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第三十七期问题:当一滴水融入大海?(查看详情,请点击群博右边栏的Dr.YOU专辑)

本期Dr.You收到了三封来信,其中还有一封不符合规则……下次来信的同学们请注意出题时的规则说明哈。

接下来刊登的两封信来自瞭望星云和RSO3Na同学,他们再次不约而同地提到了同一个名词……



瞭望星云

我觉得这一期的问题很不错。既没有现成的答案,又很方便自己动手来实验,而且也容易找到一些回答的线索。

通过一些演算,我也给它找到了一个简单的解释,可由于解释太简单了,直接说出来感觉好没有悬念,所以让我们一步一步来逼近答案。

首先,结合热心的实践家InThatWay 同学提供的照片,我们可以确定,水珠在水面上停留的现象确实存在。而且根据照片,我们可以画出如下的剖面图来:

clip_image002

应该说明的是,这只是个近似的剖面图,因为水珠在水面上停留的时候底部是什么形状我们并不知道,也很难推理得到。所以我们仍然用球形代替(但通过计算可以发现,这个近似不会带来太大的误差)。

那么问题就来了,水珠如图中那样停留在水面上,到底会不会直接溶解呢?再问深一点儿:既然水珠和水面的成分一样,为什么中间会存在界面呢?

这个问题,还是要从InThatWay的实验中来找答案。

在他的实验中,水珠和水面都是溶了洗洁精的,洗洁精里面的有效成分大多是烷基苯磺酸的钠盐。这些钠盐溶于水后,会电离出一个带正电的钠离子和一个带负电的烷基苯磺酸根,这个烷基苯磺酸根一头是亲水的,另一头是一条长长的烃基,是疏水的。当存在水面时,这些酸根就会在水面上一字排开:亲水的一头朝向水面内,疏水的一头朝向水面外(下图中红点表示疏水基团,黑色的尾巴表示亲水基团。当然液体内部也是有一些分子的,它们在零散地游动)。如下图所示:

clip_image004

显然,水珠的表面和下面的水面上都布满了烷基苯磺酸根。因为这些酸根都是带负电的,所以“洗洁精水珠”和“洗洁精水面”上也都会呈现微弱的负电性。既然都带负电,那么水珠和水面之间就有一层微弱的斥力,这层斥力一定会使得两个表面的融合变的困难。所以我猜想,这个斥力可能就是我们要找的原因——至少也是主要原因。

当然,这只是个假设,我们可以用以下几个实验来验证它:

1 不断提高水里表面活性剂的浓度,实验现象应该会越来越明显;

2 当表面活性剂饱和(即表面上已经布满了磺酸根,不能再增多了)以后,再加入表面活性剂,实验现象应该不再有明显变化;

3 换用阳离子表面活性剂(如季铵化物等)重复实验,应该能观察到同样现象;

4 换用非离子表面活性剂(脂肪酸甘油酯等)重复实验,应该不能观察到这个现象。

如果能够进行上面四个实验,并取得我们所预测的结果,那就应该能证明电性斥力确实是导致这个现象的主要原因。

顺便说一下,有的同学觉得可能是水珠和水面之间的空气层或者水珠表面吸附灰尘导致了融合困难,这应该是不对的。因为如果是这样的话那用蒸馏水做实验和用洗洁精水做实验所得的结果应该同样明显,可事实却不是这样(我们偶尔也能观察到自来水产生这种现象,这可能是由于当时的自来水中溶解了较多的有机物造成的);有的同学觉得是由于表面张力的影响,并认为表面张力越大,效果应该会越明显,这也是不对的,因为加了无机盐的水表面张力会增大,却不会出现这种现象。相反,加入表面活性剂后,水的表面张力变小了,这种现象反而更明显;有同学提到碱性环境下容易出现这种现象,这应该是我们日常用到的表面活性剂大多是碱性(肥皂、洗衣粉等)带来的假象。

解决了“不溶合”的问题,让我们来看看水珠能以怎样的方式停留在水面上。

这是一个力学问题,让我们来做一个受力分析吧。不过这个分析的对象不是小水珠,而是与水珠接触的那一层水面(也就是下图中绿色画出的那一部分):

clip_image006

这层水面受三个力作用:小水珠给它的压力(等于小水珠的重力);水面内部液体对它的压力(用深红色箭头表示);外周液面对它的拉力(用浅红色箭头表示)。通过简单的推理就可以知道,这三个力是肯定可以平衡的,只不过平衡时水珠下沉的深度(上图中的x)会有不同。这个x一定是随着水珠的半径R变化的,水珠越大,x一定也越大。对任给的一个R,都可以计算出对应的一个x。x除以R得到的商(x/R)和R的关系如下:

clip_image008

上面的图很明显的告诉我们,对纯水来说,半径小于3mm左右的水珠可以停留在水面上(这时候x/R约为0.4,也就是说水珠只有1.2mm浸在水面下,如果一个直径6mm的球只有1.2mm浸在水面下,我们应该会觉得它是停留在水面上的),而且模样几乎和玻璃球停在玻璃板上一样突出、明显。加入表面活性剂以后,由于表面张力减小,水面能承受起的水珠半径减小,但仍然能使半径小于2mm的水珠“停”在水面上。

这也告诉我们,水珠停在水面上是一个“平衡”状态,既然是平衡状态,那就有存在的可能性。但由于这个平衡状态是不稳定的(关于这点可以从能量的角度去考虑:相比于水珠停在水面上的状态,溶进去后体系的重力势能和表面能都有减少,所以能量更低、更稳定),所以只要有轻微扰动,表面层破裂一点儿,它就会迅速的溶进水面消失。


RSO3Na

一天,InThatWay同学做了一个实验,他拿出了洗洁精和水的混合液、杯子、震动按摩器,然后把洗洁精和水的混合液放进了杯子,然后用震动按摩器震动这个杯子,在一直振动的情况下那水面几乎一直都有水珠,于是他问他朋友Drout,这个现象背后的大自然的基本原理是什么呢?

只见out画了一副图形,图形一共有5部分,以(n)来区分。

pic5

out说:首先,你知道洗洁精的有效成分是什么吗?

in说:是表面活性剂,表面活性剂为何叫表面活性剂呢?

out说:因为表面活性剂可以增加液体的表面的活力。

in说:那么什么是活力呢?

out说:举个例子,一个人有没有活力可以从他的工作效率来看,假如他一般情况下工作8小时可以完成3个任务,假设有一种食物,他吃了,可以8小时完成13个任务,那么很显然,这种食物可以增加人的活力。

in说:那么也就是说,如果把表面活性剂看成一种食物,把液体的表面看成一个人的话,表面活性剂可以增加液体的表面的活力就像一种食物可以增加人的活力。那么,液体的表面的工作是什么呢

out说:液体表面有一种性质叫表面张力,就是液体表面相邻部分之间的相互引力。这种张力使液体的表面就像一张弹性薄膜。弹性薄膜能做什么呢,就像大树可以做家具,鸟可以唱歌那样,弹性薄膜可以包裹东西。

in说:弹性薄膜可以包裹的东西有什么性质呢?

out说:当弹性薄膜包裹的东西是水的时候,表面张力能使不受外力作用的液体形成球形。

in说:为何不是立方体形?

out说:因为世界的运行满足最小作用量原理,并且对于一定体积的物体,球面的表面积最小。因而,水滴分子总是尽量靠拢,从而使表面积缩小,这样就形成圆形,或者说球形了。

in说:什么是最小作用量原理?

out说:就是世界的运行总是采用最经济的运作方式,如光从a点到b点,总是走a和b点的最短距离,所以光总是走直线,再比如,宇宙的空间的维度总是选择可以选择的最小的数,3。

in说:那么,表面活性剂可以增加表面活性的原因是什么?

out 说:这要从化学说起,原子是由原子核和电子组成,电子可以看成围绕原子核旋转,就像行星围绕恒星旋转,电子分电子层,和只有八大行星类似,电子层也只有8 层,同时当最外层电子达到8个电子的时候,原子最稳定,所以原子尽量以任何方式来达到稳定结构,所以首先,要了解一下表面活性剂的分子结构。

in说:表面活性剂有许多种,选择哪个好?

out 说:表面活性剂分为离子表面活性剂和非离子表面活性剂,非离子表面活性剂一般是从天然植物中提取的,纯天然,但是人工合成很难,因为分子式太复杂,所以我选择画了一个离子表面活性剂烷基苯磺酸钠,分子式如图一所示,亲水基是SO3,Na已经作为离子跑掉了,憎水基是左边部分。

in说:什么是亲水基和憎水基。

out说:当一个人喜欢另一个人,就容易和另一个人结合组成一个结合体,分子也一样,亲水基喜欢水,超容易和水分子结合,憎水基喜欢油,是亲油基,或许他并不憎水,只是因为爱油,所以很难与水结合。

in说:如果少量烷基苯磺酸钠放入水中,会如何?

out说:他们会如图3所示的那样漂在水的表面,亲水基在下面,憎水基在上面。

in说:随着烷基苯磺酸钠浓度的增加,会如何?

out说:他们会如图4所示的那样,多个分子结合,憎水基结合在中心,亲水基在外面,先是两两结合,然后多个分子结合成球状,最后浓度高到结合成不规则的形状。取名为分子团

in说:水的震动起到什么作用?

out说:现在考虑平静的水的情况,憎水基都在水的外面,均匀的形成一层薄膜,好像水面结了一层薄冰,烷基苯磺酸钠分子团像鱼一样很难突破这层薄冰,冲到外面,如图5那样,当一个水滴掉到薄冰上的时候,憎水基那尖尖的刺很容易就把水滴外面的因为表面张力而形成的薄膜扎破,水直接顺着那尖尖的刺融合进了杯子里的水里了。

in说:水的震动会导致什么情况?

out说:如图5右那样,水的震动会导致波浪,漩涡,薄冰不在,分子团像鱼一样跳跃,从水中跳出水面,从水面跳入水中,当数不清的分子团跳进上面落下的水滴里后,迅速的,分子团分解,毕竟上面落下的水滴里没有此类分子,于是水滴迅速稀释分子团,水滴的球面上迅速构成一层憎水基薄冰,于是水滴就像在外面包裹了一层薄膜一样,同时憎水基薄冰吸引水杯中水的大量憎水基部分覆盖憎水基薄冰,冰越厚,吸引的憎水基越多,于是冰越厚,这是一个典型的正反馈过程,于是水滴的球面上迅速构成比水杯中水的薄冰厚很多很多的冰层。然后,冰层逐渐融化,烷基苯磺酸钠逐渐溶解进水滴,水滴的分子浓度逐渐和水杯中水的分子浓度变得相等,经过0.3~0.6秒后水滴就消失了。

in说:你的解释倒是有点道理,不知道还有谁知道,我再去问问其他人。


Dr.Who说:看起来这两个回答都和表面活性剂有关。那么,自来水呢?

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19 Responses to “[Dr.You第37期]读者来信:从一滴水,看一片海洋”

  1. 罗汉松说道:

    表面张力阻挡不了,水与水的吸引力。

    • en说道:

      但表面张力能够维持水滴的形状,不然水滴在没有一个包裹力作用下岂不是在空中就分崩离析,化作水原子?
      表面张力应该有维持本闭合表面面积最小的趋势。所以水滴在静止状态下接近圆形(应当在重力作用下,下部微微肥大),可从太空摄像中看到。
      而当表面一点或者数点开始融合,闭合表面被破坏,新的闭合表面就是水缸的水面,它又使它表面积向最小转换,这是就是一个平面。
      上面两个解释,试验,说是洗涤剂越浓越明显之流,可以解释为洗涤剂越浓表面张力越大。而且亲水基与疏水基是否真的如图上那样整齐,很怀疑。大家可以想象这么一个情形,一大堆的+离子聚集在表面难道就不会对偶尔几个-离子产生吸引?所以水体表面是疏水基占优而混杂了若干亲水基,它不可能是清一色(鸡胡可能性更大)。问题就来了,当两个水体接触时,大家都是混杂了杂质的表面,亲疏之间肯定更易配对,如两排电子站成两队列,一一面对,两排都是+多-混杂,即如
      +++++-++++++-+++++
      -++++++-++++++-+++
      那肯定增加了很多的接触点,更加容易促进融合才对。如上例电子队伍,就有5个配对上了,这个表面估计比没有电荷的表面更易融合。
      因此我认为统计上的少数能造成融合得更快,而不能避免的正是这统计上的少数

      • 后来者说道:

        同学,洗涤剂越浓,表面张力越小好不好。。。。
        而且你说表面上存在正负离子混杂有什么依据吗?有实验证实吗?
        即使从理论上来说不能排除有个别离子混杂的情况,那你如何确定表面上正负离子的比例呢?如果表面上负离子只占正离子的10的负多少次方,那根本就可以忽略了,你凭什么说“统计上的少数能造成融合得更快”呢?

  2. CrazyLemon说道:

    水是最神奇的物质

  3. urill说道:

    酒精也会有这种现象(我用的是95%的

  4. EIO说道:

    我觉得RSO3Na说得有问题,他好像是想说平静的水面不会有这种现象,震动的水面才会有。
    可是我就曾经见到过平静的水面上的类似现象呀。

  5. 奇角鹿饲养员拇姬说道:

    实验党满赛!

  6. sheldon.li说道:

    这个图片是原创吗?画的太赞了

  7. 橙色波浪说道:

    用自来水还不如用蒸馏水式更好,相对于更纯洁点

  8. 圣小桑说道:

    haha 改天我也试试~

  9. sunpeng说道:

    长知识了.................

  10. 说道:

    知识与生活息息相关...

  11. [...] 这回要宣布的是水滴问题的获奖者,这是一个我们很熟悉的名字:瞭望星云!她步步为营的解说着实征服了不少评委,这回又是全票通过。她的回答在这里。需要八卦的同学请参看她上次的采访资料。 [...]

  12. Etherbreaker说道:

    不知为何图片完全无法打开。

  13. 一只箱子说道:

    能不能解决一下图片不能显示的问题。
    之前没有看,但今早一上来就看到评议结果出来了,饶有兴趣地跑过来,
    文字不配合图的阅读,好像蒙着眼睛吃没放盐的菜。

    回归正题,麻烦帮忙解决一下图片问题,谢谢。

  14. 枉然不供说道:

    话说图片我看不到。。。。。。。

  15. niwo说道:

    关于水面上的小水球,当我还是个小孩子的时候,也观察到过这个现象,当时就很迷惑,所以印象很深.
    我观察到的情况是这样的:
    在东北某山区农村的小溪流里,此溪流为雨水经土壤过滤后渗流出来的小溪流。在平静的水面,如果用细树枝斜着抽打水面,有时会看到产生小的白色的小水球在水面快速游动开,小水球直径大概在1毫米左右,可能是因为水球内表面的反射作用,水球是亮白色的,在水面快速浮动着散开,大概到1米左右的距离,散入水中。不会长久存在。
    这个现象可重复,就是说,只要抽打的角度和力度合适,每次都能看到数个小球四散从水面散开。当时对这种小水球的产生和存在很迷惑。
    看来两个作者的解释,似乎都跟带电的自由基有关,可是小溪流是水的源头,上游没有工业没有生活污染,水应该只是典型的雨水,应该没有洗涤剂一类的存在。这个是让我迷惑的。

  16. 油菜说道:

    这个图我有。
    编辑也不查下这篇文章。

  17. 看不到图片!拓步ERP软件www.toberp.com

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