표면장력

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잎에 맺힌 물방울
소금쟁이가 물에 떠 있다.
수도꼭지에서 물이 떨어지는 모습
모세관 현상

표면장력(表面張力, 문화어: 겉면켕김힘)은 액체의 표면이 스스로 수축하여 되도록 작은 면적을 취하려는 힘의 성질을 말하며 계면장력의 일종이다. 소금쟁이과와 같은 곤충 위에 걸을 수 있게 도와 주는 것도 이 속성에서 비롯한다. 또 다른 예로 바늘 등의 금속 물질, 면도 칼날, 포일 조각과 같은 조그마한 물체들이 물 표면 위에 뜨는 것을 들 수 있다. 이는 모세관 현상과 밀접한 관계가 있다.

분자 사이에 작용하는 힘에 따라 분자가 서로 접촉하여 응축하려고 하며, 이 결과 표면적이 적은 원모양이 되려고 한다. 물방울이나 비누 방울이 둥글게 되는 것도 이 원리에 따른 것이라고 할 수 있다.

표면장력은 온도가 오르면 낮아진다. 온도가 오르면 분자 운동이 활발하게 되는 것도 이와 관련이 있다. 또, 불순물에 의해서도 영향을 받는다.

표면장력은 측정기를 통해 측정할 수 있다. 또, 액체의 물리적, 화학적 작용은 표면 장력을 고려하지 않으면 이해가 불가능하다.

수은 > 물 > 비눗물 > 에탄올 순으로 표면 장력이 크다. 비누나 합성 세제와 같은 계면활성제는 물에 녹아서 물의 표면 장력을 감소시킨다. 표면장력이 클수록 분자 간의 인력이 강하기 때문에 증발하는 데 많은 시간이 걸린다.

정의[편집]

액체의 한 분자의 힘을 그린 그림

열역학 정의[편집]

열역학에 대한 표면장력의 뜻은 넓다:

표면장력 σ은 온도 T와 장력 p에서 바뀌지 않는 상태에 있는 기브스 자유 에너지 G에 대한 면적 A의 편미분이다:

 \sigma = \left(\frac{\partial G}{\partial A} \right)_{T,p}

기브스 자유 에너지의 단위는 에너지 단위이다. 반면 표면장력의 단위는 에너지/면적이다.

물의 표면장력[편집]

물은 수소 결합에 의해 분자 간의 인력이 크기 때문에 다른 액체에 비해 표면 장력이 크다. 물의 표면 장력을 감소시키는 간단한 실험이 있다. 바늘이 떠 있는 물에 계면 활성제인 비눗물이 묻은 손가락을 넣으면 비누가 물의 표면 장력을 약화시키므로, 물 위에 떠 있던 바늘이 가라앉게 된다. 또한 비눗물과 접촉한 부분의 물의 표면 장력이 감소하면서 물 분자들이 인력이 강한 쪽으로 이동하므로, 바늘은 비눗물이 묻은 손가락으로부터 밀려난다.

자료표[편집]

다양한 액체의 표면 장력 (공기 대비 dyn/cm)[1]
혼합물 %는 질량 기준
dyne/cm = mN/m (밀리뉴튼 퍼 미터, S.I. 단위계에서)
액체 온도 °C 표면 장력, γ
글리세롤 20 63
다이에틸 에테르 20 17.0
0 75.64
25 71.97
50 67.91
100 58.85
메탄올 20 22.6
아세톤 20 23.7
아세트산 20 27.6
아세트산 (40.1%) + 물 30 40.68
아세트산 (10.0%) + 물 30 54.56
아이소프로판올 20 21.7
n-옥테인 20 21.8
에탄올 20 22.27
에탄올 (40%) + 물 25 29.63
에탄올 (11.1%) + 물 25 46.03
n-헥세인 20 18.4

사진첩[편집]

같이 보기[편집]

주석[편집]

  1. Lange's Handbook of Chemistry, 10th ed. pp 1661–1665