Zwischenmolekulare Kräfte

Wasser siedet bei 100 °C, Methan bei −161 °C. Die beiden Moleküle haben fast dasselbe Molekulargewicht — Wasser 18, Methan 16 —, und doch klaffen ihre Siedepunkte um über 250 Grad auseinander. Der Grund liegt nicht in der Chemie innerhalb der Moleküle (den kovalenten Bindungen, die die Atome zusammenhalten), sondern in der Chemie zwischen ihnen: in den intermolekularen Kräften, die festlegen, wie stark Moleküle aneinander hängen. Diese Kräfte sind typisch ein bis zwei Größenordnungen schwächer als kovalente Bindungen und steuern dennoch nahezu jede makroskopische Eigenschaft eines Stoffs — Phasenübergänge, Löslichkeit, Oberflächenspannung, Viskosität, die Struktur biologischer Makromoleküle, die Doppelhelix der DNA; ohne sie gäbe es keine Flüssigkeiten, keine kondensierte Materie und kein Leben.

Intermolekulare Kräfte sind anziehende Wechselwirkungen zwischen getrennten Molekülen, getragen von elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen Partialladungen und induzierten Dipolen, und ordnen sich in Klassen abnehmender Stärke. Wasserstoffbrücken (5–30 kJ/mol) sind starke Dipol-Dipol-Wechselwirkungen, in denen ein an N, O oder F kovalent gebundener Wasserstoff zu einem freien Elektronenpaar an einem anderen N, O oder F hingezogen wird — der ungewöhnlich hohe Siedepunkt, die Oberflächenspannung und die Wärmekapazität des Wassers gehen auf das ausgedehnte Brückennetz zurück (jedes Wassermolekül bildet bis zu vier), die DNA hält in ihrer Doppelhelix dank Brücken zwischen komplementären Basen (A–T mit zweien, G–C mit dreien), und die Sekundärstruktur von Proteinen (α-Helices, β-Faltblätter) wird durch Brücken entlang des Peptidrückgrats stabilisiert. Ion-Dipol-Wechselwirkungen (40–600 kJ/mol) treiben das Lösen ionischer Verbindungen in Wasser an, Dipol-Dipol-Wechselwirkungen (5–25 kJ/mol) wirken zwischen Molekülen mit Dauerdipolen, und die Londonschen Dispersionskräfte (0,05–40 kJ/mol) sind die universelle Anziehung zwischen allen Atomen und Molekülen, geboren aus kurzlebigen Elektronenfluktuationen — einzeln schwach, in Summe gewaltig, mit der Molekülgröße skalierend (Methan ist Gas, Hexan flüssig, Octadecan Wachs). Der hydrophobe Effekt — die scheinbare Anziehung zwischen unpolaren Molekülen in Wasser — wird von Wassers Vorliebe getragen, lieber mit sich selbst Brücken zu bilden: unpolare Flächen stören das Netzwerk, und die Minimierung des Kontakts zwischen unpolarer Oberfläche und Wasser gibt dem Wasser Spielraum, mehr Brücken zu schließen — Antrieb der Proteinfaltung, der Bildung von Lipid-Doppelschichten und vieler Wirkstoff-Zielmolekül-Wechselwirkungen. Die makroskopischen Folgen ziehen sich durch jede Materialeigenschaft — Siede- und Schmelzpunkte, Viskosität, Oberflächenspannung, Löslichkeit (Gleiches löst sich in Gleichem).