聽說化學好的人,杯子刷得更幹凈?

繼做涼皮(聽說高分子學得好的人涼皮做得也好吃?是的沒錯!)之後,我們發現,化學好的人,好像杯子也能刷得更幹凈。

想必很多人都有被“化學口訣”支配的恐懼。

你也許還記得,化學老師常常念叨:清洗玻璃容器時,如果容器表面既不掛滿水珠,上面的水又不成股流下,就證明容器洗幹凈瞭。

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沒洗幹凈的試管

不過,小編相信,大多數人隻是記住瞭這個規律,但是並不明白其中隱藏的原理。下面,就讓我們看看其中的科學原理到底是什麼。

浸潤與不浸潤

大傢都有過去公園觀賞荷花的經歷。如果你仔細觀察的話會發現,荷葉表面的水滴通常是飽滿圓潤的球狀小水珠的形態,很容易隨葉片擺動而滾落。

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荷葉表面的水珠

其他植物葉片,尤其是枯黃葉片上面的水滴則通常一灘灘地附著在葉子表面,大體上呈半橢球狀。

同樣的水,是什麼原因導致瞭它們形態上的差異呢?

其實,這種現象在物理學上叫浸潤與不浸潤,由接觸角的大小來區分。

接觸角指液體、固體表面、空氣三者接觸處,彎曲的液面與固體表面所形成的角,如下圖所示。

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液體滴在某些表面時,接觸角較小,幾乎貼合在固體表面,這種現象叫做浸潤;而有些液體滴在固體表面時,接觸角較大,呈近似的球狀,這種現象叫做不浸潤。

水在荷葉上不浸潤正是因為荷葉表面有一層疏水的蠟質,並且還分佈著許許多多納米級的小顆粒,這種結構可以有效增加水滴的接觸角。

液體浸潤與否除瞭與固體表面的材質和微觀結構有關,還會受到液體種類和固體表面雜質的影響。

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一般而言,純水與幹凈玻璃之間的接觸角不會大於90°。這時,水可以很好地貼合在玻璃表面,不會形成近似球狀的水珠。

不過,一旦玻璃沾染上瞭雜質與污物,接觸角就會大幅度增加。當接觸角大於90°時,玻璃表面的水就會呈明顯的水珠狀。如果水珠中聚集的水較多,水珠的重量較大,就會成股地沿著玻璃表面流下。

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講到這裡,想必小夥伴們就理解瞭為什麼化學老師總是說“既不凝結成水珠,又不成股流下”就算洗幹凈瞭。

凝結成水珠和成股流下意味著水與玻璃表面的接觸角大於90°,而接觸角大於90°意味著玻璃表面附著有污物和雜質,說明玻璃沒有被洗幹凈。

分子力——浸潤的本質

前面,我們用物理中的浸潤與不浸潤現象弄明白瞭玻璃杯怎樣才算幹凈。但是好奇的小夥伴們一定想問,浸潤的本質是什麼呢?這種現象究竟是怎麼產生的呢?

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下面,我們就一起進入微觀世界,看看固體與液體表面到底發生瞭什麼?

我們知道,大多數物質是由分子或原子構成,分子或原子之間並不是相互獨立的,它們彼此間存在著相互作用,這種相互作用叫做分子力,就好像有一根無形的彈簧將每個分子連接瞭起來。

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液體內部分子的四面八方都有其他分子與它相鄰,這個分子自然也會受到來自四面八方其他分子的分子力。

這些分子力的大小幾乎相同,方向又各異,因此對於一個向左的分子力,我總能找到一個與之對應的大小近似相同,方向向右的力與它抵消。

同理,任何方向的一個分子力,都可以被與之對應的另一個反向的分子力抵消。由於這種抵消作用,整體上看,液體內部的分子幾乎是不受力的。

然而,液體界面上的情況就完全不同瞭。對於界面上的一個分子來說,一側是與它相同的億萬個分子,鄰近的每一個分子都會用分子力緊緊地拉住它。

而這個分子的另一側卻是空空蕩蕩的,沒有任何分子會拉住它,因此在這個方向它幾乎是不受力的。

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液體不同位置的分子受力情況

這就意味著液體界面上的每一個分子都會受到一個很強的向液體內部的力,這個力是液體內無數個分子拉著它的分子力的總和,我們將其稱為表面張力

在表面張力的作用下,液體表面會自然地向內收縮,使其表面積趨於最小,即形成球狀(同等體積球體表面積最小),微觀上看這是由於液體內部的分子都在用力向內拉著表面上的分子的緣故。

以上是一個孤立的液滴內的情形,那麼液滴與固體交界面處會發生些什麼呢?

這時,界面處的液體分子一側是無數個與它相同的液體分子,每個相鄰的液體分子都在向內拉著它,這些拉力的總和就是前面介紹的液體表面張力

而另一側是無數個構成固體的分子,這些分子也會與界面處的液體分子發生相互作用,試圖把界面處的液體分子拉向自己,這些拉力的總和被我們稱為附著力

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於是,界面處的各個液體分子一邊被表面張力拽著,另一邊被附著力拽著。

液體接觸固體表面的瞬間,如果附著力大於表面張力,那麼界面上的液體分子就會被緊緊拽到固體表面,使液體與固體表面之間的接觸面積增大,接觸角減小,即發生浸潤現象。

如果附著力小於表面張力,那麼界面上的液體分子會被拉回液體內部一側,使液體與固體表面接觸面積減小,接觸角增大,形成近似球狀的液滴,發生不浸潤現象。

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對於水而言,構成蠟質物質的烴類分子對水分子的吸引力沒有水分子之間的吸引力大,因此以石蠟為代表的疏水表面的水滴會凝結成球狀的小水珠。

構成玻璃的各種金屬離子與原子團對水分子的吸引力大於水分子之間的吸引力,因此水滴會緊緊地貼合在玻璃表面,通常不會形成球狀的水滴。

而一旦玻璃表面沾染瞭油污,界面上水分子實際接觸的不再是玻璃,而是油污的表面,油污上的烴基對水分子的吸引力遠小於玻璃,於是,水滴就會在油污處聚集成小水珠,水珠較大時就會成股流下。

聽說化學好的人,杯子刷得更幹凈?

看到這裡小夥伴們有沒有大吃一驚呢?沒想到洗玻璃杯這件生活中的小事裡竟然藏著如此高深的物理原理!看似與我們毫無聯系的分子力竟然時時刻刻影響著我們的日常生活!

其實,生活中藏著的科學原理還有很多,隻要你具備足夠的科學知識和一雙敏銳的眼睛,一定能在司空見慣的現象中發現更多奇妙的道理。

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