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Surface tension test – why is the water drop round?

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표면장력 실험 모음

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물의 표면장력 실험 (계면활성제의 효과 실험)

안녕하세요? 과짱물짱화짱입니다.

실제로 고3이 되니까 너무 정신이 없네요. 고2 때 보다 현저하게 많아진 주변의 대학 얘기와 주변 친구들의 공부량..

저도 성적을 적어도 유지라도 하려면 더욱 노력해야할 것 같습니다.ㅎㅎ

이번 포스팅 주제는 집에서 간단하게 할 수 있는 실험인 ‘물의 표면장력(계면활성제의 효과)’실험입니다.

다만, 제가 갑자기 블로그에 포스팅해야겠다는 생각에 집 안의 물품만으로 준비하고, 또한 급하게 계획하다보니 실험의 완성도가 떨어집니다. 또한 (제가 기억하기로는) 처음으로 시도하는 동영상 진행이라 말도 더듬고, 어색하네요.ㅠㅠ

그래도 잘 봐주세요!^^

1. 물 위에 바늘 띄우기 실험

1) 준비물

: 휴지, 바늘, 수조(혹은 대용품, 저는 접시로 했습니다.), 물, 비눗물(세제물)

2) 실험 과정

(소리로 실험과정을 설명합니다. 소리를 켜주세요~ 어색하네요.ㅠ)

2. 앞으로 나아가는 이쑤시개

1) 준비물

: 이쑤시개(원래 성냥개비), 후추(혹은 대용품. 물에 녹지 않고 뜨는 작은 가루. 저는 깨로 대신했습니다.), 주방세제, 수조, 물

2) 실험 과정

(소리로 실험과정을 설명합니다. 소리를 켜주세요~)

3. 반발하는 이쑤 시개

1) 준비물

: 수조, 물, 이쑤시개, 비눗물

2) 실험 과정

(소리로 실험과정을 설명합니다. 소리를 켜주세요~)

4. 실험 원리(요약)

: 표면장력은 물분자끼리의 인력의 작용으로 표면적을 작게 만드려는 힘입니다. 이 과정에서 물 표면에 일종의 막이 생긴다고 볼 수 있는데요, 따라서 원래는 가라앉아야 할 바늘이 1번 실험에서 뜰 수 있는 것입니다. 하지만 세제(비눗물)는 물분자간의 상호작용을 방해함으로서 표면장력을 약하게 만드는데요, 따라서 비눗물을 떨어트렸을 때 바늘이 가라앉고, 2,3번실험에서는 상호작용(인력)이 강한쪽이 약한쪽을 끌어당기기 때문에 이와같은 현상이 벌어지는 것입니다.

5. 과짱’s 원리 해설(실험 원리)

1) 표면장력이란?

: 각 실험의 원리를 설명하기 전에 아무래도 실험의 주제가 되는 ‘표면장력’에 대하여 알아야 겠죠?ㅎㅎ

액체 표면과 내부에서 분자가 받는 힘에 대해서 그림판으로 나타내 보았습니다.ㅎㅎ

그림을 보시면 물 분자 1개가 주변의 다른 물분자들에 의해 인력을 받고 있는 것이 나타나져 있는데요, 액체 내부의 분자의 경우는 사방이 분자로 둘러싸여 있기 때문에 모든 방향으로 균등한 인력을 받아 안정한 상태에 있을 수 있습니다. 반면에! 물 표면의 분자는 인력이 위쪽방향으로는 작용하지 않고, 안쪽방향으로만 작용하기 때문에 물 속으로 끌리게 되고, 이는 곧 불안정을 나타냅니다. 따라서 물분자 들은 이렇게 불안정한 분자(표면에 있는 분자) 수를 최대한 줄이려고 노력할 것이고, 이는 다른말로 표현하면 ‘다른 물체와 액체와의 접촉 면적(표면적)을 가능한 작게’ 하려고 함을 의미합니다.(혹은 물 속으로 끌어당기는 힘만 작용하기 때문에 뭉치려고 하므로 바로 바깥과의 표면적을 작게한다고 생각하셔도 무리 없습니다.) 이러한 성질을 나타내는 힘 또는 에너지를 표면장력이라고 합니다. 그런데 같은 부피일 때 표면적이 가장 작은 기하구조는 ‘구’이기 때문에 물 분자가 동그랗게 뭉치려고 하는 것입니다.ㅎㅎ 이는 풀잎에 맺혀있는 이슬이나 비눗방울의 모양에서 확인할 수 있습니다.

또한 표면장력으로 인해서 나타나는 현상 중에 대표적으로 ‘모세관 현상’이 있습니다. 이 모세관현상은 식물이 땅에서 부터 물을 끌어올려 사용할 수 있게 하는데 큰 도움을 주며, 휴지, 종이 등에 물이 중력을 거슬러서 스며드는 원리이기도 합니다.

물은 다른 액체들에 비해 유난히 표면장력이 강합니다. 그 이유는 무엇일까요?

물은 ‘수소결합’이라는 강력한 분자간의 힘으로 결합되어 있습니다. 이 수소결합 덕분에 물의 어는점과 끓는점, 비열이 높고 또 이 때문에 생명체가 존재할 수 있는 등 매우 중요하면서도 강력한 힘입니다. 표면장력 역시 이런 수소결합에 의해서 강해지는데요, 분자간의 잡아당기는 힘이 강할 수록 표면적을 줄이려는 힘이 점점 더 강하게 나타날 것인데, 물은 강력한 수소결합을 하고 있기 때문에 강한 표면장력을 가지게 되는 것입니다.

2) 계면활성제란?

: 실험의 부제라고도 할 수 있는 계면활성제에 대해서도 잠깐 설명하겠습니다.

계면활성제 분자의 모습을 간략하게 나타내 보았습니다. 계면활성제는 그림에서 보이듯이 친수성의 머리와 친유성(소수성)의 꼬리를 가지고 있습니다.(소수성은 물을 싫어하는 성질) 따라서 물과 기름 둘다에게 친해질 수 있으며, 그렇기 때문에 세제, 비누 등에 첨가되어 기름때를 녹이는 역할을 하게 됩니다. 그런데 이 계면활성제의 효과는 기름때를 제거하는 효과 뿐만 아니라 ‘표면장력’을 약화시키는 효과가 있습니다. 그 이유는 물에 계면활성제가 첨가되면 물의 표면에서 친수성기의 머리는 물쪽으로, 소수성기(친유성기)의 꼬리는 공기쪽으로 배열되면서 위의 표면장력 원리 그림의 물분자들 사이에 낑겨 들어가게 되고, 이 때문에 물 분자간의 인력이 제대로 작용하지 못하기 때문에 표면장력이 약해지는 것입니다.

3) 실험 해설

: 먼저 1번 실험을 살펴보겠습니다. 원래 바늘은 물보다 밀도가 크기 때문에 가라앉아야 정상입니다. 하지만 휴지나 종이를 이용하면 바늘을 물에 띄울 수 있습니다. 그 이유는 표면장력이 일종의 탄성막을 만들어서 바늘을 밀쳐내기 때문입니다. 1번의 표면장력 그림을 보시면 표면에 있는 분자는 표면에 있는 분자끼리 잡아당기고, 내부에서도 잡아당깁니다. 이렇게 서로 뭉치려는 힘 때문에 표면이 팽팽하게 잡아당겨지게 되고, 이에 따라 막이 형성되는 것입니다.(아마도 만약 바늘이 친수성이었다면 물과의 부착력으로 인해 빨려들어갔겠지만, 바늘의 표면은 물과 친하지 않는 소수성이므로 물에 뜰 수 있었을 것입니다.) 혹은 바늘이 물의 표면에 도착하게 되면 물의 표면은 움푹하게 들어가게 됩니다.(위 그림) 즉 표면적이 바늘에 의해 증가해버리게 되는 것이지요. 따라서 물분자들은 다시 표면적을 작게 하기 위해 바늘을 배척하는 힘을 만든다고 봐도 될 것 같습니다.

그런데 왜 그냥 넣었을때는 가라앉고 굳이 휴지를 사용해야만 뜰까요? 제가 생각하기로는 바늘을 물에 띄울때의 충격의 차이인 것 같습니다.(이 점을 다루는 정보를 보지 못해서 제 추측입니다.) 아무래도 손으로 띄우려고 하면 바늘이 낙하하면서 충격으로, 혹은 바늘이 닿는 면적이 좁아지면서 강력해진 압력으로 표면장력이 파괴되기 때문으로 생각됩니다. 하지만 휴지를 사용하면 충격을 거의 주지 않고 바늘을 물의 표면에 위치시킬 수 있지요. 실제로 제가 핀셋으로 조심스럽게 올려 보았을 때 굳이 휴지를 쓰지 않았어도 바늘이 물에 뜨는 경우가 있었습니다.

그리고 바늘을 물에 띄운 뒤 비눗물을 떨어트렸더니 가라앉았는데, 이 원리는 말 안해도 알겠죠?ㅎㅎ

앞서 말씀드렸듯이 계면활성제(비눗물)는 표면장력을 약화시키기 때문에 표면장력의 힘을 받지 못한 바늘이 가라앉게 되는 것입니다.

이번에는 2,3번 실험을 해설하겠습니다. 사실 두 실험은 같은 원리에요.ㅎㅎ

앞에서 계면활성제는 표면장력을 약화시킨다고 했었죠? 먼저 실험2를 보면 이쑤시개의 한쪽 끝에 세제(계면활성제)를 묻혔고, 이를 물에 띄웠습니다. 그러면 이쑤시개의 세제를 묻힌 쪽은 물에 닿자마자 주변의 표면장력을 약화시킬것입니다. 이는 곧 물분자간의 잡아당기는 힘을 약화시킨다는 뜻이고, 세제가 묻지 않은 쪽은 평소와 같은 크기로 잡아당길 것이므로 상대적으로 세제가 묻지 않은 곳에서 잡아당기는 힘이 커지게 될것입니다. 따라서 이쑤시개도 같이 분자간에 잡아당기는 힘이 강한쪽으로 끌려가는 것입니다.(이때 1번 실험과 달리 가라앉지 않는 이유는 이쑤시개는 표면장력없이도 밀도가 물보다 작기 때문에 부력으로 뜰 수 있기 때문입니다.)

3번 역시도 삼각형의 가운데에 비눗물을 떨어트리면 삼각형 중심부에서 잡아당기는 힘보다 삼각형 밖에서 잡아당기는 힘이 더 강해지게 되므로 반발하게 되는 것입니다. 정확히는 이쑤시개의 상호작용으로 반발하는 것은 아닌것이지요.ㅎㅎ

6. 실험 후기

: 일단 처음으로 동영상에 목소리를 넣어봐서 그런지 좀 더듬어서 아쉽기도 하고(목소리 억양이 이상한건 경상도 사람이라 사투리도 영향도 있겠지만 아마 어색해서일겁니다.ㅋㅋ), 또한 장소가 집이고 재료도 집에 있는 것 만으로 충당하다보니 대조군도 명백해게 보여주지는 못했고, 실험 조건도 완벽하게 맞추지 못한점이 아쉽습니다.

예를 들자면.. 표면장력은 온도에도 영향을 받는데요, 만약 비눗물과 그냥 물의 온도가 달랐다면 이것 역시 실험에 있어서 오차가 될 수 있습니다.(집에 온도계가 없었기 때문에 둘 다 수도에서 가장 찬물로 틀어서 비슷하게 하려고 노력했습니다.)

또한 집에 후추가 없어서 깨를 사용한건 안습…ㅋㅋ 깨가 아깝네요.ㅠㅠ 또한 이쑤시개 진로방해도 하고..

그래도 아쉬운대로 괜찮게 실험을 진행한 것 같습니다.ㅎㅎ

표면 장력 – 정의 및 실험

표면장력은 액체가 기체와 접하는 액체의 표면이 얇은 탄성판처럼 작용하는 현상이다. 이 용어는 일반적으로 액체 표면이 기체(예: 공기)와 접촉할 때만 사용됩니다. 표면이 두 액체(예: 물과 기름) 사이에 있으면 “계면 장력”이라고 합니다.

표면 장력의 원인

반 데르 발스 힘과 같은 다양한 분자간 힘은 액체 입자를 함께 끌어당깁니다. 오른쪽 그림과 같이 표면을 따라 입자가 나머지 액체 쪽으로 당겨집니다.

표면 장력(그리스 변수 γ 로 표시됨)은 힘이 작용하는 길이 d 에 대한 표면 힘 F 의 비율로 정의됩니다 .

감마 = F / d

표면 장력의 단위

표면 장력은 N/m(미터당 뉴턴)의 SI 단위 로 측정되지만 더 일반적인 단위는 cgs 단위 dyn/cm(센티미터당 다인)입니다.

상황의 열역학을 고려하기 위해 때로는 단위 면적당 일 의 관점에서 고려하는 것이 유용합니다. 이 경우 SI 단위는 J/m 2 (제곱미터당 줄)입니다. cgs 단위는 erg/cm 2 입니다.

이러한 힘은 표면 입자를 함께 묶습니다. 비록 이 결합이 약하긴 하지만 – 결국 액체의 표면을 부수는 것은 꽤 쉽습니다 – 그것은 여러 면에서 나타납니다.

표면 장력의 예

물 방울. 물방울을 사용하면 물이 연속적으로 흐르는 것이 아니라 일련의 방울로 흐릅니다. 물방울의 모양은 물의 표면장력에 의해 생긴다. 물방울이 완전히 구형이 아닌 유일한 이유는 중력이 물을 끌어내리기 때문입니다. 중력이 없을 때 물방울은 장력을 최소화하기 위해 표면적을 최소화하여 완벽한 구형을 만듭니다.

물 위를 걷는 곤충. 스트라이더와 같은 여러 곤충이 물 위를 걸을 수 있습니다. 그들의 다리는 무게를 분산시키기 위해 형성되어 액체의 표면이 눌려지게 하고 위치 에너지를 최소화하여 힘의 균형을 만들어 스트라이더가 표면을 뚫지 않고 물 표면을 가로질러 이동할 수 있도록 합니다. 이것은 발이 가라앉지 않고 깊은 눈 더미를 가로질러 걸을 때 설화를 신고 걷는 것과 같은 개념입니다.

물 위에 떠 있는 바늘(또는 종이 클립). 이러한 물체의 밀도가 물보다 크지만 함몰부를 따라 있는 표면 장력은 금속 물체를 아래로 당기는 중력을 상쇄하기에 충분합니다. 오른쪽에 있는 그림을 클릭한 다음 “다음”을 클릭하여 이 상황의 힘 다이어그램을 보거나 Floating Needle 트릭을 직접 시도해 보십시오.

비눗방울의 해부학

비눗방울을 불면 얇고 탄력 있는 액체 표면에 포함된 압축 공기 방울이 생성됩니다. 대부분의 액체는 안정적인 표면 장력을 유지하여 거품을 생성할 수 없기 때문에 일반적으로 비누가 공정에서 사용됩니다… 마랑고니 효과라는 것을 통해 표면 장력을 안정화시킵니다.

기포가 날아가면 표면 필름이 수축하는 경향이 있습니다. 이로 인해 거품 내부의 압력이 증가합니다. 기포의 크기는 적어도 기포가 터지지 않고 기포 내부의 가스가 더 이상 수축하지 않는 크기에서 안정화됩니다.

사실, 비누 거품에는 두 개의 액체-기체 인터페이스가 있습니다. 하나는 거품 내부에 있고 다른 하나는 거품 외부에 있습니다. 두 표면 사이에는 액체 의 얇은 막이 있습니다.

비누 방울의 구형은 표면적의 최소화로 인해 발생합니다. 주어진 부피에 대해 구형은 항상 표면적이 가장 작은 형태입니다.

비눗방울 내부의 압력

비누 방울 내부의 압력을 고려하기 위해 우리는 거품의 반경 R 과 액체(이 경우 비누 – 약 25dyn/cm) 의 표면 장력 γ 를 고려합니다.

우리는 외부 압력이 없다고 가정하는 것으로 시작합니다(물론 사실이 아니지만 잠시 후에 처리하겠습니다). 그런 다음 거품의 중심을 통과하는 횡단면을 고려합니다.

이 단면을 따라 내부 반지름과 외부 반지름의 아주 작은 차이를 무시하면 원주가 2pi R 임을 알 수 있습니다 . 각 내부 및 외부 표면은 전체 길이를 따라 감마 압력을 가지 므로 총계입니다. 따라서 표면 장력(내부 및 외부 필름 모두에서)의 총 힘은 2 감마 ( 2pi R )입니다.

그러나 기포 내부에는 전체 단면 pi R 2 에 작용하는 압력 p 가 있어 전체 힘 p ( pi R 2 )가 발생합니다.

거품은 안정적이므로 이러한 힘의 합은 0이어야 하므로 다음을 얻습니다.

2 감마 (2 pi R ) = p ( pi R 2 )

또는

p = 4 감마 / R

분명히 이것은 기포 외부의 압력이 0인 단순화된 분석이지만 내부 압력 p 와 외부 압력 p e 의 차이 를 얻기 위해 쉽게 확장됩니다 .

p – p e = 4 감마 / R

액체 방울의 압력

비눗방울 과 달리 액체 한 방울을 분석하는 것은 더 간단합니다. 두 개의 표면 대신 고려해야 할 외부 표면만 있으므로 이전 방정식(두 개의 표면을 설명하기 위해 표면 장력을 두 배로 늘린 위치를 기억합니까?)에서 인수 2가 떨어져 다음을 산출합니다.

p – p e = 2 감마 / R

접촉각

표면 장력은 기체-액체 경계면에서 발생하지만 해당 경계면이 용기의 벽과 같은 단단한 표면과 접촉하는 경우 경계면은 일반적으로 해당 표면 근처에서 위아래로 휘어집니다. 이러한 오목하거나 볼록한 표면 모양을 메니스커스( meniscus )라고 합니다.

접촉각 θ 는 오른쪽 그림과 같이 결정됩니다.

접촉각은 다음과 같이 액체-고체 표면 장력과 액체-기체 표면 장력 사이의 관계를 결정하는 데 사용할 수 있습니다.

감마 ls = – 감마 lg 코스 세타

어디

γ ls 는 액체-고체 표면 장력입니다.

감마 lg 는 액체-기체 표면 장력입니다.

ta 는 접촉각

이 방정식에서 고려해야 할 한 가지는 메니스커스가 볼록한 경우(즉, 접촉각이 90도보다 큼), 이 방정식의 코사인 성분이 음수가 될 것이며, 이는 액체-고체 표면 장력이 양수임을 의미합니다.

반면에 메니스커스가 오목한 경우(즉, 아래로 내려가서 접촉각이 90도 미만인 경우) 코스 세타 항은 양수이며, 이 경우 관계는 음 의 액체-고체 표면 장력 을 초래합니다. !

이것이 본질적으로 의미하는 바는 액체가 용기의 벽에 달라붙고 고체 표면과 접촉하는 면적을 최대화하여 전체 위치 에너지를 최소화하도록 작동한다는 것입니다.

모세관 현상

수직 튜브의 물과 관련된 또 다른 효과는 모세관 현상으로 액체 표면이 주변 액체와 관련하여 튜브 내에서 상승하거나 하강하게 됩니다. 이것은 관찰된 접촉각과도 관련이 있습니다.

용기에 액체가 있고 반경이 r 인 좁은 관(또는 모세관 )을 용기에 넣으면 모세관 내에서 발생할 수직 변위 y 는 다음 방정식으로 주어집니다.

y = (2 감마 lg 코스 세타 ) / ( dgr )

어디

y 는 수직 변위입니다(양수이면 위, 음수이면 아래)

감마 lg 는 액체-기체 표면 장력입니다.

ta 는 접촉각

d 는 액체의 밀도

g 는 중력 가속도

r 은 모세관 반경

참고: 다시 한 번, ta 가 90도(볼록 메니스커스)보다 커서 음의 액체-고체 표면 장력이 발생하면 액체 수준은 주변 수준과 관련하여 상승하는 것이 아니라 주변 수준에 비해 낮아집니다.

모세관 현상은 일상 생활에서 다양한 방식으로 나타납니다. 종이 타월은 모세관 현상을 통해 흡수됩니다. 양초를 태울 때 녹은 왁스는 모세관 현상으로 인해 심지가 위로 올라갑니다. 생물학에서 혈액은 몸 전체로 펌핑되지만 적절하게는 모세혈관 이라고 하는 가장 작은 혈관에 혈액을 분배하는 과정입니다 .

물 한 잔에 담긴 4분의 1

필요한 재료:

10~12쿼터

물이 가득 찬 유리

천천히, 그리고 안정된 손으로 1/4을 한 번에 하나씩 유리의 중앙으로 가져옵니다. 1/4의 좁은 가장자리를 물에 넣고 놓으십시오. (이렇게 하면 표면의 혼란을 최소화하고 오버플로를 유발할 수 있는 불필요한 파도가 형성되는 것을 방지할 수 있습니다.)

더 많은 분기를 계속하면 물이 넘치지 않고 유리 위로 볼록하게 되는 것에 놀라게 될 것입니다!

가능한 변형: 동일한 유리로 이 실험을 수행하지만 각 유리에 다른 유형의 동전을 사용합니다. 얼마나 많은 동전이 들어갈 수 있는지에 대한 결과를 사용하여 다른 동전의 양의 비율을 결정하십시오.

플로팅 니들

필요한 재료:

포크(변형 1)

티슈 페이퍼(변형 2)

재봉 바늘

물이 가득 찬 유리

변형 1 트릭

포크에 바늘을 놓고 물 잔에 부드럽게 내립니다. 포크를 조심스럽게 잡아당기면 바늘이 수면에 떠 있는 상태로 남을 수 있습니다.

이 트릭은 바늘의 일부가 젖지 않도록 포크를 제거해야 하기 때문에 … 그렇지 않으면 바늘 이 가라앉을 것이므로 손과 약간의 연습이 필요합니다. 미리 손가락 사이에 바늘을 문질러 “기름”을 주면 성공 확률이 높아집니다.

변형 2 트릭

재봉 바늘을 작은 티슈 페이퍼(바늘을 잡을 수 있을 만큼 큼)에 놓습니다. 바늘은 티슈 페이퍼에 놓입니다. 티슈 페이퍼가 물에 젖어 유리 바닥으로 가라앉아 바늘이 표면에 떠 있게 됩니다.

비눗방울로 촛불 끄기

표면장력에 의해

필요한 재료:

촛불을 켜십시오( 참고: 부모의 승인과 감독 없이 성냥을 가지고 놀지 마십시오!)

깔때기

세제 또는 비눗방울 용액

깔때기의 작은 끝 부분에 엄지손가락을 놓습니다. 조심스럽게 촛불쪽으로 가져옵니다. 엄지손가락을 떼면 비누 방울의 표면 장력이 비누 거품을 수축시켜 깔때기를 통해 공기를 밀어냅니다. 거품에 의해 강제로 나오는 공기는 촛불을 끌 수 있을 만큼 충분해야 합니다.

다소 관련된 실험에 대해서는 로켓 풍선 문서를 참조하십시오.

자동화된 종이 물고기

필요한 재료:

종이 조각

가위

식물성 기름 또는 액체 식기 세척기 세제

물이 가득 찬 큰 그릇 또는 덩어리 케이크 팬

이 예

종이 물고기 패턴을 잘라낸 후에는 물통에 올려 표면에 뜨도록 합니다. 생선 가운데 구멍에 기름이나 세제를 한 방울 떨어뜨립니다.

세제나 기름은 구멍의 표면 장력을 떨어뜨립니다. 이것은 물고기가 앞으로 나아가게 하여 물을 가로질러 이동할 때 기름의 흔적을 남기고 기름이 그릇 전체의 표면 장력을 낮출 때까지 멈추지 않습니다.

아래 표는 다양한 온도에서 다양한 액체에 대해 얻은 표면 장력 값을 보여줍니다.

실험적 표면 장력 값

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