Adhäsion und Kohäsion: Diese zwei Begriffe kommen häufig in Verbindung miteinander vor. Dabei wird es schnell schwierig zu sagen, welcher Begriff von beiden für welche Bedeutung steht.
Zur Kohäsion gibt es noch einmal einen gesonderten Artikel. Schau dir den doch am besten gleich im Anschluss an, wenn du mehr wissen willst.
Adhäsion – Definition
Der Begriff der Adhäsion kommt aus dem Lateinischen adhaerere und bedeutet "anhaften". Daher wird die Adhäsionskraft auch als Anhangskraft bezeichnet. Um diese Kraft nun auch darzustellen, wird eine Grenzflächenschicht betrachtet.
Dabei treffen zwei verschiedene Stoffe aufeinander. Aufgrund molekularer Wechselwirkungen entsteht hier ein mechanischer Zusammenhalt zwischen den Teilchen, den du als Adhäsion kennst.
Die Adhäsion beschreibt das Phänomen, das aufgrund molekularer Wechselwirkungen an einer Grenzfläche entsteht. Beide Stoffe entwickeln einen Zusammenhalt. Daher zählt die Adhäsion gemeinsam mit der Kohäsion zu den sogenannten Bindungskräften, die zwischen Teilchen entstehen.
Doch was genau verursacht diese Kräfte?
Ursachen der Adhäsion
Die genauen Ursachen dieses Phänomens sind bisher noch nicht geklärt. Es gibt zahlreiche Theorien über die Ursachen dieser Kräfte. Allerdings gibt es bisher keine einheitliche Lösung. Viel wahrscheinlicher ist es, dass die Wahrheit irgendwo dazwischen liegt.
Bei der Entwicklung der verschiedenen Theorien ist man davon ausgegangen, dass zwischen mechanischer und spezifischer Adhäsion unterschieden werden kann. Inzwischen ist aber eindeutig, dass diese beiden Formen zusammen gehören und sich daher nicht voneinander trennen lassen.
Mechanische Adhäsion
Die mechanische Adhäsion beschreibt ausschließlich physikalisch-mechanische Kräfte, auf denen die Adhäsion beruht. Man geht davon aus, dass es beispielsweise zwischen einem Klebstoff und seinem Untergrund zu sogenannten "Verklammerungen" kommt. Dabei haken sich Moleküle in winzigen Poren ihres Untergrunds fest, sodass sich der Klebstoff nicht mehr lösen kann.
Diese Theorie weist jedoch schnell Probleme auf, da somit nicht erklärt werden kann, warum Klebstoff auch an glatten Oberflächen halten kann, die diese Mikroporen oder ähnliche Strukturen eben nicht aufweisen. An dieser Stelle springt die spezifische Adhäsion ein und erklärt genauer.
Spezifische Adhäsion
Diese Form der Adhäsion basiert nun vor allem auch auf chemischen und thermodynamischen Grundlagen. Oftmals wurden die folgenden Theorien ergänzend zu der mechanischen Adhäsion entwickelt, da diese nicht ausreichte. Bedenke also, dass sich diese zwei Formen der Adhäsion nicht gegenseitig ausschließen. Gleichzeitig ergänzen sich auch die Theorien der spezifischen Adhäsion selbst. Drei dieser Theorien lernst du nun kennen:
Polarisationstheorie
Diese 1935 von De Bruyne entwickelte Theorie besagt, dass Adhäsion aufgrund der Dipolwirkung zweier Stoffe entsteht. Nur wenn dementsprechend polare Verbindungen in zwei Stoffen vorhanden sind, bilden sich Adhäsionskräfte, die dann den Klebstoff auf seiner Unterlage halten. Entscheidend sind hier also die Dipolkräfte.
Ein Dipol entsteht aufgrund der Ladungsverteilung in einem Molekül. Dabei kann deutlich zwischen einem positiv und einem negativ geladenen Ende des Moleküls unterschieden werden.
Problematisch wird diese Theorie jedoch, wenn es sich um unpolare Stoffe handelt, zwischen denen Adhäsionskräfte wirken. Laut der Polarisationstheorie sollte dies nicht möglich sein.
Die elektrostatische Theorie
Eine zweite Theorie, die die Adhäsion erklärt, wurde 1950 von Derjagin entwickelt. Voraussetzung für diese Theorie sind freie Ladungsträger, die nun eine elektrische Doppelschicht ausbilden und von dem Donatorstoff zum Akzeptorstoff wandern.
Abbildung 1: Die elektrostatische Theorie der Adhäsion
Die Teilchen werden nun aneinander gehalten aufgrund des Ladungsaustausches, der hier stattfindet. Gleichzeitig ist eben diese Tatsache Voraussetzung für diese Theorie. Befinden sich also keine Ladungsträger in einem Stoff, sollte dieser keine Adhäsionskräfte ausprägen können. Allerdings ist das möglich.
Adsorptions- und Benetzungstheorie
Die dritte Theorie in diesem Kontext ist die von Zismann, Fowkes, Good und Wu 1960 entwickelte Adsorptions- und Benetzungstheorie. Sie wird auch als thermodynamische Theorie bezeichnet.
Die Theorie selbst wurde mithilfe der Oberflächenenergie ausgebaut. Laut Zismann, Fowkes, Good und Wu lässt sich durch Kenntnis der individuellen Oberflächenenergien auf die hier wirkende Adhäsion schließen.
Wenn du dich fragst, warum Oberflächenenergien plötzlich eine Rolle spielen, dann hier die Erklärung für dich:
In der Thermodynamik geht es vor allem darum, dass Moleküle günstige Reaktionen eingehen, um einen energieärmeren Zustand zu erreichen. Befindet sich nun ein Molekül an der Oberfläche, ist es von deutlich weniger Partnern zur Wechselwirkung umgeben als in der Mitte des Stoffs.
Skizzierst du dir ein Molekül an der Oberfläche, so siehst du, dass es nur mit gleichartigen Molekülen aus dem Flüssigkeitsinneren oder anderen Molekülen an der Oberfläche wechselwirken kann. Das können einfache Van-der-Waals-Wechselwirkungen oder Wasserstoffbrücken sein. Das Molekül hat jedoch keine günstigen Wechselwirkungen mit Molekülen außerhalb der Flüssigkeit, also oberhalb der Oberfläche. Somit bestehen hier weniger vorteilhafte Wechselwirkungen als im Inneren der Flüssigkeit, wo jedes Molekül mit gleichartigen umrundet ist.
Damit Adhäsion wirken kann, muss nun die Kontaktfläche vergrößert werden, damit eben solche energetisch vorteilhaften Wechselwirkungen mit der Oberfläche geschehen können.
Die Oberflächenenergie selbst ist dabei gleichzusetzen mit der Arbeit, die verrichtet werden muss, damit sich die Oberfläche um ein bestimmtes Maß vergrößert. Entsprechend dieser Definition kannst du die Oberflächenenergie (γ) berechnen mit:
E stellt dabei die Energie beziehungsweise physikalische Arbeit dar, die verrichtet wird. A steht für die Fläche, um die deine Oberfläche vergrößert wird. Dementsprechend erhältst du die Einheit .
Metalle haben zum Beispiel eine sehr hohe Oberflächenenergie. Es wird also viel Arbeit benötigt, damit du die Oberfläche des Metalls vergrößern kannst. Flüssigkeiten hingegen haben allgemein eine eher niedrigere Oberflächenenergie, da sie sich leicht verformen lassen und dadurch auch leicht ihre Oberfläche vergrößert werden kann.
Sicherlich standest auch du als Kind unter der Dusche und hast versucht, mit deinem Shampoo schöne Seifenblasen zu machen. Manchmal sind dabei große Blasen entstanden, die aus jetziger Sicht auch eine sehr große Oberfläche hatten. Mit reinem Wasser hat dieses Experiment leider nie funktioniert.
Obwohl es sich beide Male um Flüssigkeiten handelt, ist es deutlich leichter, mit Seife Blasen zu bilden. Die Oberflächenenergie ist folglich gering. Wasser hingegen hat eine deutlich höhere Oberflächenenergie, sodass es nicht möglich ist, Blasen zu erschaffen.
Mit dem Wissen, was du nun über die Oberflächenenergie hast, schaust du dir nun die wahre Grundlage der Theorie an: Die Benetzung!
Abbildung 2: Die unterschiedlichen Benetzungen
In der Abbildung siehst du vier verschiedene Fälle, in denen jeweils unterschiedliche Oberflächenenergien miteinander wirken. In Fall A ist die Differenz der Oberflächenenergien zwischen dem Stoff der Kugel und der Unterlage gering. Dadurch sind auch die Wechselwirkungen zwischen den beiden Stoffen gering. Es kommt folglich auch nicht zu den zuvor erwähnten vorteilhaften Wechselwirkungen, die die notwendige Energie zur Oberflächenvergrößerung kompensieren könnten.
Für den Stoff A ist es daher sinnvoller, als Kugel erhalten zu bleiben. Die Interaktionen im Kugelinneren bleiben erhalten, während die ungünstigen Wechselwirkungen minimiert werden. Thermodynamisch betrachtet ist es folglich sinnvoller, die Adhäsion so klein wie möglich zu halten.
Von Fall A zu Fall S nimmt die Differenz nun weiter zu, indem die Oberflächenenergie in der blau gekennzeichneten Flüssigkeit beispielsweise abnimmt. Dementsprechend werden auch die Wechselwirkungen zwischen den Stoffen energetisch günstiger. Der Stoff will mehr davon! Es kommt zur sogenannten Spreitung, was auch mit Benetzung gleichgesetzt werden kann.
Dank der geringen Oberflächenenergie ist die Ausbreitung vorteilhaft, da die notwendige Energie mit günstigen Wechselwirkungen kompensiert werden kann und sogar am Ende ein energieärmerer Zustand erreicht wird.
Trotz dieser Theorien gibt es bisher jedoch noch keine Möglichkeit, die Stärke der Adhäsion einheitlich und simpel zu berechnen. Stattdessen sind die verschiedenen Berechnungsmöglichkeiten abhängig von der jeweiligen Theorie, auf der sie beruhen. Daher musst du an dieser Stelle auch nicht weiter darauf eingehen.
Adhäsion – Bedeutung in der täglichen Umgebung
Adhäsionskräfte kommen in den unterschiedlichsten Stellen in Leben vor. Viele Fälle betreffen dich als Menschen direkt.
Adhäsion in der Biochemie
Wann hast du dir das letzte Mal durch Stürze oder Ähnliches ein Hämatom, auch bekannt als "blauer Fleck", eingeholt? Diese Blutergüsse sind nicht selten, besonders bei Kindern. Und sie sind ein perfektes Beispiel für Adhäsion.
Nur dank dieser Krafteinwirkung bleiben die Thrombozyten und verschiedenen Gerinnungsfaktoren an der Verletzung haften und können aktiviert werden. Sie bleiben sozusagen an der notwendigen Stelle kleben, anstatt einfach mit dem Bluterguss daran vorbeizuströmen. Die Verletzung verschließt sich wieder und dein blauer Fleck sieht zwar zeitweise nicht besonders schön aus, verheilt aber wieder.
Ein ähnliches Phänomen tritt auf, wenn Bakterien sich an deinen Schleimhäuten anhaften. Auch hier wirkt Adhäsion, sodass diese kleben bleiben und sich entwickeln. Du bemerkst diese Reaktion dann durch typische Symptome wie Schnupfen.
Abbildung 3: Angriff eines Bakteriums mit Adhesinen
Die Abbildung zeigt dir, wie ein Bakterium auf die Schleimhaut zuwandert. Teilweise bilden Bakterien sogar ganze Proteine aus, die darauf spezialisiert sind, sich auch an rutschigen Oberflächen gut anzuhaften. Man nennt sie entsprechend Adhesine. Diese sind meist spezialisiert für bestimmte Rezeptoren und haften daran.
Für die Entwicklung von Medikamenten ist es häufig sehr hilfreich, nicht nur Antikörper zu entwickeln, sondern auch bei Bakterien genau diese Adhäsion zu verringern. Dabei können die Adhesine beispielsweise blockiert werden. Bakterien haften nicht mehr so gut an den Oberflächen und es kommt zu keiner Krankheitsentwicklung.
Adhäsion als Grundlage für Klebstoffe
Interessanter wird es nun, wenn man Klebstoffe betrachtet. Auch diese wirken aufgrund der Adhäsionskräfte. Vielleicht hast du schon einmal Klebstoff an die Wand in deinem Zimmer gemacht. Meist haftet dieser sehr gut, es wird jedoch schwierig, ihn von der Wand zu entfernen. Das liegt an den zu hohen Adhäsionskräften, die hier zwischen den einzelnen Materialien wirken.
Abbildung 4: Adhäsion zwischen einem Tropfen und seinem Untergrund
Der Tropfen, den du in der Abbildung siehst, kann ein Tropfen Leim sein. Kommt dieser Leim noch mit einer zweiten Oberfläche in Kontakt, bilden sich auch hier Adhäsionskräfte, die die beiden Stoffe dann zusammen halten.
An dieser Stelle spielt wieder die Kohäsion eine große Rolle, schließlich wünschst du dir auch, dass dein Leim zusammenhält. Grundlage dafür sind die Anziehungskräfte zwischen den Teilchen eines Stoffs, die durch die Kohäsion beschrieben werden. Schau dir gern dazu das StudySmarter Original zum Thema Kohäsion an.
Tatsächlich werden organische Klebstoffe auch verwendet, wenn bei Operationen Organe geklebt werden müssen oder bei Organtransplantation neue Organe mit den alten Blutgefäßen und ähnlichem verbunden werden müssen. An dieser Stelle wirken ebenfalls Adhäsionskräfte, die das neue Organ dann an Ort und Stelle halten.
Überall im Alltag begegnest du Adhäsion. Adhäsionskräfte sorgen beispielsweise dafür, dass Bilder an der Wand kleben bleiben. Pflanzen nutzen diese Kräfte übrigens, um im inneren Wasser bis in die entlegensten Äste und Zweige zu transportieren.
Adhäsion - Das Wichtigste
- Die Adhäsion beschreibt die Kräfte, die an einer Grenzfläche zwischen zwei Stoffen wirken. Die Stoffe bleiben aneinander "kleben". Daher zählt die Adhäsion zu den Bindungskräften.
- Es gibt verschiedene Theorien zur Ursache der Adhäsionskräfte. Man unterscheidet dabei noch zwischen mechanischer und spezifischer Adhäsion, obwohl inzwischen klar ist, dass beide Formen eine Einheit bilden.
- Bei der mechanischen Adhäsion wirken die physikalischen Kräfte, indem sich Moleküle ineinander verhaken und festklammern.
- Bei der spezifischen Adhäsion werden vielmehr chemische und thermodynamische Kräfte betrachtet, wie beispielsweise in der Polarisationstheorie oder der Adsorptions- und Benetzungstheorie.
- Adhäsion findet oftmals auch im Alltag Anwendung. Beispiele dafür sind:
- Wundverschluss durch das Anhaften von Thrombozyten und Gerinnungsfaktoren
- Bakterieninfektionen durch das Anhaften an den Schleimhäuten
- Klebstoff, um zwei Oberflächen miteinander zu verbinden, zum Beispiel auch Organe
- Transport von Wasser in einer Pflanze.
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