在日常生活中,我們對見到的一些現象可能已經習以為常,認為它們理應如此,但是為什麼會這樣,就沒有過多地去想了。比如,下過雨後,我們可以見到樹葉、花草上的小水珠都接近於球形;不小心打碎了體溫計後,裏麵的水銀掉到地上,小水銀滴也呈球形。
另外,我們也可以表演一個小魔術,在一杯水裏,小心地把一枚針水平放置在水麵上,針浮在水麵上而不沉於杯底,並且在針下麵的水麵上形成一個凹麵。如果做得相當熟練,你甚至可以用紐扣、小巧的平麵形金屬片或硬幣來代替針。所有這些現象都與水的表麵張力有關。
打一盆清水來,準備幾枚硬幣,把硬幣豎直地向水裏扔,硬幣必定沉沒在水中。用示指托住硬幣,慢慢地使指頭沒入水中,使硬幣平躺水麵。奇跡發生了,硬幣居然漂浮在水上!
硬幣浮在水上是有道理的,那是水的表麵張力把它托住了。水麵的分子受到水裏分子的吸引,使水麵趨向收縮。荷葉上的一滴水,會收縮成水珠,細管子裏的水麵會向管口凸起。從這種收縮的傾向中,我們看到相鄰的兩部分水麵之間存在著相互牽引力,這就是表麵張力,它使硬幣漂在水麵上。水麵的表麵張力很小,水盆稍有搖晃,硬幣就會落到水中。
盆裏漂浮著一枚硬幣,在水麵穩定不動的時候,拿一小塊肥皂,輕輕地從硬幣旁邊插入水中,你會看到硬幣迅速移動,遠離肥皂而去。看上去,真有點硬幣怕肥皂的樣子。
這是什麼道理呢?
這也是水的表麵張力在作怪。肥皂在水裏會慢慢溶解,一部分水麵成了肥皂液。肥皂液的表麵張力比水要小,水將硬幣推離肥皂了。請你動手試一試。實驗原理如下:
硬幣靠近肥皂的這一側,肥皂液的表麵張力小,而在相反的方向,純淨的水的表麵張力大,於是部分水麵被拉了過去,漂在水麵上的硬幣也跟著被拉過去了。
如果試驗的次數太多,水麵上的肥皂液太多,這個試驗的效果就會削弱,硬幣也許不移動了。這時,要另換一盆清水,才能繼續實驗。
那麼,什麼是表麵張力呢?
原來,液體與氣體相接觸時,會形成一個表麵層,在這個表麵層內存在著的相互吸引力就是表麵張力,它能使液麵自動收縮。
表麵張力是由液體分子間很大的內聚力引起的。處於液體表麵層中的分子比液體內部稀疏,所以它們受到指向液體內部的力的作用,使得液體表麵層猶如張緊的橡皮膜,有收縮趨勢,從而使液體盡可能地縮小它的表麵麵積。
我們知道,球形是一定體積下具有最小的表麵積的幾何形體。因此,在表麵張力的作用下,液滴總是力圖保持球形。
表麵張力的方向與液麵相切,並與液麵的任何兩部分分界線垂直。表麵張力僅僅與液體的性質和溫度有關。一般情況下,溫度越高,表麵張力就越小。另外,雜質也會明顯地改變液體的表麵張力,比如潔淨的水有很大的表麵張力,而沾有肥皂液的水的表麵張力就比較小,也就是說,潔淨水表麵具有更大的收縮趨勢。
不光液體與氣體之間的表麵層,液體與固體容器壁之間也存在著“表麵層”,這一液體薄層通常叫做附著層,它也一樣存在著表麵張力。這一表麵張力決定了液體和固體接觸時,會出現兩種現象:不浸潤和浸潤現象。
水銀掉到玻璃上,呈現出球形,也就是說,水銀與玻璃的接觸麵具有收縮趨勢,這種現象為不浸潤。而水滴掉到玻璃上,是慢慢地沿玻璃散開,接觸麵有擴大趨勢,這種現象為浸潤。
水銀雖然不能浸潤玻璃,但是用稀硫酸把鋅板擦幹淨後,再在鋅板上滴上水銀,我們將會看到,水銀慢慢地沿鋅板散開,而不再呈球形。所以說,同一種液體能夠浸潤某些固體,而不能浸潤另一些固體。水銀能浸潤鋅板,而不能浸潤玻璃;水能浸潤玻璃,而不能浸潤石蠟。
浸潤和不浸潤兩種現象,決定了液體與固體器壁接觸處形成兩種不同形狀:凹形和凸形。現在我們就明白了前麵介紹的小魔術中,硬幣不沉沒的原因了,它實際上利用了水具有很大的表麵張力的性質和不浸潤現象。如果我們事先把硬幣表麵塗上一層油,硬幣就可以輕易放在水麵上而不會沉沒。
在工程技術和日常生活中,人們經常利用水不溶解油這一特性。像在紙麵上塗油漆做成雨傘;給金屬器材塗機油,防止因水引起生鏽;甚至在選礦方法上,也用到水不浸潤塗了油的物體的性質。浮選礦石法就是把砸碎的礦石放到池中,池裏放上水和隻浸潤有用礦物的油,使它們塗上薄薄一層油,再向池中輸送空氣,這樣氣泡就附在有用礦物粒上,把它們帶到水麵,而與岩石等雜質分離開。