界面活性剤や高濃度のタンパク質を含む水溶液をプラスチックシャーレ等に滴下すると、その水滴の形状がコロンとせずに「ネロッ」と若干広がったような感じになりますよね。この現象は水溶液の表面張力の低下が原因ですよね?では、上記の水溶液を撹拌すると泡立ちますが、この泡立ちも「水溶液の表面張力の低下」と関係があるのでしょうか。かなり素人的な質問ですみません。

A 回答 (3件)

気泡を構成する場合にも、もちろん表面張力は関係します。

と言うよりもむしろこの場合のほうが表面張力の影響を大きく受けているのではないでしょうか?気泡を構成する液体の代表としてシャボン玉を取り上げてみると、シャボン玉を更生する面(多数の気泡が多なりあった場合にできる不思議な形状を含める)は同じ容積の気体を内包する最小の表面積で構成される形になっていることでも理解できるでしょう。幕を構成する流体のもつ表面張力で気体を封じこめるとき、張力によりできるだけ膜は縮まろうとするので容積が同じであれば最小の表面積を持った状態を取ることになります。

むしろ、シャーレと溶液の用に異なった物質の間では、物質同士の親・疎の問題(フッ素樹脂加工のフライパンの上では油脂や蛋白質溶液でも球形にはじかれます)絡み表面張力のみの問題以上に複雑な問題があると思います。

この回答への補足

素人的質問にも関わらず回答を有難うございます。ついでにもう1つ素人の質問にお付き合いください。

>幕を構成する流体のもつ表面張力で気体を封じこめるとき、張力によりできるだけ膜は縮まろうとするので容積が同じであれば最小の表面積を持った状態を取ることになります。

ということは、界面活性剤が入っていない水(純水としましょう)だと表面張力が強いので、「縮まろう、縮まろう」として、結局シャボン玉のような発泡ができない、という解釈でOKでしょうか?

補足日時:2001/12/10 10:01
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前半部分、「ネロッ」となって、すぐに水滴らしい形に纏まらないのは、粘性のためだと思われます。

暫く待てば落ち着くはず。

 落ち着いたあとの話ですけれど、シャーレの底と液滴の縁の部分がなす角度(接触角)が、「シャーレがその液体にどれぐらい濡れやすいか」を示す指標となります。これは液滴の大きさに依存しません。表面張力が小さいほど、平べったく広がりますが、これと接触角とは直接の関係はないと思います。
 たとえば同じ水を垂らしても、ガラスとテフロンでは接触角が全然違います。ころころになるかどうかは、表面張力だけでは説明できません。

 さらに、高分子を高濃度で含む液滴の場合には、非ニュートン性という性質が現れます。つまり、液滴の内部応力に依存して、その粘性が変化するんです。「スライム」だとか卵の白身を泡立てた物なんかが、非ニュートン性流体の例です。
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この回答へのお礼

レスを有難うございます。
ということは、、、タンパク質とかDNAの高濃度溶液が界面活性剤の水溶液みたいに泡だったりネロッとしたりするのは、見かけは似てても、界面活性剤の場合とは事情が大分違うのですね。。。

お礼日時:2001/12/11 09:04

表面張力=分子間力ですから、表面張力が大きいほど、泡の形成は


困難となり、割れてしまいます。逆に表面張力の小さな溶液の膜は、
ちじまることもなく、そのままの形状、又は風に吹かれて表面積を
大きくすることも可能になります。

固体表面と、液体の関係は、固体表面の表面張力より液体のそれが
大きいと、液体は丸くコロコロとなります。例えば、床に落とした
水銀のように。つまり、固体面ー液体の相対的な問題です。
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この回答へのお礼

レス有難うございます。

>固体表面と、液体の関係は、固体表面の表面張力より液体のそれが
大きいと、液体は丸くコロコロとなります。例えば、床に落とした
水銀のように。つまり、固体面ー液体の相対的な問題です。

なるほど。と言うことは、同じ固体表面を使えば、それをある種の基準として各種液体の表面張力の強さを類推できるわけですね。

お礼日時:2001/12/11 08:55

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>ある材料中に気泡ができた場合、気泡内圧Pと気泡半径Rと表面エネルギーγの間にはP=2γ/Rという関係式があると言われています。

表面張力γに対し、気泡の力の釣り合いから求められる式です。

「表面張力」の定義は、表面に働く張力で、表面上の線分単位長さあたりに働く力で表されます。単位はN/mです。
「表面エネルギー」の定義は、表面を生成するのに必要なエネルギーで、単位表面積あたりのエネルギーで表されます。単位はJ/m^2です。

両者は、元来、別の概念として定義されたものです。しかしながら、値として同じものになることが簡単に証明されます。単位もJ=Nmですから、同じになります。
したがって、実使用の場では、両者はほぼ同義の言葉として用いられます。また、表面エネルギーの測定においても、液体の接触角から表面張力の関係式を使って値が導かれます。

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>この表面エネルギーですが、ヤング率などの弾性定数との関係式のようなものは無いのでしょうか。

本題の質問ですが、表面エネルギーも弾性的な定数も、その起源は原子間の結合力にあります。よって、関係式のようなものはあります。しかしながら、あまり実用的ではありません。理想的な表面ならば理論式とよく合うはずですが、表面に関わる現象はさまざまな要因が効いていて、理論式がなかなか合わないためです。
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>ある材料中に気泡ができた場合、気泡内圧Pと気泡半径Rと表面エネルギーγの間にはP=2γ/Rという関係式があると言われています。

表面張力γに対し、気泡の力の釣り合いから求められる式です。

「表面張力」の定義は、表面に働く張力で、表面上の線分単位長さあたりに働く力で表されます。単位はN/mです。
「表面エネルギー」の定義は、表面を生成するのに必要なエネルギーで、単位表面積あたりのエネルギーで表されます。単位はJ/m^2です。

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まず質問者さんの式の問題ですが、F=σcosθ*2πrとあります。(すみませんが表面張力をσと書く例が多いのでσと書かせてもらいます。)これが言わば壁が水を引っ張り上げる力であるのはその通りです。元は単位長さ当りでσcosθの力で引っ張りますからこれを円周全体で合計して2πrσcosθが全体の引っ張る力です。これに対して抵抗する力があるからメニスカスが留まります。それは内外の圧力差です。内外の圧力差をΔPとすれば、それに断面積をかけた値、πr^2ΔPがこれにあたります。
すなわち
πr^2ΔP=2πrσcosθ
が力の釣り合いです。これより
ΔP=(2σ/r)cosθ
を得ます。これが半径rの毛細管の力の釣り合いですが、これはまさにラプラスの式、即ちΔP=2σ/Rです。曲率半径がRの円を、壁面との接触角θとなるように描いて見て下さい。文章で書くと却ってわかりにくいので書きませんが、Rcosθ=r、つまりcosθ/r=1/Rなることはご理解頂けると思います。ですから質問者さんの書かれた式とラプラスの式は当然結びついています。
そしてコーンについてこれと同様の計算をすれば、頂点から底面へ向かう方向についての力の釣り合いが
ΔP=(2σ/r)cos(θ-φ)
ですし、底面から頂点へ向かう方向の力の釣り合いが
ΔP=(2σ/r)cos(θ+φ)
となるということです。コーンの壁面に接触角θで交わる曲率半径rの球面(図で考察するなら円)を描いている頂ければご理解できると思います。
頂点側も底面側も大気圧でしたら、水側はそれよりも低い圧ですが、その圧が、コーンの頂点側と底面側で違っていては力の釣り合いが取れません。
もし取れるとしたならば、No3の回答で書きましたが(そこでまたσを書き忘れていました)、
頂点側から押す力;f1=2πσR1cos(θ-φ)
底面側から押す力;f2=2πσR2cos(θ+φ)
が等しくなる条件
R1cos(θ-φ)=R2cos(θ+φ)
のところです。ものによってはこれで釣り合って止まる場合がありえます。しかし、容易に分かるようにたとえば壁が圧倒的に親水性でθがゼロならば、cos(-φ)=cosφですから、テーパでR1<R2ですからf1<f2となります。こうなると径の小さい方へ水は押されます。そして接触角が大きくなったような状態でかろうじて力の釣り合いが取れる筈です。
血流や木の水については素人ですのでなんとも申せませんが、血液は心臓のポンプの役割が大きいかとも思います。木については、水が毛細管上昇で上れる高さは管の太さが一定ならばNo4さんの回答の通りです。管が細ければいくらでも高く上がれる式ですが、表面張力が使われる式ですので分子レベルの大きさの管に適用するは無理があると思います。また木の中の水の上昇の説明が毛細管現象が本質とされているのかどうか(たとえば浸透圧などはどう考えるのか)などは全く存じません。生物のご専門の方に聞かれた方がよいかと思います。

まず質問者さんの式の問題ですが、F=σcosθ*2πrとあります。(すみませんが表面張力をσと書く例が多いのでσと書かせてもらいます。)これが言わば壁が水を引っ張り上げる力であるのはその通りです。元は単位長さ当りでσcosθの力で引っ張りますからこれを円周全体で合計して2πrσcosθが全体の引っ張る力です。これに対して抵抗する力があるからメニスカスが留まります。それは内外の圧力差です。内外の圧力差をΔPとすれば、それに断面積をかけた値、πr^2ΔPがこれにあたります。
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Q表面張力について

表面張力と泡の関係性について疑問があるので、教えて頂けると助かります。

表面張力が小さいと水溶液中に細かい泡が発生しやすくなると聞きました。
例えば微細気泡の研究などで、
表面張力の高い「水」の中で微細気泡を発生させるよりも
塩を加えて、溶液の表面張力を低くさせると、より微細気泡の発生が
多くなるという結果が出ています。
(ただ、表面張力のみではなく粘性や疎水基などの影響もあるようですが)

そこで質問なのですが、
(1) なぜ、溶液の表面張力が低いほど、(細かい)泡の発生が容易になるのか。
(2) 溶液の表面張力が高い・低いと溶液中の泡に対してどのような影響を及ぼすか。
を教えて頂きたいと思っています。

また、これまでネットや書籍を用いて調べたのですが、中々この回答を見付ける事が出来なかったので
どの様な文献やHPに詳細があるかも教えて頂けると助かります。

質問内容の1つでも回答して頂けると助かります。
説明不足な点もあるかもしれませんが、宜しくお願い致します。

Aベストアンサー

<(細管または細孔からの気体送出による)泡の発生段階>

    .... ←気液界面
   ||
   ||細管

    ↓

    .・・.
   ・. .・ ←気液界面
   ||
   ||細管

  気体の送出により、細管の先端で気泡が膨張
  →気液界面の面積が増加
  =表面張力が抵抗として働く方向

さらに、生じた気泡が細管から離れるには、その接続部分の分だけ表面積が広くなる
必要がありますので、表面張力が小さい方が「泡をつくりやすい(気体を送り出しやすい)
といえると思います。

また、同じ液体の中にある気泡では、泡の直径が大きいほど、表面張力は小さくなった
と思います。
従って、表面張力が大きい液体中に気体を送出した場合、泡の直径が小さいうちは
表面張力が大きすぎて細管から切り離せませんが、そのまま気体の送出を続けて
泡の直径が大きくなると、相対的に表面張力は小さくなっていく(+浮力も増加)ため、
細管から離れられるようになります。
このプロセスにより、「表面張力が大きいほど、大きな泡をつくりやすく、小さい泡は
つくりにくい」ということになるものと推測します。


また、何らかの形で大きな泡を作った場合も、表面張力が大きい方が「泡の分裂」を
しにくい(→中間がくびれた形を経由することになりますが、表面張力が大きいと、
そこから元の球形に戻る力が大きい)ので、「表面張力が大きいと、大きな泡を維持
しやすい」ともいえると思います。

<(細管または細孔からの気体送出による)泡の発生段階>

    .... ←気液界面
   ||
   ||細管

    ↓

    .・・.
   ・. .・ ←気液界面
   ||
   ||細管

  気体の送出により、細管の先端で気泡が膨張
  →気液界面の面積が増加
  =表面張力が抵抗として働く方向

さらに、生じた気泡が細管から離れるには、その接続部分の分だけ表面積が広くなる
必要がありますので、表面張力が小さい方が「泡をつくりやすい(気体を送り出しやすい)
といえると思...続きを読む

Q基板の表面張力に関して

シリコン基板(自然酸化膜が残った状態)とガラス基板の表面張力の値をご存じ方いらっしゃいますか?それらの値が載っているHPでも結構です。宜しくお願い致します。

Aベストアンサー

回答者としては適任ではないと思いますが,私ならということで回答します.
個体の表面張力なら,接触角を利用するのが良いと思います.

接触角とキーワードに調べてみるときっと必要な情報が得られると思います.
以下は参考とうことで示しました.

http://www.pref.hiroshima.lg.jp/www/contents/1190870484258/files/4921.pdf
http://liv.ed.ynu.ac.jp/kaisetsu/effect02.pdf#search='接触角 式 表面張力'


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