Surface tension

Japanese: 表面張力 - ひょうめんちょうりょく（英語表記）surface tension

Usually, it refers to the force that acts on the surface of a liquid to reduce its surface area. It is well known that this force is the reason why water droplets and mercury particles become round. Generally, there are five types of interfaces that can be considered for combinations of gas, liquid, and solid phases: gas-liquid, gas-solid, liquid-liquid, liquid-solid, and solid-solid. In particular, gas-liquid and gas-solid interfaces are referred to as surfaces. Therefore, surface tension is a force that acts to reduce the area of the interface between two phases, that is, a type of interfacial tension.

Surface tension occurs because the distribution and orientation of liquid molecules at the surface are different from those inside the phase. Molecules inside the liquid are attracted to the molecules around them, but molecules on the surface have half the number of molecules around them compared to the molecules inside, so they are also attracted to half as much. This means that molecules on the surface have extra energy compared to molecules inside. In this way, the state of molecules on the surface determines the surface tension.

Surface tension is usually expressed as force per unit length (dyn/cm = 10 ^-3 N/m). If you try to spread the surface of a liquid, you must work against this tension. The work required to create a unit area of surface of a liquid is the same as the surface tension. This work is stored on the surface as free energy, so surface tension is also equal to the surface free energy per unit area (erg/cm ² = 10 ^-3 J/m ² ).

The surface tension of most liquids decreases linearly with temperature at room temperature. As the temperature of the liquid increases, the thermal motion of the molecules becomes more active, increasing the intermolecular distance, which reduces the intermolecular attractive force and decreases the surface tension. At the critical temperature, the surface tension becomes zero.

The surface tensions of some substances at room temperature are as follows: water = 72.75, ethanol = 22.55, benzene = 28.9, chloroform = 27.2, acetic acid = 27.7, toluene = 28.4, mercury = 475 (20°C, dyn/cm). We can see that the surface tension of mercury is very large, and that the surface tension of water is also larger than other organic solvents. When a surfactant is added to water, even a small amount causes a rapid decrease in surface tension. This is because the surfactant moves to the solution surface so that the surface free energy of the solution decreases, and the concentration of the surfactant at the surface becomes greater than that of the interior.

[Noriko Shinozuka]

Surface tension measurement method

There are two methods for measuring surface tension: static and dynamic. In pure liquids, surface tension quickly reaches equilibrium, but in solutions it may take time to reach equilibrium, so measurement by static methods requires careful attention.

Representative methods for static measurement include the capillary method, drop weight method, bubble pressure method, and ring method. Of these, the capillary method is the simplest, and utilizes the fact that a capillary tube that can be wetted by the liquid is immersed in the liquid and the height of the liquid that rises in the capillary is proportional to the surface tension. The ring method is called Genouly's surface tensiometer, and involves touching a platinum ring horizontally to the liquid surface, gently lifting it up, and using a scale to measure the force that balances the surface tension acting on the ring at the moment it is about to leave the liquid surface.

Dynamic methods include the capillary wave method, in which small waves are generated on the liquid surface and their propagation speed and wavelength are measured, and the jet method.

[Noriko Shinozuka]

"Surface States and Colloidal States" by Masayuki Nakagaki (1968, Tokyo Kagaku Dojin) "Surfaces and Interfaces" by Nobuaki Watanabe, Masaru Watanabe, and Yasukatsu Tamai (1973, Kyoritsu Shuppan)

Intermolecular Attraction and Surface Molecules
©Shogakukan ">

Intermolecular Attraction and Surface Molecules

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

通常、液体の表面でその表面積を小さくするように働く力をいう。水滴や水銀の粒子が丸くなるのはこの力のためであることはよく知られている。一般的には、気相、液相、固相の組合せで、気‐液、気‐固、液‐液、液‐固、固‐固の5種類の界面が考えられるが、とくに気‐液および気‐固の界面を表面といい、したがって表面張力は、二相間の界面において生じる、界面の面積を縮小するように働く力、すなわち界面張力の一種である。

　表面張力が生じるのは、表面における液体分子の分布と配向が相の内部と異なるためである。液体内にある分子は、その周囲に存在する分子から引力を受けているが、表面にある分子は、その周囲にある分子数が内部の分子に比べて半分となり、受ける引力も半分となる。このことは、表面の分子は内部の分子に比べて余分のエネルギーをもっていることを意味する。このように表面における分子の状態が表面張力を決定している。

　表面張力は、通常、単位長さ当りの力（dyn／cm＝10^-3N/m）で表される。もし液体の表面を広げようとすると、この張力に抗して仕事をしなければならない。液体の単位面積の表面をつくるのに要する仕事もすなわち表面張力と同じである。この仕事は自由エネルギーとして表面に蓄えられるわけであるから、表面張力は単位面積当りの表面自由エネルギー（erg／cm²＝10^-3J/m²）とも等しい。

　多くの液体の表面張力は常温付近では温度に対して直線的に低下する。液体の温度が上昇すると、分子の熱運動が盛んになって分子間距離が増大し、そのため分子間引力は小さくなって表面張力は低下する。臨界温度になれば表面張力はゼロになる。

　いくつかの物質の常温における表面張力を次に示す。水＝72.75、エタノール＝22.55、ベンゼン＝28.9、クロロホルム＝27.2、酢酸＝27.7、トルエン＝28.4、水銀＝475（20℃、dyn/cm）。水銀の表面張力が非常に大きく、また水の表面張力も他の有機溶媒に比べて大きいことがわかる。水に界面活性剤を加えると、わずかの量でも表面張力が急激に減少する。これは、溶液の表面自由エネルギーが減少するように活性剤が溶液表面に移動し、表面の濃度が内部に比べて大きくなるためである。

［篠塚則子］

表面張力の測定法

静的な条件で測定する方法と動的な条件で測定する方法がある。純粋な液体では表面張力はすぐ平衡に達するが、溶液では平衡に達するのに時間がかかる場合があり、静的な方法での測定には細心の注意が必要である。

　静的測定の代表的方法に、毛管法、滴重法、泡圧法、輪環法などがある。このうち、毛管法はもっとも簡便で、液体でぬれるような毛細管を液中に浸し、毛管中を上昇した液の高さが表面張力と比例することを利用する方法である。輪環法はジュヌーイの表面張力計とよばれ、白金の環を液面に水平に触れさせ、静かに引き上げて液面から離れようとする瞬間に環に作用する表面張力とつり合う力を秤(はかり)で測定する方法である。

　動的方法には、液面に小さな波をおこしてその進行速度と波長を測る表面張力波法や、ジェット法などがある。

［篠塚則子］

『中垣正幸著『表面状態とコロイド状態』（1968・東京化学同人）』▽『渡辺信淳・渡辺昌・玉井康勝著『表面および界面』（1973・共立出版）』

分子間引力と表面の分子

出典　小学館　日本大百科全書(ニッポニカ)日本大百科全書(ニッポニカ)について　情報 | 凡例

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