水素結合は、高電気陰性の原子（酸素や窒素など）とこれらの電気陰性原子に結合した水素原子の間で発生する双極子双極子相互作用です。水中では、分子の酸素原子は電気陰性度が高いために部分的に陰性ですが、水素原子は部分的に陽性です。この極性により、水分子は隣接する分子と強い水素結合を形成し、凝集性ネットワークを作成できます。
表面の水分子は、分子間力の不均衡を経験します。片側では、それらは液体内の他の水分子に結合されますが、もう一方の側は空気または別の不混和性のある液体にさらされます。表面の水分子間の強い水素結合により、それらを密着させ、表面積を最小限に抑え、水と周囲の環境との相互作用を減らします。この凝集挙動により、水の表面張力が高くなります。
対照的に、メタンは非極性分子です。つまり、その電子は均等に分布しており、分子内に有意な電気陰性の違いはありません。その結果、メタン分子は互いに強い水素結合を形成する能力がありません。メタンの分子間力は、主にロンドン分散力であり、電子密度の一時的な変動から生じる弱い引力です。
由于甲烷分子之间的范德华力较弱、甲烷的表面张力小于水。
したがって、メタンに強い分子間力がないことは、その表面での凝集挙動が弱くなります。メタン分子は、より弱いファンデルワールスの力を経験します。これは、水の場合と同じようにきつく表面を一緒に保持するには不十分です。これにより、水と比較してメタンの表面張力が低下します。
要約すると、水の高い表面張力は、その分子間の強い水素結合の結果であり、凝集ネットワークを作成し、周囲の環境との水との相互作用を最小限に抑えます。一方、メタンはこれらの強い分子間力を欠いており、ファンデルワールスの力が弱いため、表面張力が低下します。
