为什么胶带能粘住纸片却粘不住空气?

摘要

为什么胶带能粘住纸片却粘不住空气?这个问题看似荒唐,其实非常有趣,因为它涉及到了一个很重要也是很基本的问题,那就是什么是胶,胶是如何粘住物体的?

一位朋友有一次在聊天时提到,他年幼的儿子问了他一个荒唐的问题,他不知道如何回答:为什么胶带能粘住纸片却粘不住空气?我说,这个问题看似荒唐,其实非常有趣,因为它涉及到了一个很重要也是很基本的问题,那就是什么是胶,胶是如何粘住物体的?

(图片来源:https://en.wikipedia.org/wiki/Adhesive_tape)

(图片来源:https://en.wikipedia.org/wiki/Adhesive_tape)

我们知道,所有的化合物都是由不同元素的原子所组成,但仅有原子还不够,大部分情况下,它们还必须互相拉起手来,也就是通过化学键形成分子。例如,当一个氧原子分别拉住两个氢原子的手时,我们就得到了水分子。化学键是一种非常强烈的吸引力,要想把水分子重新变成氢原子和氧原子,我们必须付出相当大的能量才行

纸张的成分非常复杂,但它的主要组成部分——纤维素,也是由为数众多的碳、氢和氧原子通过化学键互相连接起来形成的纤维素分子所组成。但如果只有化学键存在的话,我们不仅不可能看到纸张,而且许多固体都无法在这个世界上存在,这是因为分子之间缺乏有效的约束,彼此可以相隔得无限远。因此,即便真能把众多纤维素分子聚集在一起形成纸张,只要稍稍用力,纸张就会立刻分崩离析。

显然,这种情况并没有在现实中发生过。这说明分子之间同样存在某种相互吸引的作用,这种作用称为分子间作用力,也叫范德华力。分子间作用力的强度要比化学键弱得多,但是在一定的条件下仍然能够将分子们互相维系在一起。在纸张中,纤维素分子之间也是通过分子间作用力连接起来的。除了分子间作用力,某些分子由于特殊的化学结构还会存在其他形式的相互吸引,例如纤维素的分子之间就还存在一种叫做氢键的吸引力,它的强度比分子间作用力要强很多,不过仍然不是化学键。分子间作用力不仅存在于同种分子之间,不同种类的分子同样可以互相吸引。这一点非常重要,我们很快就会看到它是如何发挥作用的。

不过随之而来就出现了一个问题:我们把两张纸放在一起,即便用力按压,一旦松开手,两张纸还是会分开。既然存在于两张纸中的都是纤维素分子,那么分子间作用力到哪里去了,为什么它不能把两张纸连在一起呢?

刚才我们提到,任意两个分子之间都可以通过分子间作用力相互吸引,但有一个很关键的前提我们没有讲,那就是只有当两个分子相隔非常近的时候才会互相吸引;只要它们稍稍远离一些,原本还算比较强烈的吸引力很快就无影无踪了,这就是为什么两张纸无法被连在一起的原因。如果我们用显微镜仔细观察就会发现,看似平滑的纸张表面实际上坑坑洼洼,密布着许多微观结构。因此当我们把两张纸放在一起时,就算用力按压,表面上的纤维素等分子总是有很多仍然隔得很远,根本无法产生强烈的吸引力。当然,大部分情况下这不仅不是坏事,而且大大有利于我们的生活。例如,当我们从书架上取下一本书时,不必担心它会和相邻的书粘在一起;把书放在桌子上,也不必担心过一会儿就和桌子连成一体取不下来。不过在另外一些场合,我们确实需要把不同的物体连接起来,而这个时候胶就成了很好的帮手。

胶是什么呢?

不同类型的胶虽然区别很大,但一般来说,它们都有一个共同的特点,那就是本身是易于流动的液体,却又能在合适的条件下变成固体。以著名的万能胶为例:商店里买来的万能胶是像水一样的液体,它的主要成分是一种名为氰基丙烯酸乙酯的物质。这种化合物有一个特点,那就是遇到哪怕一丁点水分,都会迅速发生化学反应变成聚氰基丙烯酸乙酯。而后者不再是液体,而是一种坚硬的塑料。

用万能胶粘合物体时涉及到的化学变化

用万能胶粘合物体时涉及到的化学变化

如果用万能胶把两张纸粘在一起,我们需要先将胶涂在一张纸的表面,再迅速把另一张纸覆盖上去。在这个过程中,氰基丙烯酸乙酯的液体首先会在第一张纸的表面铺展开来,并填平表面上凹凸不平的结构,形成薄薄的一层液体膜。这样,氰基丙烯酸乙酯的分子就与纸张表面的纤维素分子直接接触了。刚才我们提到,分子间作用力不仅存在于同种分子之间,也存在于不同的分子之间。这样一来,纤维素分子和氰基丙烯酸乙酯分子之间就会互相吸引。当我们把另一张纸覆盖到胶的表面时,氰基丙烯酸乙酯的分子又会和第二张纸表面的纤维素分子相接触并互相吸引。也就是说,本来两张纸表面上的纤维素分子彼此之间隔得很远,无法形成有效的吸引力,但是通过氰基丙烯酸乙酯分子架起的桥梁,两张纸被粘在一起了。

接下来,在空气中和纸张表面的微量水汽作用下,氰基丙烯酸乙酯分子固化,使得分子之间的相互吸引更加强劲,这时我们必须要费很大的劲才能把两张纸分开了。当然,还有一些胶的分子能够与被粘合的物体表面的分子形成化学键,这样的胶自然可以把物体粘合得更牢固。我们常用的胶带,也是通过类似的机理粘住物体,只不过它相当于事先把胶水涂在了一个物体上,然后再用这个物体去粘住另一个物体。

那么为什么胶带粘不住空气呢?在前面我们已经了解到,分子间作用力能够把分子们维系在一起,但实际上分子也在同时做着无规则的热运动。当温度比较低时,热运动并不是很强烈,因此在强烈的吸引力作用下,分子们只能老老实实地呆在自己的位置上,使整个物体得以保持一个固定的形状,这也就是我们通常所说的固体。随着温度的升高,热运动开始变得比较强烈,分子们不再被束缚在固定的位置上,不过由于分子间作用力仍然有着一定的强度,分子们又不能离开原有的位置太远。宏观上看,原来的固体已经变成了液体,可以流动,无法再保持自身的形状,但是仍然可以保持一定的体积而不能被随意压缩。如果温度继续升高,热运动变得更加强烈,那么分子们就基本上摆脱了分子间作用力的束缚,彼此之间的距离可远可近。从宏观上看,这就是气体:不仅可以流动、无法保持固定的形状,而且体积可以随意变化。

左:两个固体相接触时,表面上的分子往往仍然相距较远,分子间作用力很弱;中:胶能够分别与两个固体表面上的分子发生作用,因此将两个固体牢固连在一起;右:气体分子之间距离较大,无法通过分子间作用力相互吸引,因此胶带无法“粘住”空气

左:两个固体相接触时,表面上的分子往往仍然相距较远,分子间作用力很弱;中:胶能够分别与两个固体表面上的分子发生作用,因此将两个固体牢固连在一起;右:气体分子之间距离较大,无法通过分子间作用力相互吸引,因此胶带无法“粘住”空气

了解了不同物质状态的区别,现在我们应该明白为什么胶带粘不住空气了:当我们用胶带去“粘”空气时,实际上确实会有一些空气分子跑到胶带表面与胶带上的分子发生接触,但是这些空气分子并不能吸引更多的空气分子。也就是说,并不是胶带“粘不住”空气,而是因为处在气体状态下的分子本身缺乏相互之间的吸引力。换句话说,既然我们无法用手拿起一块空气,自然也不可能用胶带去粘住空气。

相信通过这个问题,各位读者已经对胶的作用机理有了初步的认识,那么接下来我们不妨再思考一个问题:同样是粘固体,为什么胶有的时候粘不牢?

您还未添加分享代码,请到主题选项中,添加百度分享代码!

您可以选择一种方式赞助本站

目前评论:1   其中:访客  1   博主  0

  1. avatar Bowen 0

    非常棒的科普文章!

评论加载中...

发表评论

:?: :razz: :sad: :evil: :!: :smile: :oops: :grin: :eek: :shock: :???: :cool: :lol: :mad: :twisted: :roll: :wink: :idea: :arrow: :neutral: :cry: :mrgreen:

图片 表情