Kohäsion (Chemie) – Definition & Erklärung

Was ist Kohäsion?

Kohäsion bezeichnet in der Chemie und Physik die anziehenden Wechselwirkungskräfte zwischen gleichartigen Molekülen oder Atomen desselben Stoffes. Dieses Phänomen ist grundlegend dafür verantwortlich, dass flüssige und feste Substanzen als einheitliche Materie zusammenhalten, anstatt auseinanderzufallen. Die Kohäsion unterscheidet sich dabei klar von der Adhäsion, welche die Anziehungskräfte zwischen ungleichartigen Molekülen verschiedener Stoffe beschreibt.

Ursachen und molekulare Grundlagen

Die Kohäsionskräfte entstehen durch verschiedene intermolekulare Wechselwirkungen, die je nach Stoff unterschiedlich stark ausgeprägt sind:

• Van-der-Waals-Kräfte: Schwache, kurzreichweitige Anziehungskräfte, die zwischen allen Molekülen auftreten und auf temporären Dipolmomenten beruhen.
• Wasserstoffbrückenbindungen: Besonders starke intermolekulare Kräfte, die zum Beispiel zwischen Wassermolekülen wirken und für die außergewöhnlichen Eigenschaften von Wasser verantwortlich sind.
• Dipol-Dipol-Wechselwirkungen: Kräfte zwischen permanenten Dipolen polarer Moleküle.
• Metallische Bindungen: In Metallen sorgen delokalisierte Elektronen für eine sehr starke Kohäsion der Metallatome.
• Ionische und kovalente Bindungen: In Ionenkristallen und kovalenten Netzwerkfeststoffen sind es diese starken chemischen Bindungen, die den Zusammenhalt gewährleisten.

Kohäsion bei Wasser

Das bekannteste Beispiel für Kohäsion ist Wasser. Die Wassermoleküle (H₂O) bilden untereinander starke Wasserstoffbrückenbindungen aus, da das Sauerstoffatom stark elektronegativ ist und die O-H-Bindungen stark polar sind. Diese ausgeprägte Kohäsion ist verantwortlich für mehrere besondere Eigenschaften von Wasser:

• Oberflächenspannung: An der Wasseroberfläche erfahren Moleküle eine nach innen gerichtete Nettokraft, da sie keine gleichartigen Nachbarn oberhalb haben. Dies erzeugt eine messbare Oberflächenspannung, die es beispielsweise Wasserläufern ermöglicht, auf der Wasseroberfläche zu laufen.
• Kapillarwirkung: Das Zusammenspiel von Kohäsion und Adhäsion ermöglicht das Aufsteigen von Wasser in engen Röhren, was in der Biologie für den Wassertransport in Pflanzen entscheidend ist.
• Hohe Verdampfungsenthalpie: Für die Verdampfung von Wasser muss viel Energie aufgebracht werden, um die Wasserstoffbrückenbindungen zu überwinden.

Kohäsion in Festkörpern

In Festkörpern ist die Kohäsion in der Regel sehr stark und bestimmt physikalische Eigenschaften wie Härte, Schmelzpunkt und mechanische Stabilität. Man unterscheidet:

• Molekülkristalle (z. B. Eis, Naphthalin): Kohäsion durch Van-der-Waals-Kräfte und Wasserstoffbrücken; vergleichsweise niedrige Schmelzpunkte.
• Ionenkristalle (z. B. Natriumchlorid): Starke elektrostatische Kohäsionskräfte zwischen positiv und negativ geladenen Ionen; hohe Schmelzpunkte.
• Kovalente Netzwerkfeststoffe (z. B. Diamant, Quarz): Extrem starke kovalente Bindungen als Kohäsionskräfte; sehr hohe Schmelzpunkte und Härte.
• Metalle: Delokalisierte Elektronen bilden ein sogenanntes Elektronengas, das die positiven Metallionen zusammenhält.

Kohäsionsenergie

Die Kohäsionsenergie (auch Gitterenergie oder Bindungsenergie) ist ein quantitatives Maß für die Stärke der Kohäsionskräfte in einem Stoff. Sie gibt an, wie viel Energie aufgewendet werden muss, um einen Stoff vollständig in seine einzelnen Atome, Moleküle oder Ionen zu zerlegen. Je höher die Kohäsionsenergie, desto stabiler ist der Stoff und desto höher ist in der Regel sein Schmelz- und Siedepunkt.

Abgrenzung: Kohäsion vs. Adhäsion

Während die Kohäsion die Anziehung zwischen gleichartigen Teilchen beschreibt, bezeichnet die Adhäsion die Anziehung zwischen Teilchen verschiedener Stoffe. Beide Kräfte wirken häufig gleichzeitig und bestimmen gemeinsam Phänomene wie Benetzbarkeit, Kapillarität und das Verhalten von Flüssigkeiten an Grenzflächen. Ist die Kohäsion stärker als die Adhäsion, zieht sich eine Flüssigkeit in engen Röhren zusammen (wie bei Quecksilber in Glas); ist die Adhäsion stärker, steigt die Flüssigkeit auf (wie Wasser in Glas).

Bedeutung in Medizin und Biologie

Kohäsionskräfte spielen auch in biologischen und medizinischen Zusammenhängen eine wichtige Rolle:

• Der Wasserhaushalt von Pflanzen beruht auf der Kohäsions-Tensions-Theorie, wonach Wassersäulen in Pflanzengefäßen durch Kohäsionskräfte zusammengehalten werden.
• Die Oberflächenspannung von Körperflüssigkeiten wie Blut beeinflusst deren Fließeigenschaften und Verteilung im Gewebe.
• In der Pharmazie sind Kohäsionskräfte relevant für die Tablettierung und die Stabilität fester Darreichungsformen.
• Das Surfactant-System der Lunge setzt die Oberflächenspannung (Kohäsion) der Alveolarflüssigkeit herab, um das Kollabieren der Lungenbläschen zu verhindern.

Quellen

1. Atkins, P. W.; de Paula, J.: Physikalische Chemie. 5. Auflage, Wiley-VCH, Weinheim, 2013.
2. Mortimer, C. E.; Müller, U.: Chemie. Das Basiswissen der Chemie. 12. Auflage, Thieme, Stuttgart, 2015.
3. IUPAC: Compendium of Chemical Terminology (Gold Book). International Union of Pure and Applied Chemistry, 2. Auflage, 1997. Online verfügbar unter: https://goldbook.iupac.org