一杯水的内部,每个水分子都受到前后左右上下水分子的拉力牵扯(这个拉力包括力度不低的氢键),而四面八方的拉力始终是平衡的,相互抵消的。在这杯水的表面,则每个水分子周围的同伴减少了一半,拉力仅来自内部水分子,未有抵消,表面水分子就被拉得有点紧。就像水面有层稍硬的皮。
有人说蜘蛛能在水面行走是因为利用了水的表面张力,就是依赖水的那张皮,不敢相信,想不出来如何揭去水皮看着蜘蛛沉下去。不通过实验看理论计算?
如果不是一杯水而是一滴水,这滴水会追求球形,因为球形表面积最小,处于表面的水分子最少,表里受力不平衡程度最低,硬皮最小。平衡和高熵是硬道理。当然这颗水不能太大,因为重力限制。
假定要把这颗水球压成水饼,就是增加它的表面积,就是增加表面分子拉力的不平衡,显然需要外界给力给能量。这个力叫表面张力(surface tension),20℃时水的表面张力为7.29×10-2J/m2。注意这里说的是每平方米,把一滴水压瘪能增加多少表面积?还注意到水的表面张力不是水的对外扩张用力,而是扩张需要接受能量,扩张是受力的。
汞的表面张力高得多,4.6×10-1J/m2,人家的内聚力是金属键,非氢键可比。汞珠也是个球。
把烧杯改成玻璃管,比如滴定管。因为玻璃的主要成分是硅酸盐,极性很高,对水分子的黏附力高于水分子的内聚力,于是有部分水分子会克服氢键和表面张力就近爬到玻璃表面去争宠,于是我们在滴定管上看到的是“凹液面”。
但在水银温度计里看到的汞柱顶端却是凸液面,金属键比玻璃黏附力强很多。
把滴定管改成足够细的垂直毛细管,管内与玻璃接触的水分子比例大幅提高,玻璃(或其他强极性器壁)的粘附力会扛过重力让水分子爬得更高,直到与重力平衡为止,比如酒精灯中的酒精可以升到灯芯顶端以供安静燃烧。毛细管现象普遍存在,比如在植物营养传输中起到重要作用。