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科普:為什麼水滴最終是保持球形的?

作者:佛系的何大大

先上結論:因為水的‬表面‬存在張力‬。

要了解水的表面張力,先要明确這麼一個概念:分子間作用力。

分子間作用力,又稱範德華力(van der Waals force)。是存在于中性分子或原子之間的一種電性吸引力。分子間作用力有三個來源:①極性分子的永久偶極矩之間的互相作用。②一個極性分子使另一個分子極化,産生誘導偶極矩并互相吸引。③分子中電子的運動産生瞬時偶極矩,它使鄰近分子瞬時極化,後者又反過來增強原來分子的瞬時偶極矩;這種互相耦合産生靜電吸引作用,這三種力的貢獻不同,通常第三種作用的貢獻最大。 ———《中國大百科全書》總編委會.《中國大百科全書》.《中國大百科全書》出版社,2009

關于分子間作用力的組成、産生原因等十分複雜,今天并不去過多介紹。不過我們需要了解的是,在分子間作用力的影響因素中,分子間距是極其重要的一個。兩者具體的關系如下圖所示:

科普:為什麼水滴最終是保持球形的?

分子間作用力随分子間距變化曲線

從圖中我們可以觀察得到:分子間距較小時,分子間作用力表現為斥力;分子間距較大時,分子間作用力表現為引力。

在水的内部,分子間距普遍大于上圖‬中‬的‬r0,于是平時,各個水分子之間互相拉着對方,平安無事。

但在水的表面情況就不一樣了,表面的水分子隻受到内部的其他水分子向裡的拉力,所有水分子争先恐後向裡擠的結果就是使整個水滴呈現一個球形。

科普:為什麼水滴最終是保持球形的?

球形水滴

就好比‬橄榄球比賽‬,當‬所有人‬都想‬搶中間‬的‬球‬,每個人‬都想‬往‬中間擠‬,最終‬大家‬一定會‬呈現‬一個圓形‬。

那麼問題來了‬,為什麼表面的水分子隻收到向裡的拉‬力呢?兩個原因:

表面的水分子外面隻有空氣分子,而空氣分子之間隔的太遠了,以至于分子間作用力基本為零,無法影響到表面的水分子;

表面的水分子太活潑,許多都躍出了水面,導緻表面水分子減少,更加抵擋不住内部水分子的吸引力。

這就是水滴是球形的原因啦。

水表面張力能解釋的現象有很多,比如清晨荷葉上的露珠,比如毛細現象。又或者‬中學化學都學到過試管内的水液面并不是水準的,而是向下凹陷的。

科普:為什麼水滴最終是保持球形的?

視線與凹液面最低處水準

這是為什麼呢?按照剛才的理論,水想要變成球型,上液面不應該是凸出來的嘛?

這是因為水對于玻璃來說是浸潤液體,即玻璃分子喜歡和水分子在一起。兩個人關系好,拉力強,是以器壁附近本該被内部水分子拉下去的表層水分子,在器壁的拯救下留了下來,相應的,中間的水分子沒有器壁的拯救,就自然凹了下去。

那有沒有玻璃分子不喜歡的人呢?當然,水銀分子相對于玻璃就是非浸潤液體,是以我們會觀察到,沒有器壁玻璃分子的拉力,試管内的水銀液面就‬是凸出來的。

科普:為什麼水滴最終是保持球形的?

水液面和水銀液面

好了,這就是水表面張力的解釋,如有錯誤還請指正!

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