Zwischenmolekulare Kräfte

100 °C beim Wasser, −161 °C beim Methan: gut 250 Grad Unterschied im Siedepunkt, obwohl die Molekülmassen fast gleich sind — 18 beim Wasser, 16 beim Methan. Erklären lässt sich das nicht mit der Chemie innerhalb der Moleküle, also den kovalenten Bindungen zwischen den Atomen, sondern mit der Chemie zwischen den Molekülen: mit den zwischenmolekularen Kräften, die darüber entscheiden, wie fest Moleküle aneinander haften. Sie sind in der Regel ein bis zwei Größenordnungen schwächer als kovalente Bindungen und bestimmen trotzdem nahezu jede makroskopische Eigenschaft eines Stoffes — Phasenübergänge, Löslichkeit, Oberflächenspannung, Viskosität, den Bau biologischer Makromoleküle, die Doppelhelix der DNA. Ohne sie gäbe es keine Flüssigkeiten, keine kondensierte Materie und kein Leben.

Anziehende Wechselwirkungen zwischen getrennten Molekülen, elektrostatisch getragen von Partialladungen und induzierten Dipolen: So lassen sich diese Kräfte fassen, und sie ordnen sich in wenige Klassen abnehmender Stärke. Am stärksten sind die Wasserstoffbrückenbindungen (5–30 kJ/mol), besonders kräftige Dipol-Dipol-Wechselwirkungen, bei denen ein an N, O oder F kovalent gebundenes Wasserstoffatom von einem freien Elektronenpaar an einem anderen N, O oder F angezogen wird. Der ungewöhnlich hohe Siedepunkt des Wassers, seine Oberflächenspannung und seine Wärmekapazität gehen sämtlich auf dieses dichte Brückennetz zurück — jedes Wassermolekül knüpft bis zu vier. Die DNA hält ihre Doppelhelix über Brücken zwischen komplementären Basen zusammen (A–T mit zweien, G–C mit dreien), und die Sekundärstruktur der Proteine — α-Helices, β-Faltblätter — wird von Brücken entlang des Peptidrückgrats stabilisiert. Ion-Dipol-Wechselwirkungen (40–600 kJ/mol) lösen Ionenverbindungen in Wasser auf; Dipol-Dipol-Wechselwirkungen (5–25 kJ/mol) wirken zwischen Molekülen mit permanentem Dipol; die Londonschen Dispersionskräfte (0,05–40 kJ/mol) entstehen aus kurzlebigen Elektronenfluktuationen und ziehen sämtliche Atome und Moleküle aneinander — einzeln schwach, in der Summe erheblich, mit der Molekülgröße wachsend: Methan ist ein Gas, Hexan eine Flüssigkeit, Octadecan ein Wachs. Der hydrophobe Effekt, die scheinbare Anziehung zwischen unpolaren Molekülen im Wasser, stammt aus der Vorliebe des Wassers für sich selbst: Unpolare Flächen stören das Brückennetz, und je kleiner die Kontaktfläche zwischen ihnen und dem Wasser bleibt, desto mehr Brücken kann das Wasser schließen. Daraus ziehen die Proteinfaltung, die Bildung von Lipiddoppelschichten und viele Wechselwirkungen zwischen Wirkstoff und Zielmolekül ihre Triebkraft. Makroskopisch schlägt all das auf jede Stoffeigenschaft durch — Siede- und Schmelzpunkte, Viskosität, Oberflächenspannung, Löslichkeit (Gleiches löst sich in Gleichem).