界面現象(表面張力の測定方法、Gibbsの吸着等温式)

界面現象(表面張力の測定方法、Gibbsの吸着等温式)

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界面とは、2種以上の相(気相、液相、固相)が共存する時に、これらの相が混ざり合わない時にできる相の境界のことを言います。

 

表面とは、一方が気相から形成される界面の場合を言います。

 

以下の図を見ながら確認しましょう。
界面と表面

界面と表面現象の関係

界面と表面現象の関係
上記の図を見ながら確認していきましょう。

 

①液体表面にある分子(A´)を見てください。
上側以外は、同種の分子から分子間力により引っ張られていますが、上側は空気しかありません。そのため、全体を見ると不安定になっています。

 

このエネルギーを減少させるため、より安定になることができる方向に進もうとします。そのため、この場合では、下側(内部側)への力が働くことになります。

 

②次に、液体内部にある分子(A)を見てください。
周り全体が同種の分子で囲まれているため、すべての方向で力が釣り合った状態です。そのため、エネルギー的に安定です。

 

参考)表面張力の考え方
先ほどの図を見ると、A´の状態の時に表面張力が働いています。

 

つまり、液体表面の分子が、不安定な状態を解消して安定な状態になろうとする時に働く力(内部方向への力)で、単位長さあたりに働く力と表現することができます。

 

液体

表面張力(mN・m⁻¹)

水との界面張力(mN・m⁻¹)

72.8

クロロホルム

27.1

32.8

ベンゼン

28.8

35.0

水銀

485.0 , 476

375.0 , 428

表面張力は、極性が大きく、分子間力が強い液体ほど大きいことがわかります。

 

ここで、水銀の表面張力が他と比べて大きいのは、水銀が金属であり、金属結合を形成しているためです。

 

表面張力の測定方法

表面張力の測定方法
①毛管上昇法
水中に毛管ガラスの一端を垂直に立てて入れると、毛管内の水面が上昇します。この毛管内の液体柱の高さが、表面張力に比例することを利用しています。

 

②滴重法
表面張力と重さが比例することを利用しています。

 

③円環法
表面張力と力が比例することを利用しています。
 
④吊り板法
表面張力と支える力は比例することを利用しています。

 

Gibbsの吸着等温式

溶媒分子だけのところに溶質分子を添加すると、溶媒分子の配列が乱れることになります。この添加した溶質分子が溶液のどこに位置するかで、溶液の表面張力が変化します。
Gibbsの吸着等温式

 

溶質の添加による表面張力の変化

まとめ

溶質の種類

表面への吸着

界面張力

Ⅰ型

表面不活性物質

NaClなどの無機塩類

溶液が液体内部へ分散していく

負吸着

Γ < 0

濃度が増加するにつれて、

界面張力は増加する

Ⅱ型

表面活性物質

アルコール、脂肪酸、グリセリン

溶質が液体表面へ吸着する

正吸着

Γ > 0

濃度が増加するにつれて、

界面張力は減少する

Ⅲ型

表面活性物質

界面活性剤

溶質が液体表面へ吸着する

正吸着

Γ > 0

濃度が増加するにつれて、

界面張力は減少する

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