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Zwischenmolekulare Wechselwirkungen

Anziehende Kraft zwischen Teilchen - Einfluss ihrer Polarität

Die Anziehungskräfte zwischen neutralen Teilchen sind abhängig von ihrer Polarität (elektrisches Dipolmoment) und elektrischen Polarisierbarkeit (Verschiebbarkeit der gesamten negativen Ladung relativ zum Atomkern-Gerüst). Grundlage der theoretischen Behandlung ist das Coulomb-Potenzial, das zwischen den einzelnen Elektronen und den Atomkernen zweier sich einander nähernder neutraler Teilchen besteht.

Φ r i k = 1 4 π ε r ε0 q 1 q 2 r i k | ε r = 1

Für zwei Helium-Atome sind vier Elektronen und zwei zweifach geladene Atomkerne zu berücksichtigen.

Für zwei neutrale Teilchen mit dem Abstand r führt die Theorie auf eine generelle r 6 -Abhängigkeit des Gesamtpotenzials.

Φ r = A r 6

Die Konstante A setzt sich summarisch aus drei Beiträgen unterschiedlicher Stärke zusammen:

A = A dipdip + A dip + A disp

Teilchen 1 und 2 mit permanentem Dipolmoment

Abb.1
Wechselwirkung zwischen permanenten Dipolen

Ein Dipol μ wird von zwei durch einen Abstand r getrennten, entgegengesetzten Ladungen q gebildet: μ = q r . Dipol 1 orientiert sich im elektrischen Feld von Dipol 2. Dem wirkt die Temperaturbewegung entgegen. Eine Gewichtung mit der Boltzmann-Verteilung ergibt als Resultat die T-abhängige Konstante.

A dipdip = 2 μ1 2 μ2 2 3 4 π ε0 2 k T

Diese Beziehung gilt nur für Dipole in Lösung oder im Gas, wo eine fast zufällige gegenseitige Orientierung vorliegt, d.h. die Moleküle rotieren nicht ganz frei. In geordneten Medien wie Kristallen hängt das Potenzial von der gegenseitigen Orientierung ab und nimmt mit r 3 ab.

Teilchen 1 mit permanentem Dipolmoment, Teilchen 2 ohne Dipolmoment

Abb.2
Wechselwirkung zwischen permanentem und induziertem Dipol

Hier beruht die anziehende Wechselwirkung auf der Polarisierbarkeit α von Teilchen 2. Die Konstante α gibt generell an, wie leicht sich die negativen und positiven Ladungen im Teilchen gegeneinander verschieben lassen, wenn sie unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes E stehen. Das Feld rührt hier vom Dipolmoment des benachbarten Teilchens 1 her. Man spricht von einem induzierten Dipolmoment vom Betrag μind = α E des Teilchens 2. Seine Lage ist bestimmt durch die jeweilige Lage des Dipols in Teilchen 1. Für die Wechselwirkungskonstante folgt:

A dip = μ1 2 α 2 π ε0

Teilchen 1 und 2 ohne Dipolmoment

Abb.3
Wechselwirkung zwischen induzierten Dipolen (Dispersionswechselwirkung)

Ohne Beteiligung permanenter Dipolmomente (z.B. bei Edelgasatomen) kommen die Wechselwirkungen ausschließlich aufgrund der zeitlich schwankenden (fluktuierenden) Ladungsverteilung in den Teilchen zustande. Die Wechselwirkung wird auch als Dispersionswechselwirkung bezeichnet. Diese hängt nach London außer von der Polarisierbarkeit α auch von der Ionisierungsenergie Ei ab. Es gilt:

A disp = 2 3 α 1 α 2 Ei,1 Ei,2 Ei,1 + Ei,2

Die Dispersionswechselwirkung leistet bei ungeladenen Teilchen in Lösungen und Gasen den größten Beitrag zur gesamten Wechselwirkung. Die Wechselwirkung zwischen polaren und apolaren Teilchen trägt stets nur wenig bei. Lediglich bei Wasser ist der Beitrag der Dipol-Dipol-Wechselwirkung groß.

Tab.1
Größenordnungen verschiedener Wechselwirkungen
Art der WechselwirkungTypische Energie [ kJmol-1 ]
Ion/Ion (Coulomb) 250
Ion/Dipol15
Dipol/Dipol (ungerichtet) 0,3
Dipol/Dipol (gerichtet) 2
Dispersion2
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