表面張力

表面張力：液体の表面を覆う見えない力

表面張力は、液体や固体がその表面積を最小限にしようと働く性質のことです。水に浮かぶ虫や、水面に張る膜など、私たちの身の回りで様々な現象に関わっています。この力は、界面張力という、異なる物質の境界面で働く力の特殊なケースです。特に、液体と気体の境界面で働く表面張力は、日常生活に大きな影響を与えています。

表面張力の定義

表面張力は、単位面積あたりの表面自由エネルギーとして定義されます。mJ/m²、dyn/cm、mN/mなどの単位で表され、記号としてはγやσがよく用いられます。

表面張力の定義にはいくつかのアプローチがあります。

1. 力の観点: マクスウェルの枠を用いた実験的定義です。コの字型の枠に張られた液体の膜を、可動棒で引き伸ばす際に感じる抵抗が表面張力です。単位長さあたりのこの力が表面張力として定義されます。これは、ヤングによる初期の研究に根ざした考え方です。
2. 仕事の観点: マクスウェルの枠を用いたもう一つのアプローチ。表面積を単位面積だけ増やすのに必要な仕事が表面張力となります。この考え方はデュプレによるものです。
3. 熱力学的観点: ギブスの[自由エネルギー]を用いて、表面張力(γ)を次のように定義できます。

γ = (∂G/∂A)_T,P,eq

ここで、Aは[表面]]積、Tは温度、Pは圧力、eqは熱平衡状態を表します。同様に、ヘルムホルツの[[自由エネルギー]を用いても定義できます。

γ = (∂F/∂A)_T,V,eq

ここで、Vは体積です。井本はこれらの定義の中で、熱力学的定義（3.）が最も適切であると主張しています。

表面張力の原因と理論

表面張力の根本原因は、分子間力です。液体内部の分子は、周囲の分子から均一に分子間力を受けているため、安定した状態にあります。しかし、表面の分子は、一方の面が気体であるため、内部の分子に比べて分子間力の作用が弱く、エネルギー的に不安定です。この不安定さを解消するために、液体は表面積を最小限にしようとします。表面張力は、この界面の不安定性が高いほど大きくなります。界面活性剤などの添加物は、この表面張力を変化させます。

表面張力を理論的に記述するいくつかの式が提案されています。ヤングはファンデルワールスの状態方程式と関連づけた一方、Sugdenはパラコールという因子を導入した式を提案しています。野瀬は分配関数と表面張力の関係式を導き出し、井本は蒸発熱から表面張力を計算する方法を提示しています。これらの式は、物質の種類や条件によって適用範囲が異なります。

表面張力の性質と影響因子

温度依存性

表面張力は、温度の上昇とともに減少します。これは、温度上昇に伴う分子の運動の活発化により、分子間の斥力が強まるためです。エトヴェシュの法則や片山・グッゲンハイムの式は、温度と表面張力の関係を表す経験式です。また、熱力学的には、表面張力の温度変化は単位面積あたりのエントロピー変化に等しいことが分かっています。

その他の要因

表面張力は、不純物、特に界面活性剤などの存在によって大きく影響を受けます。また、界面に電位差があると表面張力が変化する電気毛管現象も知られています。

表面張力の測定方法

表面張力の測定方法は数多く存在します。液滴や気泡の形状から表面張力を求める方法（液滴法、ペンダントドロップ法、ペンダントバブル法、セシルバブル法）や、最大泡圧法、液滴重量法、デュ・ニュイ円形張力計、ウィルヘルミープレート法などがあります。また、液体の振動数から表面張力を求める振動滴法（レビテーション法）は、溶融金属などの測定に有効です。固体の表面エネルギー測定は液体に比べて困難です。

表面張力に関連する現象

濡れ

濡れとは、固体表面に液体が広がる現象です。濡れやすさは接触角で表され、ヤングの式で表面張力と関係付けられます。

毛管現象

毛管現象とは、細い管の中を液体が上昇または下降する現象です。この現象も表面張力によって説明されます。

参考文献

中島章『固体表面の濡れ製』共立出版
荻野和己『高温界面化学（上）』アグネ技術センター
井本稔『表面張力の理解のために』高分子刊行会
ドゥジェンヌ; ブロシャール‐ヴィアール; ケレ『表面張力の物理学―しずく、あわ、みずたま、さざなみの世界―』吉岡書店
『ぬれと超撥水、超親水技術、そのコントロール』技術情報協会
中江秀雄『濡れ、その基礎とものづくりへの応用』産業図書株式会社

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