把水倒满杯子时，水面即使比杯沿稍高、微微鼓起，也不容易溢出来。在池塘里，水黾不会沉下去，而是像滑行一样在水面上行走。液体表面像一层薄膜一样撑住的这种性质，就是“表面张力”（Surface Tension）。
简单来说，表面张力是指“液体尽可能缩小自身表面积的力”。它源于构成液体的分子之间相互吸引的力，从水滴凝成圆珠的样子、肥皂去除污垢的原理，到我们身体的呼吸，它参与的范围比想象中要广。
本文将依次探讨表面张力产生的原理、水的表面张力为何格外大、日常生活中遇到的各种场景，以及降低这种力的表面活性剂的作用。
表面张力的原理与应用
什么是表面张力？
位于液体深处的分子，上下和四周都有相邻的分子，所受的吸引力均匀地相互抵消。然而，位于表面的分子外侧几乎没有能吸引它的相邻分子，因此整体上受到一股被拉向液体内部的力。
结果，液体的表面就像一张被绷紧的橡胶膜，要扩大表面积，就得做相应的功。因此，表面张力可以用“作用在表面单位长度上的力”或“扩大单位表面积所需的能量”来表示，单位是牛顿每米（N/m）。
- 内聚力（Cohesion）：同种液体分子之间相互吸引的力，是形成表面张力的基础。
- 最小表面积（Minimum Surface Area）：在体积相同的情况下，球形的表面积最小，所以小水滴或失重状态下的水会变成圆形。
草叶尖上的晨露、贴在玻璃窗上的雨滴看起来圆圆的，也是同样的道理。不过，水滴越大，重量的影响就越大，因此放在平面上的大水滴底部会摊开变扁。
水的表面张力为何格外大
不同液体的表面张力大小各不相同。差别取决于分子之间作用力的强弱。
（1）氢键的力量
水分子与相邻分子通过氢键紧密相连。因此，20°C时水的表面张力约为72.7 mN/m，在常见液体中属于非常大的。
（2）与其他液体的比较
乙醇的表面张力只有水的三分之一左右。相反，由金属键结合在一起的水银（汞），表面张力约为水的六倍，因此滴在玻璃上时不会摊开，而是像圆珠一样滚来滚去。
（3）随温度的变化
温度升高时，分子运动变得活跃，彼此吸引的力就会减弱。水的表面张力在0°C时约为75.6 mN/m，接近100°C时则降到约59 mN/m。
由此可见，表面张力并不是固定不变的数值，而是会随着液体的种类、温度以及其中混有什么物质而变化。在纯水中哪怕只溶入少量肥皂，数值也会大幅下降，这一性质与后面要介绍的表面活性剂的原理相关。
日常生活中的表面张力
比起实验室，表面张力更常出现在我们身边。只要稍加留意，就能在厨房、浴室和池塘边等熟悉的地方轻松找到它的踪迹。
- 水黾（Water Strider）：腿上密布着不沾水的细毛，当腿把水面轻轻压出凹陷时，水面想要恢复平坦的力就会托住它的身体。
- 浮在水面上的针（Floating Needle）：即使是比水重的钢针或回形针，只要小心地平放在水面上，也能被表面这层膜托住而浮起来。
- 鼓起的水面（Convex Water Surface）：把杯子装满水时，由于表面撑住的力，即使水面鼓得比杯沿还高，也能在一段时间内不溢出来。
- 毛细现象（Capillary Action）：在细管或纸巾的缝隙中，液体附着在管壁上的附着力与表面张力共同作用，使液体克服重力向上渗升。
相反，像水银这样不容易附着在玻璃上的液体，在细管中液面反而会下降。也就是说，结果取决于液体内部相互吸引的力和附着在管壁上的力哪一个更大。
降低表面张力的表面活性剂
表面张力并不总是有用的。因为水如果聚得太紧，就难以渗入布料的细小缝隙或油污之中。这时使用的就是能降低表面张力的表面活性剂。
表面活性剂的作用
- 洗涤与清洁（Detergency）：肥皂和洗涤剂的分子同时具有亲水的头部和亲油的尾部，能降低水的表面张力，并包裹住油污，把它从表面剥离到水中。
- 胡椒实验（Pepper Experiment）：在水面上撒上胡椒粉，再在中间滴一滴洗涤剂，那里的表面张力会突然减弱，胡椒粉便会一下子被推向外侧。
- 肺表面活性物质（Pulmonary Surfactant）：肺部肺泡的内表面有一种能降低表面张力的物质，在呼气时帮助小肺泡不至于萎陷粘连。
- 工业上的应用（Industrial Applications）：墨水、油漆、农药等需要在表面均匀铺展的产品中，都含有把表面张力调节到合适程度的成分。
特别是在肺表面活性物质尚未充分生成之前出生的早产儿，可能会出现呼吸困难，因此有时会采用补充这种物质的治疗方法。肉眼看不见的表面之力，竟然也与生命息息相关。
表面张力是分子之间相互吸引的微小力量汇聚在液体表面而形成的现象。水滴的圆润形状、水黾的步伐、纸巾吸水的样子，乃至洗涤剂的去污力和我们身体的呼吸，都与这种力息息相关。
从一杯鼓出杯沿的水中，联想到分子之间看不见的拔河比赛，这正是探索日常科学的第一步。
