LEARNING OBJECTIVES
このセクションの終わりには、あなたはできるようになります。
- 接着力と凝集力の区別
- 粘性、表面張力、毛管上昇の定義
- これらの特性/現象それぞれにおける分子間引力の役割の説明
グラスに水を注ぐとき、または車にガソリンを入れるとき、水とガソリンが自由に流れることを確認します。 しかし、パンケーキにシロップをかけたり、車のエンジンにオイルを入れたりすると、シロップやモーターオイルはなかなか流れないことに気がつきます。 液体の粘度とは、流れに対する抵抗の大きさを表す指標です。 水やガソリンなど、自由に流れる液体は粘度が低い。 図 1 のような、はちみつ、シロップ、モーターオイルなど、自由に流れない液体は粘度が高くなります。 金属球が液体の中を落ちる速度（粘度の高い液体ほどゆっくり落ちる）や、細い管の中を液体が流れる速度（粘度の高い液体ほどゆっくり流れる）を測定することで、粘度を測ることができます＜210＞＜3467＞＜5858＞a）はビスケットに蜂蜜をかけている写真、b）は人が車のエンジンにモーターオイルを入れている白黒写真。
図1. (a）蜂蜜と（b）モーターオイルは粘度の高い液体の例で、ゆっくりと流れる。 クレジットa：Scott Bauerによる作業の改変、クレジットb：David Nagyによる作業の改変）
液体の分子間のIMF、分子の大きさと形、温度が、液体の流れやすさを決定する。 表1に示すように、液体中の分子の構造が複雑で、分子間のIMFが強いほど、分子は互いに移動しにくくなり、液体の粘度は大きくなる。 温度が高くなると、分子はより速く動き、その運動エネルギーは分子を結びつけている力に打ち勝つことができるようになり、液体の粘度は減少する。 25℃における一般的な物質の粘度
物質中の同一分子間の各種IMFは凝集力の例であり、この凝集力により、分子間の相互作用の大きさが決まります。 液体内の分子は他の分子に囲まれ、液体内の凝集力によって全方向に等しく引き寄せられる。 しかし、液体の表面にある分子は、その約半分の分子しか引き合っていない。 表面の分子の引き合う力が不均衡なため、液体は収縮して表面の分子の数が最小になるような形、つまり表面積が最小になるような形になる。 図2に示すように、小さな液滴は球状になる傾向がある。
図2。 引力は表面積を最小にする球状の水滴を生み、凝集力は球状をまとめ、粘着力は水滴を網に付着させる。 (出典: “OliBac”/Flickr)
表面張力は、液体の表面積を増やすために必要なエネルギー、または液体表面の長さを一定量増やすために必要な力として定義されています。 この性質は、液体表面の分子間の凝集力から生じるもので、液体表面が伸びたゴム膜のような挙動を示すようになる。 表2にいくつかの液体の表面張力を示す。 一般的な液体の中で、水は分子間の水素結合が強いため、明らかに高い表面張力を示す。 この高い表面張力により、水の表面は比較的「丈夫な皮膚」となっており、大きな力にも壊れることなく耐えることができる。 水の上に注意深く置かれた鉄の針は浮く。 図3のような昆虫は、水より密度が高いにもかかわらず、表面張力に支えられて水面を移動するものもいます。 25℃における一般的な物質の表面張力
図3. 表面張力（右）は、この昆虫（アメンボ）が水の中に沈むのを防ぎます（左）。
異なる2つの分子間の引力のIMFは、接着力と呼ばれています。 水がある表面に接触したときに何が起こるかを考えてみよう。 水分子と表面の分子との間の接着力が、水分子間の凝集力に比べて弱い場合、水は表面を「濡らさない」。 例えば、ワックスのかかった表面や、ポリエチレンなどの多くのプラスチックは、水に濡れません。 これは、水滴の中の凝集力が、水とプラスチックの間の接着力よりも大きいためです。 ガラス上では、水とガラスの間の接着力が水中の凝集力より大きいため、水が広がります。 ガラス管の中に水を閉じ込めると、水がガラスを濡らして管の側面を這い上がるため、そのメニスカス（表面）は凹んだ形状になる。 一方、水銀とガラスの接着力より、水銀原子間の凝集力の方がはるかに大きい。 したがって水銀はガラスを濡らさず、水銀内の凝集力が水銀を水滴に引き寄せようとするため、管内に閉じ込めると凸状のメニスカスを形成します（図4）
図4. 凝集力と接着力の相対的な強さの違いにより、ガラス管内の水銀（左）と水（右）のメニスカス形状が異なる。 (credit: Mark Ott)
図5のように、こぼれたワインにペーパータオルの一端を入れると、液体はペーパータオルを吸い上げる。 同じような現象は、シャワーを浴びた後に布製のタオルで体を拭くときにも起こる。 これは毛細管現象の一種で、多孔質体の表面や他の液体分子に液体分子が引き寄せられることによって、多孔質体内を液体が流れる現象である。
図5.毛細管現象が働いている様子。 ペーパータオルのセルロース繊維の-OH基には水（とエタノール）分子が、他の水（とエタノール）分子には水分子が強く引きつけられるため（右）、ワインがペーパータオルを吸い上げる（左）。 (出典：Mark Blaserの作品を改変)
タオルが水のような液体を吸い上げるのは、タオルの繊維が水分子と引き合う分子でできているためです。 布製のタオルの多くは綿でできており、紙製のタオルは一般に紙パルプからできています。 どちらも、多くのOH基を持つ長いセルロースの分子でできている。 水分子はこの-OH基と引き合い、水素結合を形成し、H2O分子をセルロース分子の上に引き寄せます。
毛細管現象は、図6に示すように、小さな直径の管の一端を液体に浸したときにも起こります。 液体の分子がチューブの分子に強く引きつけられると、液体の重さと接着力が釣り合うまで、液体はチューブの内側を這い上がっていく。 チューブの直径が小さいほど、液体は高く登っていく。 土中の水や溶けた養分を根から植物に運ぶのは、木部と呼ばれる植物細胞の中で起こる毛細管現象が一因である。 毛細管現象は、少量の混合物を分離する実験手法である薄層クロマトグラフィーの基礎となっている。
図6. 粘着力と凝集力の相対的な強さによって、液体はガラス製の毛細管内で上昇（水など）したり、下降（水銀など）したりすることがあります。 上昇（または下降）の程度は、液体の表面張力に正比例し、液体の密度および管の半径に反比例する。
毛細管で液体が上昇する高さは、次の式に示すようにいくつかの要因で決まります。
この式で、hは管の外の液体の表面に対する毛細管内の液体の高さ、Tは液体の表面張力、θは液体と管の接触角、rは管の半径、ρは液体の密度、gは重力による加速度で9.0です。8 m/s2である。 チューブが液体分子を強く引きつける材料でできている場合、液体分子は表面に完全に広がり、これは接触角0°に相当する。 これがガラス管内を上昇する水の状況である。
例題1
毛細管上昇
25℃で、内径0.25mmのガラス毛細管で水は何m上昇するか。
水について、T=71.99 mN/m, ρ = 1.0 g/cm3。
解答
The liquid will rise to a height h given by: h=frac{2Ttext{cos}theta }{rathyrho g}
The Newton is defined as a kg m/s2, so the provided surface tension is equivalent to 0.07199 kg/s2.The liquid will rise to a height h given by: h=frac{¥times}[1]θ{¥2}
Check Your Learning
ガラス管の中で水が8.4cmの高さまで上がっている。 毛細管の直径は何cmですか？
毛細管の生物学的応用
図7. 血液は毛細管現象によって細いガラス管に吸い上げられ、医学的分析のために採取される。 (出典: Centers for Disease Control and Preventionの作品を改変)
多くの医療検査では、例えば糖尿病の人のブドウ糖の量やスポーツ選手のヘマトクリット値を調べるために、少量の血液を採取することが必要とされます。 図7に示すように、毛細管現象（液体が重力に逆らって細い管の中を流れる現象）により、この処置は容易に行うことができる。 指を刺すと、血液の滴ができ、表面張力（滴の表面における不均衡な分子間引力）によってまとまる。 次に、直径の細いガラス管の開放端が血液滴に触れると、血液中の分子とガラス表面の分子との間の接着力によって、血液はガラス管の上に引き寄せられる。 血液がどこまで上昇するかは、管の直径（と液体の種類）によって決まる。 小さな管は、一定の血液量に対して相対的に大きな表面積を持つため、より大きな（相対的な）引力が生じ、血液を管の上方まで引き上げることができる。 液体自体はそれ自身の凝集力によって保持されている。
Key Concepts and Summary
液体状態の分子間の分子間力は、その化学的同一性によって異なり、その結果、さまざまな物理特性が変化することになります。 液体の粘性（流れに対する抵抗）や表面張力（液体表面の弾性）は、同種の分子間の凝集力によってもたらされる。 また、液体の分子と、その液体に接する表面を構成する異なる分子との間の接着力は、表面の濡れや毛細管上昇などの現象に関与している。
Key Equations
- h=frac{2Text{cos}theta }{rathyrho g}
化学 終章演習
- ここに示した試験管には、指定されたモーターオイルが等量入っています。
- 鉄は水より密度が高いのに、静水面に注意深く縦に置いた鉄針やペーパークリップを浮かせることができます。
- Diethyl ether, acetone, ethanol, ethylene glycolの表面張力と粘性値を示します。 最初の行はヘッダー行で、各列にラベルを付けています。
- 粘度の違いを分子のサイズと形状およびIMFの観点から説明してください。
- 表面張力の違いを分子のサイズと形状およびIMFの観点から説明してください。
- ゆっくり起こるプロセスを表現するのに「冬の糖蜜より遅い」という比喩を使った人を聞いたことがあるかもしれません。 なぜこれが適切な慣用句なのか、分子のサイズと形、分子の相互作用、温度変化の影響の概念を用いて説明してください。
- 特に冬の寒い日には、運転前に車のエンジンを空運転して暖めることがよく推奨されています。 長時間のアイドリングの利点は疑わしいですが、暖かいエンジンは冷たいエンジンより燃費が良いことは確かです。 その理由を説明しなさい。
- いくつかの異なる温度における水の表面張力と粘度をこの表に示す。
水 表面張力 (mN/m) 粘度 (mPa s) 0℃ 75.6 1.0
1.79 20 °c 72.8 1.00 60 °c 66.2 0.00 1.47 100 ℃ 58.9 0.28 - 温度が上がると、水の表面張力がどうなるのか？ なぜそうなるのか、分子間相互作用と温度変化の影響の観点から説明してください。
- 温度が上がると、水の粘性はどうなりますか。
- 25℃のとき、内径0.63mmのガラス毛細管で水は何mまで上昇するか？ 必要な情報は例題10.4を参照してください。
- ガラス製の毛細管で水が17cmの高さまで上昇する。 毛細管の直径は何cmか。
選択回答
2. 水の分子には強い分子間力（水素結合力）がある。 そのため、水分子は互いに強く引き合い、比較的大きな表面張力を発揮して、その表面に一種の「皮膚」を形成している。
4.温度は分子間力に影響を与える：温度が高いほど、分子の運動エネルギーが大きくなり、分子間力に打ち勝つ程度が大きくなるので、液体はより流動的に（粘性が低く）なり、温度が低いほど、分子間力は小さくなるので、液体は粘性が低くなります。
6. (a)水が高温になると、分子の運動エネルギーの増大が水素結合に打ち勝つのに有効であるため、表面張力が低下する。 表面張力と分子間力は直接関係しています。
(b) 粘度も表面張力と同じ傾向があり、同じ理由です。
8. 今回は、h = 17 cm = 0.17 mが与えられているので、rを解きます。
br>
0.17 text=m}=frac{2}left(0.0799{\text{kg/s}}^{2}\right)}{r\left(1000{\text{kg/m}}^{2}\right)\left({\text{9.8 m/s}}^{2}\right)}\\ r=9.5times {10}^{-)5}text{m}end{array}
用語集
adhesive force
forces of attraction between molecules of different chemical identities
capillary action
flow of liquid within a pousousities
凝集力
同一分子間の引力
表面張力
面積を広げるのに必要なエネルギー。
viscosity
measure of a liquid’s resistance to flow