[A+ 결과보고서] 표면장력 측정 실험

1. 실험 목적
액체의 표면장력 측정을 통하여 표면장력의 본성과 표면장력 측정의 원리를 고찰한다.

2. 실험 이론
1) 표면장력
물을 비롯한 액체 상태의 물질들은 수많은 분자들로 구성되어 있다. 그러한 액체 분자들 사이에는 인력 이 존재하는데 액체 내부의 분자는 모든 방향에서 같은 크기의 인력을 경험해 합력이 0이 되는 반면, 액체 표면상에 있는 분자들은 외부 기체에 노출되어 있는 방향에서의 인력이 작용하지 않아 내부분자의 인력에 의해서 액체 내부로 끌어당겨진다. 그에 따라 액체의 표면은 작은 면적으로 축소하려고 하는 힘 을 가지게 되는데 그러한 힘을 표면장력이라고 한다. 이러한 표면장력의 크기는 액체 표면 막을 단위 길이만큼 찢는데 필요한 힘(N/m or dyne/cm) 혹은 액체 표면 막을 단위 면적만큼 확장하는데 필요한 에너지(J/m2)로 표현할 수 있다.

2) 모세관 현상
모세관 현상은 액체의 응집력, 관과 액체 사이의 부착력, 이 두 힘의 차이에 의해 발생한다. 응집력보다 부착력이 더 강한 경우 액면이 오목해지고, 부착력보다 응집력이 더 강한 경우 액면이 볼록해진다. 오목 하다는 것은 관 안의 액면이 높아졌다는 뜻이다. 식물의 뿌리가 물을 흡수하는 원리나 물수건이 물을 빨아들이는 것이 모세관 현상의 대표적 예시이다.

3) 표면장력 측정법
(1) 모세관 상승법
액체 속에 모세관을 넣었을 때, 모세관 내의 액면이 외부의 표면보다 높아지거나 낮아지는 모세관 현상을 이용한 방법이다. 만일 응집력이 부착력보다 작다면 접촉각은 90°보다 작아지며 액체는 모세관 내부에서 상승한다. 모세관 안을 올라가는 액체 기둥의 높이로부터 표면장력을 구할 수 있다. 관내로 액체를 끌어올리는 힘은 2πrγcosθ이고, 이것이 끌어올려진 액체 기둥의 중량이 일 때, 이 두 값이 균형을 이룬 곳에서 평형이 된다. 이때, 대부분 접촉각은 액체에서 0°에 가까우므로 cosθ의 값은 1로 가정할 수 있다. 따라서 표면장력은 다음과 같다.