听说化学好的人,杯子刷得更干净?

继做凉皮(听说高分子学得好的人凉皮做得也好吃?是的没错!)之后,我们发现,化学好的人,好像杯子也能刷得更干净。

想必很多人都有被“化学口诀”支配的恐惧。

你也许还记得,化学老师常常念叨:清洗玻璃容器时,如果容器表面既不挂满水珠,上面的水又不成股流下,就证明容器洗干净了。

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没洗干净的试管

 

不过,小编相信,大多数人只是记住了这个规律,但是并不明白其中隐藏的原理。下面,就让我们看看其中的科学原理到底是什么。

 

浸润与不浸润

大家都有过去公园观赏荷花的经历。如果你仔细观察的话会发现,荷叶表面的水滴通常是饱满圆润的球状小水珠的形态,很容易随叶片摆动而滚落。

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荷叶表面的水珠

其他植物叶片,尤其是枯黄叶片上面的水滴则通常一滩滩地附着在叶子表面,大体上呈半椭球状。

同样的水,是什么原因导致了它们形态上的差异呢?

其实,这种现象在物理学上叫浸润与不浸润,由接触角的大小来区分。

接触角指液体、固体表面、空气三者接触处,弯曲的液面与固体表面所形成的角,如下图所示。

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液体滴在某些表面时,接触角较小,几乎贴合在固体表面,这种现象叫做浸润;而有些液体滴在固体表面时,接触角较大,呈近似的球状,这种现象叫做不浸润。

水在荷叶上不浸润正是因为荷叶表面有一层疏水的蜡质,并且还分布着许许多多纳米级的小颗粒,这种结构可以有效增加水滴的接触角。

液体浸润与否除了与固体表面的材质和微观结构有关,还会受到液体种类和固体表面杂质的影响。

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一般而言,纯水与干净玻璃之间的接触角不会大于90°。这时,水可以很好地贴合在玻璃表面,不会形成近似球状的水珠。

不过,一旦玻璃沾染上了杂质与污物,接触角就会大幅度增加。当接触角大于90°时,玻璃表面的水就会呈明显的水珠状。如果水珠中聚集的水较多,水珠的重量较大,就会成股地沿着玻璃表面流下。

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讲到这里,想必小伙伴们就理解了为什么化学老师总是说“既不凝结成水珠,又不成股流下”就算洗干净了。

凝结成水珠和成股流下意味着水与玻璃表面的接触角大于90°,而接触角大于90°意味着玻璃表面附着有污物和杂质,说明玻璃没有被洗干净。

 

分子力——浸润的本质

前面,我们用物理中的浸润与不浸润现象弄明白了玻璃杯怎样才算干净。但是好奇的小伙伴们一定想问,浸润的本质是什么呢?这种现象究竟是怎么产生的呢?

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下面,我们就一起进入微观世界,看看固体与液体表面到底发生了什么?

我们知道,大多数物质是由分子或原子构成,分子或原子之间并不是相互独立的,它们彼此间存在着相互作用,这种相互作用叫做分子力,就好像有一根无形的弹簧将每个分子连接了起来。

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液体内部分子的四面八方都有其他分子与它相邻,这个分子自然也会受到来自四面八方其他分子的分子力。

这些分子力的大小几乎相同,方向又各异,因此对于一个向左的分子力,我总能找到一个与之对应的大小近似相同,方向向右的力与它抵消。

同理,任何方向的一个分子力,都可以被与之对应的另一个反向的分子力抵消。由于这种抵消作用,整体上看,液体内部的分子几乎是不受力的。

然而,液体界面上的情况就完全不同了。对于界面上的一个分子来说,一侧是与它相同的亿万个分子,邻近的每一个分子都会用分子力紧紧地拉住它。

而这个分子的另一侧却是空空荡荡的,没有任何分子会拉住它,因此在这个方向它几乎是不受力的。

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液体不同位置的分子受力情况

这就意味着液体界面上的每一个分子都会受到一个很强的向液体内部的力,这个力是液体内无数个分子拉着它的分子力的总和,我们将其称为表面张力

在表面张力的作用下,液体表面会自然地向内收缩,使其表面积趋于最小,即形成球状(同等体积球体表面积最小),微观上看这是由于液体内部的分子都在用力向内拉着表面上的分子的缘故。

以上是一个孤立的液滴内的情形,那么液滴与固体交界面处会发生些什么呢?

这时,界面处的液体分子一侧是无数个与它相同的液体分子,每个相邻的液体分子都在向内拉着它,这些拉力的总和就是前面介绍的液体表面张力

而另一侧是无数个构成固体的分子,这些分子也会与界面处的液体分子发生相互作用,试图把界面处的液体分子拉向自己,这些拉力的总和被我们称为附着力

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于是,界面处的各个液体分子一边被表面张力拽着,另一边被附着力拽着。

液体接触固体表面的瞬间,如果附着力大于表面张力,那么界面上的液体分子就会被紧紧拽到固体表面,使液体与固体表面之间的接触面积增大,接触角减小,即发生浸润现象。

如果附着力小于表面张力,那么界面上的液体分子会被拉回液体内部一侧,使液体与固体表面接触面积减小,接触角增大,形成近似球状的液滴,发生不浸润现象。

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对于水而言,构成蜡质物质的烃类分子对水分子的吸引力没有水分子之间的吸引力大,因此以石蜡为代表的疏水表面的水滴会凝结成球状的小水珠。

构成玻璃的各种金属离子与原子团对水分子的吸引力大于水分子之间的吸引力,因此水滴会紧紧地贴合在玻璃表面,通常不会形成球状的水滴。

而一旦玻璃表面沾染了油污,界面上水分子实际接触的不再是玻璃,而是油污的表面,油污上的烃基对水分子的吸引力远小于玻璃,于是,水滴就会在油污处聚集成小水珠,水珠较大时就会成股流下。

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看到这里小伙伴们有没有大吃一惊呢?没想到洗玻璃杯这件生活中的小事里竟然藏着如此高深的物理原理!看似与我们毫无联系的分子力竟然时时刻刻影响着我们的日常生活!

其实,生活中藏着的科学原理还有很多,只要你具备足够的科学知识和一双敏锐的眼睛,一定能在司空见惯的现象中发现更多奇妙的道理。

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