prinzip begründet, welches besagt, dass kein Elektron den gleichen Zustand wie den eines anderen Elektrons besetzen kann.
Diese anziehenden und repulsiven Kräfte werden in einem Potential zusammengefasst, welches Lennard-Jones-Potential genannt wird. Diese wird meist als eine Funktion aus Potential und Abstand grafisch dargestellt.