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Keesom Force

1921
  • Willem Hendrik Keesom
Laboratory experiment demonstrating Keesom force with polar liquids and molecular models.

An electrostatic interaction between molecules that possess permanent electric dipole moments, such as water or hydrogen chloride. The force arises from the tendency of these dipoles to align head-to-tail, resulting in a net attraction. This interaction is temperature-dependent, as thermal motion disrupts the alignment. The orientation-averaged potential energy varies as [latex]V \propto -\frac{1}{r^6 k_B T}[/latex].

The Keesom force, or permanent dipole-dipole interaction, is one of the three components of Van der Waals forces, specifically describing the interaction between two polar molecules. A polar molecule has a permanent separation of positive and negative charge, creating a permanent electric dipole moment. When two such molecules approach each other, their dipoles interact electrostatically. The lowest energy configuration is an attractive, head-to-tail alignment. However, molecules in a fluid are in constant thermal motion (rotating and translating), which tends to randomize their orientations.

Willem Keesom’s contribution was to perform a statistical mechanical average over all possible orientations, weighted by their Boltzmann factor. The result showed that, on average, attractive orientations are slightly more probable than repulsive ones, leading to a net attractive force. The strength of this interaction is uniquely dependent on temperature; as temperature increases, thermal energy more effectively disrupts the alignment, and the Keesom force weakens. This is reflected in the [latex]1/T[/latex] term in the potential energy equation. This force is crucial for understanding the behavior of many common substances, particularly water, whose properties are dominated by strong dipole-dipole interactions known as hydrogen bonds.

UNESCO Nomenclature: 2202
– Atomic and molecular physics

Typ

Physikalisches Gesetz

Unterbrechung

Wesentlich

Verwendung

Weit verbreitete Verwendung

Vorläufersubstanzen

  • Classical Electrodynamics (Coulomb’s Law)
  • The concept of the electric dipole moment by Peter Debye
  • Boltzmann-Statistik zur Beschreibung der thermischen Zustandsverteilung

Anwendungen

  • Modellierung der physikalischen Eigenschaften polarer Flüssigkeiten wie Wasser (z. B. hoher Siedepunkt)
  • Verständnis der Grundlagen der Wasserstoffbrückenbindung, einer starken Art von Dipol-Dipol-Wechselwirkung
  • predicting solubility based on the ‘like dissolves like’ principle
  • Design und Funktion von Flüssigkristallen, die auf der molekularen Ausrichtung beruhen

Patente:

NA

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