表面張力
表面張力の定義には、よく用いられる3つの説明がある。
マクスウェルの枠(コの字形の枠と可動する棒の間に張られた液体の膜)を考える。可動する棒には表面に平行に、膜を収縮させる向きに力が働く。単位長さあたりのこの収縮力を表面張力という。トマス・ヤングを始まりとする考え方。
同様にマクスウェルの枠の可動棒を動かし、表面を単位面積だけ増大させるときに必要となる仕事量。この考え方はA. デュプレ(英語版)(1869)が最初であるとされる。
熱力学においては自由エネルギーを用いて定義される。この考え方は19世紀末からW. D. ハーキンス(英語版)(1917)の間に出されたと考えられている。この場合表面張力は次式で表される: γ = ( ∂ G ∂ A ) T , P e q . {\displaystyle \gamma =\left({\frac {\partial G}{\partial A}}\right)_{T,P\,eq.}} ここでGはギブスの自由エネルギー、Aは表面積、添え字は温度T、圧力P一定の熱平衡状態を表す。固体表面についての γ は、新しい表面を作り出すのに必要なエネルギーを表し、表面エネルギーとも呼ばれる。 ヘルムホルツの自由エネルギーFを用いても表される: γ = ( ∂ F ∂ A ) T , V e q . {\displaystyle \gamma =\left({\frac {\partial F}{\partial A}}\right)_{T,V\,eq.}} ここで添え字は温度T、体積V一定の熱平衡状態を表す。
井本はこれらの定義のうち、3.のみが適切であると論じている。
濡れとは、固体と接する気体が液体で置き換えられる現象である。 表面の濡れやすさの程度は接触角θで表される。接触角とは、固体表面が液体及び気体と接触しているとき、この3相の接触する境界線において液体面が固体面と成す角度のことである。接触角は各界面の表面張力と関係があり、表面張力の大きい固体は濡れやすく、液体が付着したときの接触角が鋭角になる。反対に、表面張力の小さい固体は濡れにくく、接触角が鈍角になる。この関係を表すトマス・ヤングによる次の式をヤングの式という。
γ S G = γ L G cos  θ + γ S L {\displaystyle \gamma _{\mathrm {SG} }=\gamma _{\mathrm {LG} }\cos \theta +\gamma _{\mathrm {SL} }}
θ {\displaystyle \theta } :接触角
γ S G {\displaystyle \gamma _{SG}} :固体にはたらく表面張力
γ L G {\displaystyle \gamma _{LG}} :液体にはたらく表面張力
γ S L {\displaystyle \gamma _{SL}} :固体・液体界面にはたらく界面張力
液体の中では水銀は特に表面張力が高く、水も多くの液体よりも高い部類に入る。固体では金属や金属酸化物は高い値を示すが、実際には空気中のガス分子が吸着しこの値は低下する。
また金属など、高温で溶融する物質は測定値にばらつきが大きいが、大体下表のような値である。一般に金属結合のように結合が強いほど、あるいは定性的に融点が高い物質ほど表面張力も高い。純物質の各融点における表面張力は、第5族、6族、7族元素が高く、希ガス元素は低い。