Когезионные и адгезионные свойства воды

Доводилось ли вам когда-нибудь наполнять стакан до краёв водой, а потом аккуратно доливать в него ещё несколько капель? Прежде чем вода перельется через края она образует над кромкой стакана небольшой купол. Такой купол появляется вследствие когезии — способности молекул держаться друг за друга. Когезия — это свойство взаимного притяжения одинаковых молекул. В случае воды это свойство проявляется благодаря способности её молекул образовывать друг с другом водородные связи.

Когезионные силы отвечают за поверхностное натяжение — явление, при котором поверхность жидкости сопротивляется разрыву при воздействии на неё силы и давления. Молекулы воды на поверхности (то есть на границе вода-воздух) образуют водородные связи с соседними молекулами, точно так же, как и в толще воды. Однако поскольку они подвергаются воздействию воздуха с одной стороны, то количество соседних молекул у поверхности меньше, чем в толще, и, как следствие, сами связи становятся крепче. Поверхностное натяжение позволяет воде собираться в капли и держать на поверхности небольшие предметы, такие как клочок бумаги или даже иголку, если их аккуратно положить на водную поверхность.

Молекулы воды имеют свойство притягиваться к себе подобным, но на самом деле они предпочитают притягиваться к другим типам молекул. Адгезия — это притяжение молекул одного вида к молекулам другого вида. Это притяжение может достаточно сильно проявляться у воды, особенно с другими молекулами, если у них есть положительные или отрицательные заряды.

Например, благодаря адгезии вода «поднимается» вверх через тонкие стеклянные трубки (так называемые капиллярные трубки), помещенные одним концом в ёмкость с водой. Такое движение вверх против направления силы гравитации называется капиллярным эффектом и зависит от взаимодействия между молекулами воды и стеклянными стенками трубки (адгезия), а также от взаимодействия молекул воды друг с другом (когезии).

Молекулы воды сильнее притягиваются к стеклянным стенкам трубки, чем к другим молекулам воды (поскольку молекулы стекла — более полярные, чем молекулы воды). Этот эффект проиллюстрирован на рисунке ниже: уровень воды выше всего у стенок трубки, а ниже всего — в центре. Искривление поверхности воды, налитой в трубку или цилиндра, называется мениск.

Какую роль в нашей жизни играют когезионные и адгезионные силы? Они проявляются во многих биологических процессах, связанных с водой, включая движение воды к верхушкам деревьев или выделение слёз из слёзных протоков$^1$start superscript, 1, end superscript. Простой и наглядный пример когезии в природе — это паук-водомерка (см. ниже). Это насекомое, которое благодаря поверхностному натяжению свободно перемещается по поверхности воды.