Siły spójności i przylegania wody

Czy kiedykolwiek napełniłeś szklankę wodą po same brzegi, a następnie powoli dodałeś jeszcze kilka kropli? Zanim się wyleje, woda tworzy zaokrąglony kształt nad krawędzią szklanki. Ten podobny do kopuły kształt powstaje z powodu występowania sił spójności pomiędzy cząsteczkami wody lub, inaczej mówiąc, ich tendencji do przylegania do siebie. Kohezja to zdolność przyciągania cząsteczek do innych cząsteczek tego samego rodzaju, a cząsteczki wody charakteryzują się silną kohezją dzięki ich zdolności do tworzenia ze sobą wiązań wodorowych.

Siły kohezji są odpowiedzialne za napięcie powierzchniowe, zjawisko, które opisuje tendencję powierzchni cieczy do przeciwdziałania jej przerwania pod wpływem naprężenia. Cząsteczki wody na powierzchni (na granicy faz woda-powietrze) będą tworzyć wiązania wodorowe z sąsiednimi cząsteczkami, podobnie jak cząsteczki wody położone głębiej w cieczy. Ponieważ jednak cząsteczki na powierzchni z jednej strony sąsiadują z powietrzem, mają mniej sąsiadujących cząsteczek wody do związania się z nimi i będą tworzyć silniejsze wiązania z sąsiadami, których mają. Napięcie powierzchniowe powoduje, że woda tworzy kuliste kropelki i pozwala jej unosić małe przedmioty, takie jak skrawek papieru lub igła, jeśli zostaną one ostrożnie umieszczone na jej powierzchni.

Cząsteczki wody lubią przylegać do siebie, ale w pewnych okolicznościach wolą przylegać do innych rodzajów cząsteczek. Adhezja jest przyciąganiem cząsteczek jednego rodzaju do cząsteczek innego rodzaju i może być dość silna dla wody, szczególnie w przypadku innych cząsteczek posiadających ładunki dodatnie lub ujemne.

Na przykład adhezja umożliwia wodzie „wspinanie się” w górę w cienkich szklanych rurkach (zwanych rurkami kapilarnymi) umieszczonych w zlewce z wodą. Ten ruch w górę, w kierunku przeciwnym do grawitacji, znany jest jako podciąganie kapilarne i zależy od przyciągania pomiędzy cząsteczkami wody i szklanymi ścianami rurki (adhezji), a także od interakcji pomiędzy cząsteczkami wody (kohezji).

Cząsteczki wody są silniej przyciągane do szkła niż do innych cząsteczek wody (ponieważ cząsteczki szkła są bardziej polarne niż cząsteczki wody). Możesz się temu przyjrzeć na obrazku poniżej: woda rozciąga się najwyżej tam, gdzie styka się z krawędziami rurki, a najniżej na środku. Zakrzywiona powierzchnia utworzona przez ciecz w cylindrze lub rurce nosi nazwę menisku.

Dlaczego siły kohezji i adhezji są ważne dla życia? Odgrywają one rolę w wielu procesach biologicznych, w których woda bierze udział, w tym w przemieszczaniu się wody na wierzchołki drzew i odprowadzaniu łez z kanałów łzowych w kącikach oczu${}^1$‍. Prosty przykład kohezji "w akcji" pochodzi od nartnika wodnego (poniżej), owada, który wykorzystuje napięcie powierzchniowe, aby utrzymać się na powierzchni wody.