表面張力は、その面積の増加に対抗する全ての流体を有する物理的特性であり、その表面に抵抗することを特徴とします。これは、その表面が可能な限り最小の領域を探すということと同じです。この現象は、凝集力、接着力、分子間力など、いくつかの化学的概念を絡み合わせています。
表面張力は、管状容器（メスシリンダー、カラム、試験管など）内の液体の表面曲率の形成に関与しています。これらは、凹型（谷の形に湾曲）または凸型（ドーム型に湾曲）にすることができます。多くの物理現象は、液体の表面張力が受ける変化を考慮することで説明できます。
水滴が葉に乗る球形は、表面張力によるものです。出典：flickrユーザーtanakawhoが撮影した写真
これらの現象の1つは、液体分子がそれらを反発する表面に置かれたときに、液滴の形で凝集する傾向です。たとえば、葉の上にある水滴は、そのワックス状の疎水性表面のため、水を濡らすことができません。
しかし、重力がその役割を果たし、水滴が水の柱のようにこぼれる時が来ます。同様の現象は、温度計からこぼれた球形の水銀滴でも発生します。
一方、水の表面張力は、細胞やその脂質膜などの水性媒体中の微小体の状態に寄与し、組織化するため、すべての中で最も重要です。さらに、この張力は、水がゆっくりと蒸発し、一部の物体は水が表面に浮くよりも密度が高いという事実の原因です。
表面張力の原因
表面張力の現象の説明は分子レベルです。液体の分子は相互に相互作用し、不規則な動きで凝集します。分子は、その隣の隣接分子およびその上または下の分子と相互作用します。
ただし、これは、空気（またはその他の気体）または固体と接触している液体の表面の分子と同じではありません。表面の分子は外部環境の分子と凝集することができません。
その結果、上向きに引っ張るような力は発生しません。隣接する液体媒体からのみ下向きに。この不均衡を打ち消すために、表面上の分子は「押しつぶされ」ます。
その後、分子がより緊張した配置になっている表面が作成されます。粒子が液体に浸透したい場合、最初に、その液体の表面張力に比例してこの分子バリアを通過する必要があります。同じことが液体の深さから外部環境に逃げ出したい粒子にも当てはまります。
そのため、その表面は、変形に対する耐性を示す弾性フィルムのように振る舞います。
単位
表面張力は通常、記号γで表され、力に長さを掛けたN / mの単位で表されます。ただし、ほとんどの場合、その単位はdyn / cmです。1つは、次の変換係数によって他に変換できます。
1 dyn / cm = 0.001 N / m
水の表面張力
水はすべての液体の中で最も希少で最も驚くべきものです。その表面張力といくつかの特性は非常に高く、室温で72 dyn / cmです。この値は、0℃の温度で75.64 dyn / cmに増加する可能性があります。または100ºCの温度で58.85 toCに下げます。
これらの観察は、凍結に近い温度で分子バリアがさらに引き締まる、または沸点付近でもう少し「緩む」ことを考えると意味があります。
水は水素結合により表面張力が高くなっています。これら自体が液体内で目立つ場合、それらは表面上でさらに顕著になります。水分子は強く絡み合い、H 2 O-HOHタイプの双極子間相互作用を形成します。
水分子は互いに引き寄せられます。水素結合でつながっている
これは、水性分子バリアが沈む前に一部の物体をサポートできるという相互作用の効率です。アプリケーションと実験のセクションでは、この時点に戻ります。
その他の例
すべての液体は、水よりも小さいか大きいか、または純粋な物質であるか溶液であるかにかかわらず、表面張力を示します。その表面の分子バリアがどれほど強くて緊張するかは、それらの分子間相互作用、ならびに構造的およびエネルギー的要因に直接依存します。
凝縮ガス
たとえば、液体状態の気体分子は、ロンドンの分散力を介してのみ相互に作用します。これは、表面張力が低い値であるという事実と一致しています。
-液体ヘリウム、-273 ynCで0.37 dyn / cm
-液体窒素、-196°Cで8.85 dyn / cm
-液体酸素、-182ºCで13.2ダイン/ cm
液体酸素の分子の質量が大きいため、液体酸素の表面張力はヘリウムよりも高くなります。
無極性液体
非極性液体および有機液体は、これらの凝縮ガスよりも高い表面張力を持つことが期待されています。それらの中には、以下のものがあります。
-ジエチエーテル、20ºCで17 dyn / cm
-n-ヘキサン、20.Cで18.40ダイン/ cm
-n-オクタン、20。°Cで21.80ダイン/ cm
-トルエン、25.Cで27.73 dyn / cm
これらの液体でも同様の傾向が見られます。分子量が増加すると表面張力が増加します。ただし、n-オクタンの表面張力は最高で、トルエンではありません。ここでは、分子構造と形状が関係します。
平らで環状のトルエン分子は、n-オクタンよりも効果的な相互作用を持っています。したがって、トルエンの表面は、n-オクタンの表面よりも「タイト」です。
極性液体
極性液体の分子間にはより強い双極子間相互作用があるため、それらの傾向はより高い表面張力を示す傾向があります。しかし、これは常に当てはまるわけではありません。いくつかの例の中で：
-酢酸、20ºCで27.60 dyn / cm
-アセトン、20.Cで23.70 dyn / cm
-血液、22.Cで55.89ダイン/ cm
-エタノール、20.Cで22.27 dyn / cm
-グリセロール、20ºCで63 dyn / cm
-溶融塩化ナトリウム、650℃で163 dyn / cm
-6 M NaCl溶液、20ºCで82.55 dyn / cm
溶融塩化ナトリウムは、非常に大きな表面張力を持つことが期待されています-粘性のあるイオン液体です。
一方、水銀は表面張力が最も高い液体の1つで、487 dyn / cmです。その中で、その表面は、水分子ができるよりもはるかに強い凝集性の水銀原子で構成されています。
用途
昆虫の中には、水の表面張力を利用して歩くことができるものがあります。出典：Pixabay。
表面張力だけでは用途はありません。しかし、これは日常のさまざまな現象に関与していないことを意味するものではありません。
たとえば、蚊や他の昆虫は水の中を歩くことができます。これは、疎水性の足が水をはじく一方で、質量が小さいため、川、湖、池などの底に落ちることなく、分子バリアに浮いたままでいることができるためです。
表面張力は、液体の濡れ性にも影響します。表面張力が高いほど、材料の細孔や亀裂から漏れる傾向が少なくなります。これに加えて、それらは表面を洗浄するための非常に有用な液体ではありません。
洗剤
洗剤が作用し、水の表面張力を低下させ、より大きな表面を覆うのに役立ちます。その脱脂作用を改善しながら。表面張力を下げることにより、気泡を形成する空気分子のための場所を作ります。
エマルション
一方、アッパーテンションが低いことは、エマルションの安定化につながります。これは、さまざまな製品の配合において非常に重要です。
簡単な実験
水の表面張力によりメタルクリップが浮きます。出典：Alvesgaspar
最後に、国内のあらゆる場所で実施できるいくつかの実験が挙げられます。
クリップ実験
金属クリップが冷たい水でガラスの表面に配置されます。上の画像にあるように、水の表面張力により、クリップは浮いたままになります。しかし、ガラスに小さな溶岩陶磁器を追加すると、表面張力が劇的に低下し、ペーパークリップが突然沈みます。
紙の船
表面にペーパーボートまたは木製パレットがあり、綿棒の頭に食器洗い機または洗剤が追加されている場合、興味深い現象が発生します。ガラスの端に向かって伝播する反発力があります。ペーパーボートと木製パレットは、洗剤が塗られた綿棒から離れます。
もう1つの類似した、よりグラフィックな実験は、同じ操作を繰り返しますが、黒コショウをまぶした水の入ったバケツの中で行います。黒コショウの粒子が流れ落ち、表面がコショウで覆われた状態から透明な状態に変化し、端にコショウが表示されます。
参考文献
- ウィッテン、デイビス、ペック、スタンレー。（2008）。化学 （第8版）。CENGAGEラーニング。
- ウィキペディア。（2020）。表面張力。から回復：en.wikipedia.org
- USGS。（sf）。表面張力と水。回収元：usgs.gov
- ジョーンズ、アンドリュージマーマン。（2020年2月12日）。表面張力-定義と実験。から回復：thoughtco.com
- スザンナ・ローレン。（2017年11月15日）。なぜ表面張力が重要なのですか？Biolin Scientific。回収元：blog.biolinscientific.com
- 新人子育て科学。（2019年11月7日）。表面張力とは何か-クールな科学実験。から回復：rookieparenting.com
- ジェシカ・ムンク。（2020）。表面張力実験。調査。回収元：study.com
- 子供はこれを見るべきです。（2020）。7つの表面張力実験-物理学の女の子。から回復：thekidshouldseethis.com