London-Kräfte

Vorwissen: Elektronenwolke, Dipol. Auch unpolare Teilchen ziehen sich an: Ihre Elektronenwolken sind ständig in Bewegung. Für einen Augenblick entsteht ein Dipol, und die Wolke des Nachbarn macht mit.

Beobachten und deuten

Zwei Teilchen: Beobachte eine Wolke allein (Abstand ganz weit). Wo ist sie im Mittel? Hat das Teilchen im Mittel einen Dipol?
Schiebe die Teilchen zusammen. Wie verhalten sich die beiden Wolken jetzt zueinander? Achte auf „Gleichtakt“. Warum ziehen sich die Teilchen dadurch an?
Vergleiche Helium und Xenon. Welche Wolke schwankt stärker? Woran liegt das?
Viele Teilchen: Stelle −150 °C ein und probiere alle Edelgase aus. Welche sind bei dieser Temperatur flüssig, welche gasförmig? Ordne nach der Siedetemperatur.
Stelle 20 °C ein und probiere die Alkane von Methan bis Hexan. Welche sind gasförmig? Erkläre mit der Größe der Moleküle und der Zahl der Elektronen. Warum ist Butan im Feuerzeug unter Druck flüssig?

Versuch

Stoff

Abstand

berühren sichweit weg

δ− (mehr Elektronen)δ+

Siedetemperaturen (bei 1 bar)

Stoff	Elektronen	Siedetemperatur

Modell und Grenzen

Jedes Teilchen ist ein Atomkern (bzw. ein Molekülgerüst) mit einer Elektronenwolke, die wie an einer Feder hängt (Drude-Modell). Die Wolke wird ständig angestoßen und verschiebt sich: Für einen Augenblick ist eine Seite negativ (δ−, rot) und die andere positiv (δ+, blau). Im Mittel ist die Wolke genau mittig, das Teilchen also unpolar.
Der Dipol eines Teilchens verschiebt die Wolke des Nachbarn (induzierter Dipol). So schwingen beide Wolken im Gleichtakt, und Gleichtakt bedeutet Anziehung. Mit den gemessenen Polarisierbarkeiten ergibt das Modell genau die Stärke der London-Kraft (Formel von London, nimmt mit der 6. Potenz des Abstands ab).
In Wirklichkeit schwanken die Wolken etwa tausendmal schneller, als sich die Teilchen bewegen, und das Mitschwingen ist schwächer, als es hier aussieht. Die Teilchen spüren nur den Mittelwert. Die Schwankungen kommen aus der Quantenphysik (Nullpunktsbewegung) und hören auch am absoluten Nullpunkt nicht auf.
Bei „Viele Teilchen“ ist die Stärke der Anziehung aus der gemessenen Siedetemperatur abgeleitet. Das Modell rechnet die Siedetemperatur also nicht aus, es zeigt den Zusammenhang: Größere Teilchen mit mehr Elektronen haben eine leichter verschiebbare Wolke, die London-Kräfte sind stärker, die Siedetemperatur höher.
Das Modell ist eben (2D). Die Alkane sind als Scheiben gezeichnet; in Wirklichkeit sind es Zickzack-Ketten, und lange Ketten berühren ihre Nachbarn auf einer größeren Fläche.
Teilchen und Wolken sind stark vergrößert, die Bewegung stark verlangsamt.
Wie das gerechnet und gezeichnet ist, steht ausführlich unter Methoden.