11.5: 表面張力、毛細管現象及び粘度
表面張力
物質の同一分子間のさまざまなIMFが凝集力の例です。液体内の分子は他の分子に囲まれているので、液体内の凝集力によってあらゆる方向に均等に引き寄せられます。しかし、液体の表面にある分子は、約2分の1の数の分子にしか引き寄せられません。このように表面の分子の引き合う力が偏っているため、液体は収縮して表面の分子の数が最小になるような形、つまり表面積が最小になるような形を形成するのです。小さな液滴は球形になる傾向があります。これは、球体では体積に対する表面積の割合が最小になるためです。大きな液滴になると、重力や空気抵抗、表面の相互作用などの影響を大きく受け、結果として球形ではなくなります。
表面張力とは、液体の表面積を増加させるのに必要なエネルギー、または液体の表面の長さを一定量増加させるのに必要な力と定義されています。この性質は、液体表面の分子間の凝集力に起因するもので、液体表面がゴム膜のように引き伸ばされた状態になることを意味します。一般的な液体の中でも、水は分子間の水素結合が強いため、表面張力が非常に高いです。この表面張力のおかげで、水の表面は、かなりの力を加えても破れない、比較的丈夫な皮膚のようになっています。水の上に注意深く置いた鉄の針は浮きます。昆虫は、水よりも密度が高いにもかかわらず、表面張力に支えられて水の上を移動することがあります。
接着力と凝集力
異なる2つの分子間の引力のIMFを接着力と呼びます。水がある表面に接触したときのことを考えてみましょう。水の分子と表面の分子の間の接着力が、水の分子の間の凝集力に比べて弱い場合、水は表面を濡らしません。例えば、ワックスを塗った表面や、ポリエチレンなどの多くのプラスチックは、水では濡れません。これらの表面に水滴ができるのは、水滴の中の凝集力が水とプラスチックの間の接着力よりも大きいからです。ガラスの上に水が広がるのは、水とガラスの間の接着力が、水の中の凝集力よりも大きいからです。水をガラス管に閉じ込めると、水がガラスを濡らして管の側面を這い上がるため、メニスカス（表面）が凹んだ形になります。一方、水銀とガラスの間の接着力よりも、水銀原子間の凝集力の方がはるかに大きいです。そのため，水銀はガラスを濡らすことはなく，管の中に閉じ込められた状態では，水銀内の凝集力によって水滴に引き込まれる傾向があるため，凸型のメニスカスを形成します。
毛細管現象
ワインをこぼしたところにペーパータオルの片方を置くと、液体はペーパータオルを吸い上げます。同様のことが、シャワーを浴びた後の布タオルにも起こります。これらは毛細管現象の例で、液体が多孔質体の中を流れるとき、液体の分子が多孔質体の表面や他の液体の分子に引き付けられることによって起こります。液体と多孔質材の間の接着力と、液体内の凝集力が合わさって、液体を重力に逆らって上に移動させるのに十分な強さになることがあります。
タオルが水のような液体を吸い込むのは、タオルの繊維が水の分子に引き寄せられる分子でできているからです。布製のタオルはほとんどが綿でできており、ペーパータオルは一般的に紙パルプでできています。どちらもセルロースの長い分子で構成されており、その中には多くの −OH基が含まれています。水分子はこれらの −OH基に引き寄せられて水素結合を形成し、H2O分子をセルロース分子の上に引き寄せます。水分子同士も引き寄せられるので、大量の水がセルロース繊維の上に吸い上げられます。
毛細管現象は、小径のチューブの一端を液体に浸した場合にも起こります。液体の分子がチューブの分子に強く引きつけられると、液体の重さと接着力が均衡するまで、液体はチューブの内側を這い上がっていきます。チューブの直径が小さければ小さいほど、液体は高く登っていきます。
粘度
コップに水を注いだり、車にガソリンを入れたりすると、水もガソリンも自由に流れていきます。しかし、パンケーキにシロップをかけたり、車のエンジンにオイルを入れたりすると、シロップやモーターオイルはなかなか流れていきません。水やガソリンなど、自由に流れる液体の粘度は低いです。水やガソリンなど流動性のある液体は粘度が低く、ハチミツや水飴、モーターオイルなど流動性のない液体は粘度が高いです。粘度は、金属球が液体の中を落ちる速度を測ったり（粘度の高い液体ほどゆっくり落ちる）、細い管の中を液体が流れる速度を測ったり（粘度の高い液体ほどゆっくり流れる）して測定することができます。
液体の流れやすさを決めるのは、液体の分子間のIMF、分子の大きさや形、そして温度です。構造的に複雑な分子ほど、分子間のIMFが強くなり、分子同士がすれ違うことが難しくなります。このような分子を持つ液体は粘性が高いです。温度が高くなると、分子の動きが活発になり、分子の運動エネルギーが分子同士を結びつける力に打ち勝つことができるため、液体の粘度は低下します。
本書は、 Openstax, Chemistry 2e, Section 10.2: Properties of Liquids から引用したものです。
