表面張力、毛細管現象及び粘度

円貨が水面に丁寧に置かれると、なぜ浮くのか疑問に思ったことはありませんか?

液体のほとんどの特性は、分子間力によって決定されます。物質内の類似した分子間の引力は、凝集力と呼ばれます。

水中では、凝集力が内部分子を全方向に均等に引っ張るため、平均して正味の力はゼロになりますが、表面分子は下向きの引っ張りしか受けないため、分子が密集します。

内部分子は、凝集力が高く、位置エネルギーが低下するため、表面分子よりもエネルギー的に安定しています。

したがって、流体は、表面積を最小化することにより位置エネルギーを減少させようとし、弾性膜のように振る舞う張力下の表面を作成します。

液体の表面積を単位量だけ増やすために必要なエネルギーは、表面張力と呼ばれ、多くの場合、メートル四方あたりのジュールで測定されます。

対照的に、接着力は、水とガラスなどの異なる分子間に存在します。

細い毛細管を水中に入れると、水分子が接着によって管の表面に沿って広がり、液体の表面積が増加し、残りの液体が凝集して引き寄せられます。毛細管内の液体は、重力が接着力と凝集力に打ち勝つまで上昇します。この現象を毛細管現象といいます。

水の場合、水とガラスの間の接着力は凝集力よりも強く、その結果、凹面または内側に湾曲したメニスカスが形成されます。水銀の場合、凝集力が接着力を上回り、凸状の半月板が生じます。

粘度は、液体の流れに対する抵抗を表し、多くの場合、ポイズ、またはグラム/センチメートル秒で測定されます。

メタノールとグリセロールを考えてみましょう。どちらも水素結合を形成しますが、グリセロールは1つではなく3つの-OH基を持ち、分子あたりより多くの水素結合を形成します。これにより、グリセロール分子間の引力が強くなり、グリセロールはメタノールよりも粘性が高くなります。

粘度は分子形状の影響を受けます。モル質量と長さが増加する炭化水素は、より広い領域で相互作用し、より頻繁に絡み合うため、より強い分散力とより高い粘度が得られます。

最後に、粘度は温度に依存します。熱エネルギーが増加すると、分子間力が弱まり、分子がより自由に動き、液体が高温でより速く流れるようになります。