先上結論:因為水的表面存在張力。
分子間作用力要理解水的表面張力,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相互作用。②一個極性分子使另一個分子極化,産生誘導偶極矩并相互吸引。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;這種相互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:
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。
水的表面張力在水的内部,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。
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:
這就是水滴是球形的原因啦。
浸潤和不浸潤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平的,而是向下凹陷的。
視線與凹液面最低處水平
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,所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,所以我們會觀察到,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。
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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