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表面 ( 界面 ) 張力について

コップ一杯に水を注ぐと、僅かに凸になった水面が生じます。これは表面張力によりものです。それでは、表面 ( 界面 ) 張力に関して理解を深めることにしましょう。

表面( 界面 )張力について

気相と液相、液相と液相、液相と固相、固相と固相という2つの相の境目で生じる張力を表面( 界面 )張力と呼びます。

水滴は丸くなりますが、表面には水分子がないため分子間力が内向きになるからです。

これが表面( 界面 )張力の実態です。

その結果、表面ができるだけ小さくなります。

このように、分子間力が強いほど、表面張力が強くなります。


表面( 界面 )張力の単位は J / m2 もしくは N / m となります。

表面( 界面 )張力は、単位表面積あたりのヘルムホルツの自由エネルギーを意味しています。

以下に、表面( 界面 )張力の強い物質を挙げます。

 

分子式が H2Oというように電気陰性度の違う酸素原子と水素原子からなり、酸素原子が負の電荷に水素原子が正の電荷を帯びています。

そのため水分子間で静電相互作用が働き、水素結合によって水分子同士が結びついています。

その結果、強い表面( 界面 )張力が生じます。


水銀

常温で液体である金属である水銀は、内側が金属結合で強固に結ばれていますが、空気と接している面は水銀に基づく結合要素がありません。

そのため、水銀は金属結合に起因する強い表面( 界面 )張力が生じるのです。

ヘルムホルツの自由エネルギー

熱力学の要素の1つで、ヘルムホルツの自由エネルギーFは、F = U - TSと表されます。

ここで、Uは内部エネルギー、Tは温度、Sはエントロピーです。

この式により、熱力学的な解析が可能となります。

まとめ

表面( 界面 )張力は、身近な水滴やコップ一杯の水において確認される物理現象です。

その原理をもう一度、確認しておきましょう。

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