神奇的表面张力

在日常生活中，我们对见到的一些现象可能已经习以为常，认为它们理应如此，但是为什么会这样，就没有过多地去想了。比如，下过雨后，我们可以见到树叶、草上的小水珠都接近于球形；不小心打碎了体温计后，里面的水银掉到地上，小水银滴也呈球形。另外我们也可以表演一个小魔术，在一杯水里，小心地把一枚针水平放置在水面上，针浮在水面上而不沉于杯，并且在针下面的水面上形成一个凹面。如果做得相当熟练，你甚至可以用钮扣、小巧的平面形金属或硬币来代替针。所有这些现象都与表面张力有关。

那么，什么是表面张力呢？原来液体与气体相接触时，会形成一个表面层，在这个表面层内存在着的相互吸引力就是表面张力，它能使液面自动收缩。表面张力是由液体分子间很大的内聚力引起的。处于液体表面层中的分子比液体内部稀疏，所以它们受到指向液体内部的力的作用，使得液体表面层犹如张紧的橡皮膜，有收缩趋势，从而使液体尽可能地缩小它的表面面积。我们知道，球形是一定体积下具有最小的表面积的几何形体。因此，在表面张力的作用下，液滴总是力图保持球形，这就是我们常见的树叶上的水滴按近球形的原因。

表面张力的方向与液面相切，并与液面的任何两部分分界线垂直。表面张力仅仅与液体的性质和温度有关。一般情况下，温度越高，表面张力就越小。另外杂质也会明显地改变液体的表面张力，比如洁净的水有很大的表面张力，而沾有肥皂液的水的表面张力就比较小，也就是说，洁净水表面具有更大的收缩趋势。

不光液体与气体之间的表面层，液体与固体器壁之间也存在着“表面层”，这一液体薄层通常叫做附着层，它也一样存在着表面张力。这一表面张力决定了液体和固体接触时，会出现两种现象：不浸润和浸润现象。水银掉到玻璃上，是呈现出球形，也就是说，水银与玻璃的接触面具有收缩趋势，这种现象为不浸润。而水滴掉到玻璃上，是慢慢地沿玻璃散开，接触面有扩大趋势，这种现象为浸润。水银虽然不能浸润玻璃，但是用稀硫酸把锌板擦干净后，再在板上滴上水银，我们将会看到，水银慢慢地沿锌板散开，而不再呈球形。所以说，同一种液体能够浸润某些固体，而不能浸润另一些固体。水银能浸润锌，而不能浸润玻璃；水能浸润玻璃，而不能浸润石蜡。

浸润和不浸润两种现象，决定了液体与固体器壁接触处形成两种不同形状：凹形和凸形。

现在我们就明白了前面介绍的小魔术中，硬币不沉没的原因了，它实际上利用了水具有很大的表面张力的性质和不浸润现象。如果我们事先把硬币表面涂上一层油，硬币就可以轻易放在水面上而不会沉没。在工程技术和日常生活中，人们经常利用水不溶解油这一特性。像在纸伞上涂油漆做成雨伞；给金属器材涂机油，防止因水引起生锈；甚至在选矿方法中，也用到水不浸润涂了油的物体的性质。浮选矿法就是把砸碎的矿石放到池中，池里放上水和只浸润有用矿物的油，使它们涂上薄薄一层油，再向池中输送空气，这样气泡就附在有用矿物粒上，把它们带到水面，而与岩石等杂质分离开。

表面张力产生的一个重要现象是毛细现象。也就是说浸润液体在细管里上升，不浸润液体在管里下降。我们可以很容易做一个小试验来观察这种现象。把细玻璃管放入盛水的槽中，这时水很快从细玻璃管中上升，管中的水平面比水槽中水平面还要高，管子越细，上升越高，并且管中水面是凹形的。若水槽中放的是水银，情况则恰恰相反，管中液面低于水槽中水银的平面。

浸润液体为什么能在毛细管中上升呢？原来，浸润液体与毛细管内壁接触时，引起液面凹形，而表面张力是沿着液面切向作用的，所以沿着管壁作用的表面张力形成一个向上的合力，使得管内液体上升，直到表面张力的向上拉引作用和管内升高的液柱重量相等为止。同样的道理，对不浸润液体，毛细管壁的表面张力的合力方向向下，使管内液体下降。

我们平常所见到的用毛巾擦汗、粉笔吸干纸上墨水等现象都可用毛细现象来说明，毛巾、棉花、粉笔、土壤等物体，内部有许多小细孔，起着毛细管作用。在酒精中，用棉线作灯芯，可以使酒精沿灯芯上升；而若用丝线来作灯芯，可能点不着酒精灯。这是因为酒精不能浸润丝线，在丝线灯芯中酒精是下降的。

毛细现象对植物生长也具有很重要的意义，它们所需要的养分和水分就是由根、叶子和茎中的小管从土壤中吸上来，输送到绿叶里的。这就象不停止的抽水机，不知疲倦地把水分、养分送到植物的每一个细胞。另外，土壤中有很多毛细管，地下的水分沿着这些毛细管上升到地面蒸发掉。如果要保存地下的水分来供植物吸收，就应当锄松表面的土壤，切断这些毛细管，减少水分的蒸发。所以农民常在雨后给庄稼松土，来保持水分。

利用毛细现象，人们还生产出各种钢笔、签字笔和彩色水笔。当用它们在纸上书写时，纸马上显现出字迹来，这是我们平日所见惯了的，但却很少有人想到，为什么写字的时候，墨水会源源不断地出来，而不写字的时候，它就不跑出来？现在我们已经知道，这是依靠钢笔身上一系列毛细槽和笔尖上的细缝，把笔胆内的墨水输送到笔尖；而签字笔和彩色水笔的笔尖是与一根细长的管子相连，管内壁有吸满了墨水的棉卷，有的彩色水笔笔尖也是用含多个毛细孔的材料做的。写字时，笔尖一碰到纸，墨水就附着在纸上，并在纸上面留下字迹。

当不写字的时候，墨水为什么不流出呢？我们仍可做另一实验来解释。把一块硬纸板盖在盛上水的玻璃杯上（杯内不必装满水），按住纸板，迅速将杯子倒过来，并把手从硬纸板上移开。此时，发生一奇怪现象：硬纸板停在原处，水仍留在杯内不流出来。难道一杯水的重量推不动一张纸吗？不是的。这是由于大气压强与水的表面张力共同作用的结果。当把玻璃杯倒置后，水柱有些下降，这就减小了杯内的气压，水柱顶部与底部之间的压力差克服了水柱本身的重量而使杯内的水流不出来；水与纸片和水与玻璃之间的表面张力也使纸板保持在原来的位置上。不写字的时候，笔内的墨水不流出来的道理也是一样的。

表面张力的用途远不止以上所谈到的这些，在生物学、医学及微循环系统中，它也有着广泛的应用；玩具制造厂也常利用它生产出各种有趣的玩具。