想必很多人都有被“化學(xué)口訣”支配的恐懼。你也許還記得，化學(xué)老師常常念叨：清洗玻璃容器時(shí)，如果容器表面既不掛滿(mǎn)水珠，上面的水又不成股流下，就證明容器洗干凈了。

沒(méi)洗干凈的試管

不過(guò)，小編相信，大多數(shù)人只是記住了這個(gè)規(guī)律，但是并不明白其中隱藏的原理。下面，就讓我們看看其中的科學(xué)原理到底是什么。

浸潤(rùn)與不浸潤(rùn)

大家都有過(guò)去公園觀賞荷花的經(jīng)歷。如果你仔細(xì)觀察的話會(huì)發(fā)現(xiàn)，荷葉表面的水滴通常是飽滿(mǎn)圓潤(rùn)的球狀小水珠的形態(tài)，很容易隨葉片擺動(dòng)而滾落。

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，是什么原因?qū)е铝怂鼈冃螒B(tài)上的差異呢？

其實(shí)，這種現(xiàn)象在物理學(xué)上叫浸潤(rùn)與不浸潤(rùn)，由接觸角的大小來(lái)區(qū)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。

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

水在荷葉上不浸潤(rùn)正是因?yàn)楹扇~表面有一層疏水的蠟質(zhì)，并且還分布著許許多多納米級(jí)的小顆粒，這種結(jié)構(gòu)可以有效增加水滴的接觸角。

液體浸潤(rùn)與否除了與固體表面的材質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，還會(huì)受到液體種類(lèi)和固體表面雜質(zhì)的影響。

一般而言，純水與干凈玻璃之間的接觸角不會(huì)大于90°。這時(shí)，水可以很好地貼合在玻璃表面，不會(huì)形成近似球狀的水珠。

不過(guò)，一旦玻璃沾染上了雜質(zhì)與污物，接觸角就會(huì)大幅度增加。當(dāng)接觸角大于90°時(shí)，玻璃表面的水就會(huì)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(huì)成股地沿著玻璃表面流下。

講到這里，想必小伙伴們就理解了為什么化學(xué)老師總是說(shuō)“既不凝結(jié)成水珠，又不成股流下”就算洗干凈了。

凝結(jié)成水珠和成股流下意味著水與玻璃表面的接觸角大于90°，而接觸角大于90°意味著玻璃表面附著有污物和雜質(zhì)，說(shuō)明玻璃沒(méi)有被洗干凈。

分子力——浸潤(rùn)的本質(zhì)

前面，我們用物理中的浸潤(rùn)與不浸潤(rùn)現(xiàn)象弄明白了玻璃杯怎樣才算干凈。但是好奇的小伙伴們一定想問(wèn)，浸潤(rùn)的本質(zhì)是什么呢？這種現(xiàn)象究竟是怎么產(chǎn)生的呢？

下面，我們就一起進(jìn)入微觀世界，看看固體與液體表面到底發(fā)生了什么？

我們知道，大多數(shù)物質(zhì)是由分子或原子構(gòu)成，分子或原子之間并不是相互獨(dú)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(wú)形的彈簧將每個(gè)分子連接了起來(lái)。

液體內(nèi)部分子的四面八方都有其他分子與它相鄰，這個(gè)分子自然也會(huì)受到來(lái)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(duì)于一個(gè)向左的分子力，我總能找到一個(gè)與之對(duì)應(yīng)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(gè)分子力，都可以被與之對(duì)應(yīng)的另一個(gè)反向的分子力抵消。由于這種抵消作用，整體上看，液體內(nèi)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了。對(duì)于界面上的一個(gè)分子來(lái)說(shuō)，一側(cè)是與它相同的億萬(wàn)個(gè)分子，鄰近的每一個(gè)分子都會(huì)用分子力緊緊地拉住它。

而這個(gè)分子的另一側(cè)卻是空空蕩蕩的，沒(méi)有任何分子會(huì)拉住它，因此在這個(gè)方向它幾乎是不受力的。

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(gè)分子都會(huì)受到一個(gè)很強(qiáng)的向液體內(nèi)部的力，這個(gè)力是液體內(nèi)無(wú)數(shù)個(gè)分子拉著它的分子力的總和，我們將其稱(chēng)為表面張力。

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

以上是一個(gè)孤立的液滴內(nèi)的情形，那么液滴與固體交界面處會(huì)發(fā)生些什么呢？

這時(shí)，界面處的液體分子一側(cè)是無(wú)數(shù)個(gè)與它相同的液體分子，每個(gè)相鄰的液體分子都在向內(nèi)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(cè)是無(wú)數(shù)個(gè)構(gòu)成固體的分子，這些分子也會(huì)與界面處的液體分子發(fā)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(chēng)為附著力。

于是，界面處的各個(gè)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，如果附著力大于表面張力，那么界面上的液體分子就會(huì)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(fā)生浸潤(rùn)現(xiàn)象。

如果附著力小于表面張力，那么界面上的液體分子會(huì)被拉回液體內(nèi)部一側(cè)，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(fā)生不浸潤(rùn)現(xiàn)象。

對(duì)于水而言，構(gòu)成蠟質(zhì)物質(zhì)的烴類(lèi)分子對(duì)水分子的吸引力沒(méi)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(huì)凝結(jié)成球狀的小水珠。

構(gòu)成玻璃的各種金屬離子與原子團(tuán)對(duì)水分子的吸引力大于水分子之間的吸引力，因此水滴會(huì)緊緊地貼合在玻璃表面，通常不會(huì)形成球狀的水滴。

而一旦玻璃表面沾染了油污，界面上水分子實(shí)際接觸的不再是玻璃，而是油污的表面，油污上的烴基對(duì)水分子的吸引力遠(yuǎn)小于玻璃，于是，水滴就會(huì)在油污處聚集成小水珠，水珠較大時(shí)就會(huì)成股流下。

看到這里小伙伴們有沒(méi)有大吃一驚呢？沒(méi)想到洗玻璃杯這件生活中的小事里竟然藏著如此高深的物理原理！看似與我們毫無(wú)聯(lián)系的分子力竟然時(shí)時(shí)刻刻影響著我們的日常生活！

其實(shí)，生活中藏著的科學(xué)原理還有很多，只要你具備足夠的科學(xué)知識(shí)和一雙敏銳的眼睛，一定能在司空見(jiàn)慣的現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)更多奇妙的道理。