물리화학1 표면장력 실험 예비 레포트

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목차

Abstract

1. 서론

2. 이론
2.1 표면장력의 유도 및 특징
2.1.1 표면장력의 유도
2.1.2 표면장력의 특징
2.1.3 표면장력 때문에 일어나는 현상
2.2 표면장력의 현상
2.2.1 기포, 공동, 및 액체 방울
2.2.2 행 형성
2.2.3 모세관 작용
2.2.4 접촉각
2.3 표면장력 측정 방법
2.3.1 모세관상승법
2.3.2 방울무게법
2.3.3 기포압법
2.3.4 링법

3. 실험방법
3.1 실험장치
3.2 실험방법
3.2.1 장치
3.2.2 설치
3.2.3 측정 준비
3.2.4 측정

4. 결과

5. 토의

6. 결론

7. 사용부호

8. 참고문헌

본문내용

서의 액체들의 표면 장력
2.2 표면장력의 현상
액체가 그 표면 넓이를 극소화시키기 위해서는 기포에서와 같은 곡표면을 만들어야 한다. 여기서는 표면 장력 때문에 나타나는 곡률과 관련된 두 가 지 현상에 관해서 설명하려고 한다. 그 하나는 액체의 증기 압력이 그 표면 의 곡률에 의존하는 현상이고 다른 하나는 가는 관 속에 들어 있는 액체의 모세관 상승(혹은 하강) 현상이다.
2.2.1 기포, 공동, 및 액체 방울
얇은 막 속에 증기(또는 공기와 함께)가 갇혀 있는 영역을 기포라고 하 며, 증기가 차 있는 액체 속의 구멍은 공동이라고 한다. 따라서 액체 속의 기포는 엄밀하게 말해서 공동이다. 진짜 기포는 두 표면(막의 양쪽에 하나 씩)을 가지며, 공동은 단 하나의 표면을 갖는다. 이 두 가지를 다루는 방 법은 비슷하지만, 기포의 경우에는 표면적이 2배이기 때문에 2라는 인자 를 붙여주어야 한다. 한편 증기(공기도 포함해서)로 둘러싸인 작은 부피의 액체는 액체 방울이라고 한다.
계면의 오목면 쪽 압력 은 볼록면 쪽 압력 보다 항상 크다. 이 관계를 나 타낸 것이 Laplace 식인데 아래 증명에서 이 식을 유도해 보이겠다.
<증명>
액체 속의 공동은 그 표면적이 줄어들려는 경향과 내부의 압력이 증가하 려는 경향이 균형을 이룰 때 평형 상태에 있게 된다. 지금 기포 내부의 압 력을 그리고 그 반지름을 r이라고 하면 팽창시키려는 힘은 압력×넓이 =4πr이다. 그리고 안쪽으로 향하는 힘은 외부 압력과 표면 장력에 의 한 것의 합이다. 이 중에서 앞의 것은 4πr이다. 그리고 후자는 다음과 같이 계산할 수있다. 우선 구의 반지름이 r로부터 r+d로 변할 때의 표면 적변화는 다음과 같다(2차 미분 (d)을 무시하고).
d = 4π(r+d)-4πr=8πrd
따라서 표면을 이만큼 잡아늘리기 위해서 해 주어야 하는 일은 다음과 같이 된다.
d = 8πrd
그런데 일은 힘×거리 이므로 반지름이 r일 때, 이것을 d만큼 잡아늘리 는데 맞서는 힘은 다음과 같이 된다.
F = 8πr
따라서 안쪽을 향하는 전체 힘은 4πr+8πr이다. 평형을 이루려면 외 향 힘과 내향 힘이 균형을 이루어야 하며, 따라서 다음 관계가 성립한다.
4πr = 4πr + 8πr
이 식을 정리하면 아래와 같은 식이 나온다.
= + 2/r
이 Laplace 식에 의하면 곡률 반지름이 무한대가 될 때(즉 표면이 평면일 때, Figure 2.2)는 압력 차가 0이 된다. 작은 공동은 곡률 반지름이 대단 히 작으므로 표면 양쪽의 압력 차가 대단히 크다. 예로서 샴페인 속의 반 지름 0.10mm 인 ‘기포’(실제로는 공동)의 경우 이 압력차는 1.5kPa이나 된다. 이 압력은 약 15cm 높이의 물기둥을 지탱할 수 있다.
Figure 2.2. 곡표면 내부의 압력이 표면의 곡률 반경에 의존하는 모양을 두 상이한 표면 장력의 겨우를 가지고 나타낸 그림.
액체의 증기 압력은 그 액체에 가해지는 압력에 의존한다. 액체 표면을 곡면지게 하면 2/r의 압력 차가 나타나므로 곡표면상의 증기 압력은 평 표면상의 압력과 같지 않을 것이다. 이 압력 차를 3식에 넣어 주면 액체가 반지름 r의 방울로 분산되었을 때의 그 액체의 증기 압력을 나타내는 다 음과 같은 Kelvin 식을 얻을 수 있다.
= e
공동 내부의 액체 증기 압력을 나타내는 이와 비슷한 식은 단번에 쓸 수 있다. 이 경우에는 공동을 둘러싸고 있는 액체의 압력이 기포 속의 증기 압력보다 낮다. 따라서 앞의 식에서 지수의 부호를 바꾸기만 하면 된다.
2.2.2 핵 형성
반지름 1m와 1nm인 물방울의 경우, 25℃ 에서 의 /비는 각각 약 1.001과 3이다. 후자의 경우에는 그 수치가 크기는 하지만 물방울의 지 름이 약 10개 정도밖에 안 되는 분자로 되어 있으므로 신빙성이 없으며, 계산의 근거도 의심스럽다. 전자의 경우에는 그 효과가 얼마 되지 않지만 대단히 중요한 결과를 초래할 수가 있다.
예로서 구름의 형성을 생각해 보자. 덥고 습한 공기는 고공의 차가운 영 역으로 상승한다. 어는 정도의 높이까지 올라가면 온도가 매우 낮아져서 열역학적으로 수증기가 액체물보다 덜 안정하게 되며, 따라서 수증기가 물방울로 되어 구름이 형성될 것으로 기대된다. 이러한 응축의 초기 과정 은 많은 수의 물 분자가 떼를 지었다가 들러붙어서 미세한 물방울을 이 루는 것이라고 생각할 수 있다. 그러나 이러한 물방울은 대단히 작기 때 문에 높은 증기 압력을 가질 것이며, 따라서 물방울이 자라기는커녕 증발 되어 버리고 만다. 이러한 높은 증발 경향에 의해서 처음의 응축되려는 성질이 억제되고 증기가 안정하게 존재할 수 있는 것이다. 이러한 증기상 을 과포화 되었다고 한다. 이 과포화 증기는 액체에 비해서는 열역학적으 로 불안정하지만 액체상이 생성되기 전에 필연적으로 생겨야 하는 작은 물방울에 비하면 불안정하지 않으며, 따라서 단순한 직접적인 메카니즘으 로는 이 작은 물방울이 생기지 않는 것이다.
그러나 구름은 분명히 형성되고 있으며, 따라서 다른 어떤 메카니즘이 있어야 한다. 이것을 두 과정을 가지고 설명할 수 있는데, 우선 첫째는 충분히 많은 수의 물 분자가 서로 들러붙어서 처음부터 큰 물방울을 형 성하고 이 때문에 높은 증발 효과가 미처 나타나지 않는다고 생각하는 것이다. 그러나 이러한 자발적 핵 형성 중심이 생길 기회는 대단히 낮으 며, 따라서 이것은 비가 생기는 주된 메카니즘이라고 볼 수 없다. 또 하 나의 과정에서는 작은 먼지 알맹이나 다른 종류의 이질 물질 알맹이의 도움을 전제로 하는 것이다. 즉 이러한 알맹이들은 물 분자가 들러붙을 수 있는 표면을 제공함으로써 응축을 일으키는 핵 역할을 하는 것이다.
액체는 끓는점 이상으로 과열될 수도 있고 어는점 이하로 과냉각될 수 도 있다. 이들 경우에도 핵 형성 중심이 없을 때 나타나는 운동학적 안정 도 때문에 열역학적으로 안정한 상이 나타나지 못한다. 예로서 과열 상태 가 나타나는 것은 공동 내부의 증기 압력이 낮아서 작은 기포가 생기더 라도 다시 오므라들기 때문이다. 비커 속의 물을 젓지 않고 가열할 때 이 러한 불안전한 상이 생기며, 온도가

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표면장력,   물리화학,   예비레포트