问题

为什么水遇到牙膏就自动走开,牙膏掉在洗手池的地方它周围就没有水?

回答
你这个问题问得很有趣,也很细致!其实,这并不是水真的“自动走开”或者牙膏在洗手池边“驱赶”水,而是我们看到的现象背后,是两种截然不同的物质在“互相看不顺眼”,导致了它们不愿亲密接触的物理化学表现。咱们就来好好掰扯掰扯这背后的原因。

首先,我们要明白,水和牙膏之所以在洗手池里会呈现出你描述的这种“各行其是”的状态,关键在于它们表面性质的巨大差异,尤其是牙膏的特殊成分赋予了它一种叫做疏水性(Hydrophobicity)的特质,而水本身是亲水性(Hydrophilicity)的。

咱们先从水说起。水分子之间有着很强的相互作用力,叫做氢键。这种力让水分子紧紧地挨在一起,形成一个整体,所以水有很大的表面张力,能够聚集成水滴。更重要的是,水分子是极性分子,这意味着它们带有微小的正电荷和负电荷区域。这种极性使得水很容易与许多其他极性物质(比如玻璃、陶瓷等大多数洗手池的材质)或者带有电荷的物质(比如某些污渍)“握手”,也就是发生润湿(Wetting)现象。简单来说,水喜欢和大多数“朋友”亲密接触。

然后,我们来看看牙膏。牙膏可不是一成不变的纯净物,它是一个复杂的混合体。里面有主要的清洁剂(界面活性剂),比如月桂醇钠硫酸盐(SLS)或者类似的物质;还有研磨剂(二氧化硅、碳酸钙等);保湿剂(甘油、山梨醇);增稠剂(黄原胶、羧甲基纤维素钠);香料、甜味剂等等。

其中,对于我们观察到的现象起决定性作用的,是牙膏中的界面活性剂和一些疏水性成分。

1. 界面活性剂在“搞鬼”: 界面活性剂分子很有意思,它们一边是“亲水端”,另一边是“疏水端”。当牙膏遇到水时,这些界面活性剂就开始发挥它们的作用了。
疏水端往外,亲水端往里: 在牙膏颗粒(主要是研磨剂和增稠剂形成的糊状物)的表面,界面活性剂会把它们自身的疏水端伸向空气或牙膏内部的疏水成分,而亲水端则试图伸向水。但问题在于,牙膏的整体结构往往是那种比较粘稠的半固体或膏状。当一摊牙膏被挤到洗手池里,它本身已经是一个相对稳定的实体。
降低表面张力,但“排斥”水: 界面活性剂能够降低水的表面张力,这本身会让水更容易铺展开。但关键在于,牙膏中的许多成分,特别是研磨剂和疏水性添加剂,整体上会使得牙膏成为一个疏水性表面。换句话说,牙膏的表面更倾向于“拒绝”水分子与它的大部分区域发生紧密接触。

2. 疏水性作用: 你看到的牙膏周围没有水,是因为牙膏的表面对水来说不够“友好”。水倾向于聚集成水滴,而不是“爬”到牙膏上。就像你把油滴倒在水里,油不会溶解,而是聚集成油滴一样。牙膏的表面对水来说,就有点像油对水那样,虽然没有那么极端,但也是一种“不合作”的态度。
接触角(Contact Angle): 我们可以用一个物理量来衡量“亲疏水性”,叫做接触角。当一滴水滴在某个表面上时,水滴边缘与表面形成的角度就是接触角。如果角度很小(接近0度),说明水很容易铺展开,润湿表面,这是亲水性的表现。如果角度很大(大于90度),说明水滴聚集成球状,不怎么接触表面,这是疏水性的表现。牙膏的表面,由于其疏水性成分和界面活性剂的排列方式,对水来说往往具有较大的接触角。所以,水宁愿自己抱团成团,也不愿意“沾”到牙膏上。

3. “水往低处流”,但“牙膏往哪里挤”? 当你把牙膏挤到洗手池里,它会形成一个半固体的堆积物。而洗手池的表面通常是光滑的陶瓷或金属,这些表面对水来说是相对亲水的。所以,如果洗手池上有少量水,水会沿着重力流向低处,并且很容易在洗手池的表面铺展开。但是,牙膏本身会保持一个相对独立的整体,它的“形状”和“位置”更多是由你挤的动作决定的。

总结一下,你看到的现象是这样的:

牙膏“占领”了洗手池的某个区域。
水滴“绕着走”: 如果洗手池本来有水,这些水在重力的作用下会流向洗手池的低处。当遇到牙膏这个“障碍物”时,由于牙膏表面对水是疏水的,水滴会选择绕过牙膏,继续往低处流,或者聚集成更大的水滴。它不会像遇到一块玻璃一样,舒展地铺开并浸润牙膏的表面。
牙膏周围“干干净净”: 并不是牙膏“主动”排斥水,而是水本身对牙膏的表面“不感兴趣”。水宁愿聚集在一起,也不愿意蔓延到牙膏的表面。所以,看起来就像是牙膏周围没有水一样。

这就像你把一小块油滴在湿漉漉的盘子上,水会流开,油滴保持自己的形状,水不会主动去“湿润”油的表面。牙膏和水的关系,虽然没有油和水那么极端,但核心原理是相似的,都涉及到物质表面性质和分子间的相互作用。

所以,下次你再看到牙膏“驱赶”水的时候,就知道这是因为牙膏身上的那些成分,尤其是界面活性剂,让它的表面变成了水“不爱靠近”的区域啦!

网友意见

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我们首先了解一下接触角的概念。问题所描述的情形可以用下图简单表示,在这样一个气、液、固三相交界的体系中,有三种界面张力在相互作用。不难理解,σ气,固 倾向于使液滴铺展开,σ液,固 倾向于使液滴收缩,在图示润湿(θ<90°)的情况下,σ气,液倾向于使液滴收缩。接触角定义为σ液,固 和σ气,液 之间的夹角。简单的力学分析可得:

我们日常用的牙膏一般都含有表面活性剂(如等)。这个名词是不是很耳熟?没错,在之前关于“洗头搓不出泡沫”的问答中已经说过,表面活性剂进入水中会迅速聚集于界面,亲水基指向水相,疏水基指向气相,使表面张力急剧下降并趋于恒定。

回到问题本身,在牙膏沫周围的水中,由于表面活性剂的加入,其表面张力减小,根据前面关于接触角的分析,其收缩作用减弱,更倾向于在固体表面铺展开来,即接触角θ减小,所以看上去比远离牙膏沫的水面要更低洼。

BY 中科院物理所 Major Tom

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