본문/내용
액체의 표면장력
? 이론
◆ 표면장력 의미 : 자유표면에너지(free surface energy)또는 포텐셜 에너지(potential energy)라 하고, 감소된 단위표면적당의 자유표면에너지를 표면장력이라고 정의한다.
? 정지해 있는 액체의 평형상태는 액체 내부의 이웃하는 분자들끼리의 인력에 의해 유지되고 있으나, 자유표면에서의 액체는 이웃분자와의 접촉이 없어 인력을 받지 않으므로 자체의 표면적을 최소한 작게 하려고 하는 것을 표면장력이라 한다.
? 일정한 온도와 압력에서 표면적을 증가시키려면 가역적 일을 해주어야 하며, 그에 따라서 계(system)의 자유에너지가 증가한다. 이같이 더해진 자유에너지를 보통 “표면 자유에너지”, 즉 표면장력이라고 하는 것이다.
◆ 표면장력의 특징
?표면장력의 값은 액체의 종류에 따라 결정되는 상수이나, 온도에 따라서도 변한다.
=>온도가 올라감에 따라 분자의 열운동이 증가함으로 분자간 거리가 증대하고, 이 때문에 분자 간 인력이 작아서 표면장력이 약해지며, 임계온도가 되면 표면장력은 0이 된다.
?어떤 종류의 물질을 액체에 녹이면 표면장력의 값은 감소한다.
=>물에 대한 비누 등은 그 대표적 예이며, 이런 종류의 물질을 표면활성물질이라 한다.
?위의 특징에 따라 표면장력은 단순히 액체의 자유표면뿐만 아니라 섞이지 않는 액체 의 경계면, 고체와 기체, 고체와 고체의 접촉면 등, 대체로 표면의 변화에 대한 에너지 가 존재할 때 생기는 현상이다.
=>이 때문에 표면장력 대신 계면장력라고도 한다.
◇ 표면 장력의 단위
C.G.S 단위 : dyn/cm = erg/㎡ (1dyn = 1g?㎝/s2)
S.I 단위 : N/m = kg/s2 = J/㎡ (1N = 1kg?m/s2)
◆ 표면장력측정의 위한 두 가지 대표적인 실험
? 모세관 상…
(1) stalagmometer(적수계)를 이용한 실험
⑪ 기록한 방울의 개수로 온도에 따른 표면장력을 계산한다.
초기온도로 놓고 실험한다.
? 적수계 설치가 완료되면 증류수를 적수계 일정 눈금만큼 스포이드로 넣는다.
? 적수계에 그어져있는 위 눈금에서 아래 눈금까지 증류수가 내려갈 때의 적하되는 방울 개수를 세어 기록한다.
? 실험이 종료되면 아세톤으로 적수계를 씻어 말린 후 같은 온도에서 2~3번 반복 실험한다.
? 그 다음은 온도를 5℃씩 올려 30℃, 40℃, 50℃ 일 때의 증류수의 떨어지는 방울을 각각 2~3번 정도 측정한다.
?각각의 온도에 따라 증류수의 적하실험이 끝나면 시료를 에탄올로 바꾸어 25℃에서 떨어지는 방울 수를 각각 측정하고 기록한다.
? 에탄올도 증류수와 마찬가지로 25℃에서 시작하여 30∼50℃의 적하되는 양을 기록한다.
? 아세톤으로 적수계와 비커를 씻고 정리한다.
⑪ 기록한 방울의 개수로 온도에 따른 표면장력을 계산한다.
(2) capillary tube(모세관)를 이용한 실험
? 실험에 필요한 시약인 증류수, 에탄올을 비커에 각각 담아 준비해둔다.
? 우선 증류수를 실온(25℃)에서 실험한다.
? 모세관을 비커에 일직선이 되게 놓은 다음 그 때 최대로 올라가는 높이를 기록하고 비커에 담겨져 있는 증류수의 높이를 모세관의 눈금으로 읽어 기록한다.
? 25℃에서 2~3번의 실험을 하고 매번 실험할 때마다 아세톤으로 씻어 말린다.
? 그 다음 증류수의 온도를 5℃씩 올려 30℃, 40℃, 50℃일 때 모세관으로 올라가는 높이가 어떻게 다른지 알아보고 기록한다.
? 25℃의 에탄올을 위와 같은 방법으로 실험하고, 30∼50℃에서도 각각 2~3번 반복실험하고 기록한다.
※ 모세관 실험의 TIP
물의 모세관 상승높이는 관의 재료?관의 직경 등에 의하여 결정된다.
관의 직경이 두배가 되면 끌어올리는 힘도 두배가 된다. 그러나 물의 무게는 직경의 제곱에 비례하므로 결국 모세관상승 높이는 관의 지름에 반비례한다.