London-Kraft

Definition und Bedeutung

London-Kräfte sind schwache Anziehungskräfte, die zwischen allen Arten von Molekülen und Atomen wirken. Sie werden auch London-Kraft, London-Dispersion oder anziehende Van-der-Waals-Bindung genannt. Allgemein bezeichnet man sie als Dispersionswechselwirkungen.

London-Kräfte gehören zusammen mit den Debye’schen Kräften zu den anziehenden van-der-Waalschen Wechselwirkungen. Debye’sche Kräfte wirken zwischen einem Molekül mit permanentem Dipol und einem unpolaren Teilchen. Wie alle van-der-Waals-Kräfte sind London-Kräfte sehr viel schwächer als andere Bindungsarten.

Trotz ihrer geringen Stärke haben sie wichtige makroskopische Folgen: Ihre Reichweite ist etwas größer als die Reichweite der stark abstoßenden Wechselwirkung zwischen zwei sich überlappenden Elektronenhüllen. Dadurch können auch unpolare Verbindungen einen flüssigen oder festen Aggregatzustand besitzen.

Quantenmechanische Entstehung

London-Kräfte beruhen auf einem rein quantenmechanischen Effekt. Selbst die Elektronenhülle eines unpolaren Atoms mit kugelförmigem Atomorbital kann durch eine nahe gelegene Elektronenhülle deformiert werden. Quantenmechanisch lässt sich dies als Beimischung anderer Orbitale beschreiben, wie sie in der quantenmechanischen Störungstheorie behandelt wird. Durch die Verformung kann vorübergehend ein elektrisches Dipolmoment entstehen. Ein Dipolmoment bezeichnet eine räumliche Trennung positiver und negativer Ladung.

Sind solche Veränderungen in den Elektronenhüllen zweier Teilchen passend korreliert, richten sich die entstehenden Dipolmomente so aus, dass sich die Teilchen anziehen. In einer semiklassischen Veranschaulichung erzeugt eine spontane quantenmechanische Fluktuation zunächst eine kleine Polarisation mit den Teilladungen δ− und δ+. Diese Polarisation beeinflusst das Nachbarmolekül, dessen Elektronen entsprechend verschoben werden. So entsteht eine Kette korrelierter Polarisationen und damit eine Anziehungskraft.

London-Kräfte treten nicht nur zwischen unpolaren Teilchen auf. Sie entstehen auch zwischen polaren Molekülen, die bereits permanente Dipolmomente besitzen. Dort sind sie meist sogar größer als die klassische elektrostatische Anziehung zwischen den permanenten Dipolen. Erst bei permanenten Dipolmomenten von mehr als etwa 1 Debye ist deren Einfluss ungefähr ebenso groß wie der Einfluss der London-Kräfte.

Stärke und Berechnung

Die Wechselwirkungsenergie V zweier Teilchen lässt sich quantenmechanisch näherungsweise berechnen als:

V = −(3/2) · (α₁ · α₂ / r⁶) · (I₁ · I₂ / (I₁ + I₂)).

Dabei sind α₁ und α₂ die Polarisierbarkeitsvolumina der beiden Teilchen. Die Polarisierbarkeit gibt an, wie leicht sich ihre Elektronenhüllen verformen lassen. I₁ und I₂ sind die jeweiligen ersten Ionisierungsenergien, also die Energien, die zur Entfernung des ersten Elektrons benötigt werden. r bezeichnet den Abstand der Teilchen. Das negative Vorzeichen kennzeichnet die anziehende Wechselwirkung.

Die Abhängigkeit von 1/r⁶ bedeutet, dass die London-Kraft mit wachsendem Abstand sehr schnell schwächer wird. Bei zwei gleichen Molekülen gilt α₁ = α₂ = α und I₁ = I₂ = I. Dadurch vereinfacht sich die potentielle Energie zu:

V = −(3/4) · (α²I / r⁶).

Obwohl London-Kräfte grundsätzlich auftreten, sind sie in der Computerchemie schwierig zu beschreiben und zu parametrisieren. Ihre korrekte rechnerische Erfassung erfordert die Berücksichtigung der quantenmechanisch korrelierten Veränderungen beider Elektronenhüllen.