化学理科

5分でわかる界面張力!表面張力との違いとは?理系大学院卒ライターがわかりやすく解説

よぉ、桜木建二だ。界面張力を知っているか?表面張力と似ている言葉だな。表面張力は界面張力の1種だ。今回は、界面張力の原理から身近な現象まで見ながら、理系大学院卒ライターこーじと一緒に解説していくぞ。

解説/桜木建二

「ドラゴン桜」主人公の桜木建二。物語内では落ちこぼれ高校・龍山高校を進学校に立て直した手腕を持つ。学生から社会人まで幅広く、学びのナビゲート役を務める。

ライター/こーじ

元理系大学院卒。小さい頃から機械いじりが好きで、機械系を仕事にしたいと大学で工学部を専攻した。卒業後はメーカーで研究開発職に従事。物理が苦手な人に、答案の答えではわからないおもしろさを伝える。

界面張力とは

image by iStockphoto

界面張力は、物質表面の分子が分子間力により表面積を小さくしようとする現象です。一般的に、液相と気相の間で起こる現象を表面張力と呼びます。コップや器に水を満杯になるまで注ぐと、液体表面が少し丸くなっていますね。それが、界面張力です。

界面張力は、界面力学の分野において重要な現象になります。液体が固体表層に濡れ広がる「濡れ性」に対して必要不可欠なパラメータだからです。例えば、フライパンのテフロンコーティングも濡れ性を元にした界面設計の一つになります。このように、界面張力は物質の表層と表層における現象を理解する因子です。

界面張力の原理

界面張力は、分子レベルでの力の釣り合いによる現象です。物質の表面におけるエネルギーが高くなります。これは、表層分子の分子間力の力が釣り合っていないためです。そのため、物質の表層では、分子にかかる合力が物質中心方向に生じてます。この力の釣り合いにより物質中心に近づく力が界面張力の源です。

界面張力と表面張力の違いは

表面張力は、界面張力の一種です。では何が違うのでしょうか?現象としての違いに大きな差はありません。そもそも界面とは液体と固体の境界、表面とは液体と気体の境界面です。異なる相同士が接している面を界面とよびます。そのため、どちらも界面張力です。界面張力の評価パラメータでは、界面張力はどのような指標を用いるのでしょうか。

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界面張力は表面の力の現象の一つだ。分子レベルで見ると分子同士は、分子間力が働いているんだ。その力の釣り合いが界面近傍では崩れている。この力のずれを最小にしようとする力が界面張力だ。

界面張力の評価手法

界面張力の測定方法は多種多様です。測定範囲や時間範囲により測定方法は変わってきます。基本的な測定方法として、普及しているのがプレート法です。液体に白金プレートを浸しその際にプレートを引っ張る力を測定します。また、これとともに広く使用されている手法がリング法です。こちらの手法はプレートではなくリングを液体に浸します。液体から話すときに生じる力を測定し、界面張力を算出するのです。

また、ヤングラプラスの式を用いた測定手法もあります。例えば、ペンダントドロップ法です。界面張力を算出したい液体を検査プローブの先端に作成し、画像解析等により計算します。また、とても低い界面張力を測定する場合は、スピニングドロップ法が有効です。液滴を高速回線させた際の液体の画像を解析することにより、界面張力の算出が可能となります。

このように界面張力の測定は種々あり、目的に応じた使い分けが必要になるのです。

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