Atome und Moleküle interagieren durch Bindungen (oder Kräfte): intramolekular und intermolekular. Die Kräfte sind elektrostatisch, da sie durch Wechselwirkungen (anziehend oder abstoßend) zwischen geladenen Spezies (permanente, partielle oder temporäre Ladungen) entstehen und mit unterschiedlicher Stärke zwischen Ionen, polaren, unpolaren und neutralen Molekülen existieren. Die verschiedenen Arten von intermolekularen Kräften sind Ionen-Dipol, Dipol-Dipol, Wasserstoffbrückenbindungen und Dispersion; Unter diesen existieren Dipol-Dipol-, Wasserstoffbrückenbindungen und Dispersionskräfte zwischen neutralen Atomen und Molekülen, die zusammen als Van-der-Waals-Kräfte bekannt sind.

Dipol-Dipol-Kräfte

Polare Moleküle haben eine partielle positive Ladung an einem Ende des Moleküls und eine teilweise negative Ladung am anderen Ende des Moleküls – eine Ladungstrennung, die als Dipol bezeichnet wird.In einem polaren Molekül wie HCl trägt das elektronegativere Cl-Atom die partielle negative Ladung, während das weniger elektronegative H-Atom die partiell positive Ladung trägt. Eine Anziehungskraft zwischen HCl-Molekülen ergibt sich aus der Anziehungskraft zwischen dem positiven Ende eines HCl-Moleküls und dem negativen Ende eines anderen. Diese Anziehungskraft wird als Dipol-Dipol-Anziehung bezeichnet – die elektrostatische Kraft zwischen dem teilweise positiven Ende eines polaren Moleküls und dem teilweise negativen Ende eines anderen.

Dispersionskräfte

Eine der drei Van-der-Waals-Kräfte ist in allen kondensierten Phasen vorhanden, unabhängig von der Art der Atome oder Moleküle, aus denen die Substanz besteht. Diese Anziehungskraft wird zu Ehren des in Deutschland geborenen amerikanischen Physikers Fritz London als Londoner Dispersionskraft bezeichnet, der sie 1928 erstmals erklärte. Diese Kraft wird oft einfach als Dispersionskraft bezeichnet. Da sich die Elektronen eines Atoms oder Moleküls in ständiger Bewegung befinden (oder alternativ ihre Position quantenmechanischer Variabilität unterliegt), kann ein Atom oder Molekül zu jedem Zeitpunkt einen temporären, momentanen Dipol entwickeln, wenn seine Elektronen asymmetrisch verteilt sind. Das Vorhandensein dieses Dipols kann wiederum die Elektronen eines benachbarten Atoms oder Moleküls verzerren, wodurch ein induzierter Dipol entsteht. Diese beiden schnell fluktuierenden, temporären Dipole führen also zu einer relativ schwachen elektrostatischen Anziehung zwischen den Spezies – einer sogenannten Dispersionskraft.

Dispersionskräfte, die zwischen Atomen in verschiedenen Molekülen entstehen, können die beiden Moleküle aneinander anziehen. Die Kräfte sind jedoch relativ schwach und werden erst dann signifikant, wenn die Moleküle sehr nahe beieinander sind. Größere und schwerere Atome und Moleküle weisen stärkere Dispersionskräfte auf als kleinere und leichtere Atome und Moleküle. F₂ und Cl₂ sind Gase bei Raumtemperatur (die schwächere Anziehungskräfte reflektieren); Br₂ ist eine Flüssigkeit und I₂ ist ein Feststoff (der stärkere Anziehungskräfte widerspiegelt).

Wasserstoffbrückenbindung

Nitrosylfluorid (ONF, Molekülmasse 49 amu) ist bei Raumtemperatur ein Gas, während Wasser (_H2O, Molekülmasse 18 amu) eine Flüssigkeit ist, obwohl es eine niedrigere Molekülmasse hat. Beide Moleküle haben ungefähr die gleiche Form, und ONF ist das schwerere und größere Molekül. Es ist daher zu erwarten, dass es zu stärkeren Dispersionskräften kommen wird. Darüber hinaus kann dieser Unterschied in den Siedepunkten nicht das Ergebnis von Unterschieden in den Dipolmomenten der Moleküle sein. Beide Moleküle sind polar und weisen vergleichbare Dipolmomente auf. Der große Unterschied zwischen den Siedepunkten ist auf eine besonders starke Dipol-Dipol-Anziehung zurückzuführen, die auftreten kann, wenn ein Molekül ein Wasserstoffatom enthält, das an ein Fluor-, Sauerstoff- oder Stickstoffatom gebunden ist (die drei elektronegativsten Elemente). Der sehr große Unterschied in der Elektronegativität zwischen dem H-Atom (2,1) und dem Atom, an das es gebunden ist (4,0 für ein F-Atom, 3,5 für ein O-Atom oder 3,0 für ein N-Atom), kombiniert mit der sehr geringen Größe eines H-Atoms und den relativ kleinen Größen von F-, O- oder N-Atomen, führt zu hochkonzentrierten Teilladungen mit diesen Atomen. Moleküle mit F-H-, O-H- oder N-H-Anteilen werden sehr stark von ähnlichen Anteilen in benachbarten Molekülen angezogen, eine besonders starke Art der Dipol-Dipol-Anziehung, die als Wasserstoffbrückenbindung bezeichnet wird. Beispiele für Wasserstoffbrückenbrücken sind HF⋯HF, H₂O⋯HOH und H₃N⋯HNH₂, wobei die Wasserstoffbrückenbindungen durch Punkte gekennzeichnet sind.

Ionen-Dipol-Kräfte

Eine Ionen-Dipol-Kraft ist die elektrostatische Anziehung zwischen einem Ion und einem Dipol. Diese Kräfte sind in Lösungen üblich und spielen eine wichtige Rolle bei der Auflösung von ionischen Verbindungen in Wasser.

Wenn eine ionische Verbindung wie KCl zu einem polaren Lösungsmittel wie Wasser hinzugefügt wird, trennen sich die Ionen im Feststoff und verteilen sich gleichmäßig. Ionen-Dipol-Kräfte ziehen das positive (Wasserstoff-)Ende der polaren Wassermoleküle zu den negativen Chlorid-Ionen an der Oberfläche des Festkörpers an, und sie ziehen die negativen (Sauerstoff-)Enden zu den positiven Kalium-Ionen an. Die Wassermoleküle umgeben einzelne K⁺- und Cl⁻-Ionen, wodurch die starken interionischen Kräfte, die die Ionen (in einem Feststoff) miteinander verbinden, reduziert und als solvatisierte Ionen in Lösung abtransportiert werden. Die Überwindung der elektrostatischen Anziehungskraft ermöglicht die unabhängige Bewegung jedes hydratisierten Ions in einer verdünnten Lösung, während die Ionen von festen Positionen in der ungelösten Verbindung zu weit verteilten, solvatisierten Ionen in Lösung übergehen.

Die Stärke der Ionen-Dipol-Wechselwirkungen ist direkt proportional zu i) der Ladung auf dem Ion und ii) der Größe des Dipols polarer Moleküle.

Dieser Text wurde übernommen von Openstax, Chemie 2e, Kapitel 10: Flüssigkeiten und Feststoffe.