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为什么水滴最终是保持球形的?

来源:佛系的何大大 浏览 92 次 发布时间:2022-06-22

先上结论:因为水的‬表面‬存在张力‬。


分子间作用力


要理解水的表面张力,先要明确这么一个概念:分子间作用力。


分子间作用力,又称范德华力(van der Waals force)。是存在于中性分子或原子之间的一种电性吸引力。分子间作用力有三个来源:①极性分子的永久偶极矩之间的相互作用。②一个极性分子使另一个分子极化,产生诱导偶极矩并相互吸引。③分子中电子的运动产生瞬时偶极矩,它使邻近分子瞬时极化,后者又反过来增强原来分子的瞬时偶极矩;这种相互耦合产生静电吸引作用,这三种力的贡献不同,通常第三种作用的贡献最大。


———《中国大百科全书》总编委会.《中国大百科全书》.《中国大百科全书》出版社,2009


关于分子间作用力的组成、产生原因等十分复杂,今天并不去过多介绍。不过我们需要了解的是,在分子间作用力的影响因素中,分子间距是极其重要的一个。两者具体的关系如下图所示:


分子间作用力随分子间距变化曲线


从图中我们可以观察得到:分子间距较小时,分子间作用力表现为斥力;分子间距较大时,分子间作用力表现为引力。


水的表面张力


在水的内部,分子间距普遍大于上图‬中‬的‬r0,于是平时,各个水分子之间互相拉着对方,平安无事。


但在水的表面情况就不一样了,表面的水分子只受到内部的其他水分子向里的拉力,所有水分子争先恐后向里挤的结果就是使整个水滴呈现一个球形。


球形水滴


就好比‬橄榄球比赛‬,当‬所有人‬都想‬抢中间‬的‬球‬,每个人‬都想‬往‬中间挤‬,最终‬大家‬一定会‬呈现‬一个圆形‬。


那么问题来了‬,为什么表面的水分子只收到向里的拉‬力呢?两个原因:


表面的水分子外面只有空气分子,而空气分子之间隔的太远了,以至于分子间作用力基本为零,无法影响到表面的水分子;


表面的水分子太活泼,许多都跃出了水面,导致表面水分子减少,更加抵挡不住内部水分子的吸引力。


这就是水滴是球形的原因啦。


‬浸润和不浸润


水表面张力能解释的现象有很多,比如清晨荷叶上的露珠,比如毛细现象。又或者‬中学化学都学到过试管内的水液面并不是水平的,而是向下凹陷的。


视线与凹液面最低处水平


这是为什么呢?按照刚才的理论,水想要变成球型,上液面不应该是凸出来的嘛?


这是因为水对于玻璃来说是浸润液体,即玻璃分子喜欢和水分子在一起。两个人关系好,拉力强,所以器壁附近本该被内部水分子拉下去的表层水分子,在器壁的拯救下留了下来,相应的,中间的水分子没有器壁的拯救,就自然凹了下去。


那有没有玻璃分子不喜欢的人呢?当然,水银分子相对于玻璃就是非浸润液体,所以我们会观察到,没有器壁玻璃分子的拉力,试管内的水银液面就‬是凸出来的。


水液面和水银液面


好了,这就是水表面张力的解释,如有错误还请指正!