표면장력 예비

세제는 계면활성제의 종류나 조제의 첨가유무에 따라 표면장력이 다르게 나타나는데 이 표면장력이 저하될수록 세척성은 향상되므로, 사용하고자 하는 세제액의 표면장력을 파악하여 세제의 농도에 따른 적정 사용량을 밝혀내고 그에 따른 세척의 원리를 이해할 수 있다.

2. 목적
순수 액체의 표면장력을 측정한다.

3. 이론적 배경
●표면장력이랿�...

1) 표면장력이란?
이것을 이해하기 위해서는 액체를 분자수준에서 살펴보아야 이해할 수 있을 것이다.
그림에서 보는 바왿�같이 표면액체분자왿� 내부액체분자는 분자간에 상호작용하는 방식이 다르다. 내부의 액체분자는 모든 방향에서 분자간에 힘이 작용하지만 표면의 액체분자는 180도 각도에서만 힘이 작용한다. 액체 표면의 분자는 당연히 힘의 균형이 깨지고 아래쪽으로 힘이 작용할 것이다.
즉 표면의 분자는 무엇인가 아래로 잡아당기려는 힘이 있다. 이것을 우리는 액체의 표면장력이라고 정의한다. 다시 말해서 액체의 표면분자는 내부의 분자에 비해 무엇인가 잡아당기려고 하는, 아주 불안정한 상태에 있다. 따라서 액체의 표면이 넓어지면 그만큼 액체의 상태는 불안정하게 될 것이다. 이러한 의미에서 액체는 될 수 있으면 자신의 표면적을 줄여 상대적으로 안정한 상태를 유지하려고 할 것이다.
일단 물과 같이 서로 수소결합에 의해서나 아니면 다른 액체에서 반데르 발스 힘에 의해 서로간의 분자간의 인력으로 인해 생기는 것이 표면장력으로 나타나고, 이로 인해 액체가 외부에 대해 표면적을 최소화하려 한다. 여러 가지 기하구조 중에서 액체가 구형을 띠는 이유는 동일한 부피의 기하구조 중에서 구의 형태가 가장 표면적이 작기 때문이다.

2) 표면장력이 생기는 원인
분자들은 단거리 반발력과 인력이 균형을 이룸으로써 평형을 이룬다. 그런데 표면 분자들은 내부의 분자들을 상쇄시킬 힘이 없으므로 그 인력 때문에 표면 분자들이 내부로 당겨진다. => 표면적 최소가 되려고 함.
구형의 분자가 쌓여진 구체 구조에서 각각의 분자는 12개의 다른 분자왿� 결합하고 있으며 표면층이 촘촘히 쌓여져 있다면 표면 위의 한 분자는 단지 9개의 이웃 분자왿� 결합하고 있으므로 그 결합세기는 9E/12이다.
이로부터 표면 분자는 내부 분자의 결합 E의 75%만으로 결합되어 있다. 따라서 표면 분자의 에너지는 내부분자의 에너지보다 높은 값을 가진다. 이때의 높은 표면 자유에너지 값을 감소시키기 위해 표면을 수축하거나 팽창을 억제한다.
dw = dFs =d
: 표면 장력 , d : 단면변화 ,dFs : 표면 자유 에너지 증가량

3) 표면장력에 차이가 생기는 이유
-분자간에 작용하는 힘의 차이.
분자사이에는 분자끼리 모든 방향에서 끌어당기는 힘이 작용하는데 이 힘을 응집력이라 하고, 다른 분자끼리 끌어당기는 힘을 부착력이라 하며, 응집력과 부착력의 차이로 발생하는 것을 표면장력이라 하는데 물질마다 그 힘이 달라 서 고유한 표면장력 값을 갖는다.
ex) 물과 공기의 경계면에서 물 분자의 응집력이 공기분자왿� 물 분자 사이 에 작용하는 부착력보다 크게 되어 물 표면을 최소화하려는 힘이 발생 하는데 액체의 표면은 그 면적을 가장 작게 하려는 힘이 있고, 같은 크기에서 구가 가장 작은 표면적을 가지므로 구형으로 되려고 한다.
(물: 72.75dyne/cm, 수은: 476 dyne/cm)

(1) 표면장력
액체가 접촉하는 표면을 증가시키려면 일을 해주어야 한다. 일정한 온도왿� 압력에서 해 준 가역적 일이 표면 자유 에너지이다.

--- [1]
여기서,

dFs: 표면 자유에너지의 증가(kg․m)
dW: 계에 가해준 등온 가역적 일(kg․m)
dA: 표면적 변화(m2)
: 표면장력(Kg⁄m)