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表面張力は、単位面積あたりの液体の表面積を増やすために必要なエネルギーです。これらの力は、液体の性質 (水とガソリンなど) または液体に含まれる溶質 (洗剤などの界面活性剤など) によって異なるため、各溶液の表面張力値は異なります。
例を見てみましょう: コップ一杯の水がほぼ縁まで満たされるたびに、グラス内の水のレベルが実際にはグラスの高さよりも高いことが観察できます。また、こぼれた水が水たまりとなって水面に盛り上がっていることもわかります。説明されている 2 つの現象は、表面張力によるものです。
より直観的に言えば、表面張力とは、液体が占める表面積をできるだけ小さくしようとする傾向です。この傾向は、毛細管作用または毛細管運動の重要な要因です。毛管作用は、分子間の凝集力、つまり、分子が一緒に留まり、互いに付着する傾向の結果です。
凝集力と接着力
凝集力と接着力は、表面張力に大きく関係しています。これらの力は、物質に質量がある場合、つまり巨視的な特性であるため、個々の原子や分子を考慮した場合には作用しません。
- 結束力。それらは分子を一緒に保持する力です。凝集力が強い場合、液体は表面に液滴を形成する傾向があります。
- 接着力。それらは、液体の分子と表面の間に加えられる力です。接着力が強い場合、液体は表面全体に広がる傾向があります。
したがって、凝集力が接着力よりも強い場合、液体はその形状を維持しますが、逆の場合、液体は広がり、その表面積が増加します。液体に加えて表面積を増やす物質は、湿潤剤と呼ばれます。
湿潤剤は、液体の表面張力を低下させ、表面上で液滴の形で拡散させ、液体の分散能力を高める物質です。
分子の視点
水サンプルには、サンプルの外側にある分子 (外側分子) と内側にある分子 (内側分子) の 2 種類の分子があります。内側の分子は周囲のすべての分子に引き付けられますが、外側の分子は表面とその下にある他の分子のみに引き付けられます。これにより、内部分子のエネルギー状態が外部分子のエネルギー状態よりも弱くなります。したがって、分子は最小の表面積を維持し、より多くの分子がより低いエネルギー状態を持つことができます。この現象は表面張力の結果であり、その存在を確認する最良の方法の 1 つです。
水の極性により、水分子は互いに引き付け合います。水素の末端はプラスで、酸素の末端はマイナスで、マイナスの酸素とプラスの水素が結合しています。これらの分子間結合を切断するには、正確には表面張力である一定量のエネルギーが必要です。同じことが、油などの疎水性の液体であっても、他の液体にも当てはまります。液体の分子間に作用するファン デル ワールス力など、液体内で作用する他の力があります。
水の例を続けると、その表面張力は非常に高いです。実際、水の表面張力により、水自体よりもさらに密度の高い物質が浮くことがあります。表面張力のおかげで、特定の生物は文字通り水の上を歩くことができます。例としては水蚊や靴屋があり、水分子の分子間力と蚊の重量が足の間に分散されるため、表面を横切って走ることができます. 表面張力は、自然界で常に見られる液滴の形成も可能にします。
表面張力の他の例
アルコール飲料は、エタノールと水の異なる表面張力値の相互作用と、水と比較してアルコールの蒸発が速いため、グラスに小さな溝を形成します。
油と水が分離するのは、これらの液体の表面張力が異なるためです。この場合、用語は「界面張力」ですが、単に 2 つの液体間の表面張力の一種です。
