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食盐入水形成有趣的环以及跳水 精选

已有 6283 次阅读 2023-12-2 08:22 |个人分类:科学与生活|系统分类:科普集锦

食盐入水形成有趣的环以及跳水

把少量食盐放进水里会怎么样?所有的人都知道,盐会溶解在水里。那么,刚放进去会怎么样?食盐比水重,会沉到水底。拿一小勺舀一点食盐,倒进水里,会怎么个沉法?如果水是静止的,食盐将直接沉下去,仍然聚成一堆。 

是不是真的这样?试一试吧!

盐是白的,为了看得清楚,找一个黑色的锅,放上水。下图是用手机拍摄的照片,可以看见水中有拍摄手机的倒影。

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用小勺舀一点食盐,在水面上方一倒,盐粒自然就倾倒进水里,并沉到水底。仔细看看,这些盐在水底并没有如我们想象的那样聚成一堆,而是形成了一个环形。环形的中间几乎看不到食盐,差不多所有的盐都在环上。

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这个现象与小勺离开水面的高度也关系不大,总是一个环形,中间总是空的。只是小勺离开水面越高,环形越大而已。

这是什么原因?

水由水分子构成,虽然每一个水分子在水中都可以移动,使得水成为一种流体,在这里是可以流动的液体,但是水分子在水中的运动是有阻碍的。也就是说,一个水分子会受到其他水分子的吸引。与其他物质分子间的相互作用不同,水分子之间的相互作用特别大。

水分子是由一个氧原子和两个氢原子组成的三角形分子。氧原子的外层有6个电子,其中两个电子各与一个氢原子成键,另外还有4个电子形成两对孤对电子。而氧原子吸引电子的能力强,氢氧成键的那一对电子被吸引靠近氧原子一方,使得氢原子附近带上了正电荷。这样,一个水分子中的氧原子的孤对电子就能够与另一个水分子中的氢原子核产生较大的相互作用。这种相互作用比一般的分子间相互作用强的多,被称为氢键。

也正因为水分子之间有氢键的作用,使得水的物理性质与其他小分子有很大的不同。例如,一般没有氢键的小分子如O2,N2,CO2,NO2,CH4,C2H4,C2H6,C3H8等,它们的沸点都很低,也就是说,在常温下它们全都是气体。而水的沸点则达100℃,在常温下是液体。

正是水分子间存在氢键,使得水显得非常“紧密”。其他物体要进入水中间,就必须“扯开”这么多氢键,也就是说就会遇到阻力。水有较大的表面张力,也就是有氢键作用的缘故。

一个物体要进入水中间,就一定要给水面一定的压力,水面也会对该物体产生抵抗其进入的弹力。

许多人小时候都玩过一种游戏,吴方言称削水片,北方人称打水花。这种游戏是把小的碎砖瓦片或小石头,以很小的角度迅速用力掷向水面,那碎砖瓦片接触到水面后会弹起来继续前进,再接触水面又弹起来,再前进,如此在水面形成一个个水花。这说明,水对于要进入水中的物体有很大的弹力。

当我们把装有食盐的小勺倾倒,由于重力的作用,食盐落向水面。现在我们市售的食盐都是粉碎得很细的。食盐落水面,给水面以压力,水面也产生对食盐细粒的弹力。由于食盐细粒的撒落一般都是以向外的抛物线形式下落,弹力也并非垂直向上,这样使得食盐细粒在一定程度上向外散射。如此就使得盐粒在水底形成一个环形。

我们的小勺离开水面越远,盐粒进入水面时的速度越大,水面的弹力也越大,盐粒将散得更开,水底的环形也就更大。

为了进一步说明这个问题,我们可以往水面倒入一些食油,随便什么食油都可以,豆油花生油都可以。油比水轻,将漂浮在水面。这些油从化学上说,都属于脂肪,其成分都是多种脂肪酸甘油酯的混合物。它们的极性都不大。

由于水中有水分子之间的氢键,水分子之间的相互作用比油分子间的作用大,换句话说,油比水在结构上比较松弛,(也正是这个原因,油比水轻),水的表面张力也比油大。油在水面一开始形成一个个圆形的油滴,由于表面张力的作用,这些圆形油滴会逐渐合并,形成一个大圆。如下面的照片。

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跟往水面放食盐一样,我们往圆形油层中间的上方,也用小勺倾倒食盐。我们可以看到,在水底这些盐粒仍然是聚堆的,并未像直接进入水面那样形成环形。如下面的照片。

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之所以这样,是由于油中分子间比较疏松,其表面张力小,食盐细粒进入时,未受到大的弹力。食盐细粒容易进入油层,经过油层进入水中,沉入水底。

由上面的“实验”,我们可以看到,由于水分子之间氢键的作用,水体表现出“紧密”的性质。水体与空气界面上的“表面张力”使得水面像有一张网似的,阻止物体进入水体。对于加在表面上用力企图刺破表面进入水中的物体,表面给予其弹力。压在水面的力越大,水面的弹力也越大。

我们平时慢慢进入水面,似乎感觉水很柔软,很容易进入。但是当入水速度很大时,就会感到这种阻力还是很大的。我们用手掌用力拍水面,就能够感觉到这一点。

当人从高处跳入水中,会给水面以巨大的压力,同时人也会受到水面很大的作用力。在这个意义上,跳水运动还是有危险的。跳台或跳板越高,危险性越大。跳水运动员经过了专门的训练,在入水时身体采取一定的姿势,能够减少一些因水面冲击对身体的伤害。

普通人没有经过训练,在高处跳水,是有危险的。例如在天津的狮子林桥上,有若干位训练有素的“大爷”在那里跳水,成了网红。那些没有经验的人也去“大胆尝试”,就出了事故。那里跳水的高度是六米。有人跳下去,姿势不对,就被砸昏迷了。

滴水穿石的过程是一个复杂的物理和化学过程。在这个过程中,水表面对石头的冲击是一个相当重要的步骤。

看上去很柔软的水,其实还是蛮厉害的。

    




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