毛管凝縮が,バルクより低圧で凝集すること,
というのは調べてわかったのですがなぜバルクより低圧で凝集するのかがわかりません.

ネットの説明だと表面張力により蒸気圧が低くても凝集するとあるのですが,表面張力は凝集してから初めて形成されるもので,凝集する理由にはなっていないと思います.わかる方がいたらよろしくお願いします.

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A 回答 (4件)

>つまり,表面で分子レベルで水が凝集しており,毛管レベルのrにな


>るとσ/rの場合のrはものすごく小さく,表面張力が強くなり,その
>結果蒸気圧が下がり,凝集するという理解でいいでしょうか?

ちょっと違います。水の表面張力は変化しません。毛管凝縮は曲がった界面の圧力差により生じます。界面の形状が球面の一部で、水と固体の接触角がθの時
P1-P2=2σcosθ/r...(1)
です。接触角は水滴を固体の上に落としたときの水玉の水面と固体の為す角です。よって接触角が大きいものはぬれないのです。テフロンなどは丸い水滴になり、接触角は90°より大きくむしろ百数十度になります。こんなものは毛管凝縮は起きません。毛管凝縮が起こるためにはθが90°より小さいもので、なるべくゼロに近いものがよいのです。σは水の表面張力、P1は球面の内側、P2は球面の外側です。風船の張力はいわゆる表面張力とは挙動が違いますが、Imageは似ていて、凹側(内側)が圧が高く、凸側(外側)は圧が低くて表面の張力でつりあっています。

さて、気相に蒸気圧(そもそも毛管に凝縮が起こるには、そこに凝縮できる蒸気圧が必要です。)があれば、それに従って固体に物理吸着は起きます。蒸気圧vs吸着量曲線(吸着等温線といいます。)は、飽和蒸気圧下であれば際限なく上がることもありえます。梅雨時に壁がぬれたりしますね。これは吸着が凝縮に進んだものです。
もし管の内側に多分子層吸着が起こると、管の内側に薄い液相ができるのと同じで同時に内径rはじわじわと小さくなります。管の場合圧力差は
ΔP=σcosθ(1/r+1/∞)...(2)
です。(2)に書きましたように、もともと毛管圧は主曲率半径の逆数の和に界面張力を掛けたものです。(2)でrは管の半径、∞と書いたのは管の長さ方向の曲率半径で管がまっすぐならば半径∞です。
勿論程度問題で管の径が太ければ、薄い水の吸着層が出来るだけです。しかし、毛管凝縮レベルのrなら吸着が進むにつれてrは小さくなり、(2)に従ってΔPが大きくなり、さらに凝縮が進み管を水がうずめてしまうのです。

>あと,もうひとつ質問なのですが,物理吸着でwikiを調べてみたらミク
>ロ孔の場合は理解できたのですがメソ孔の場合の気体から液体への相転
>移のところがよくわからないので教えていただけますか?

Wikiの話で申せば、これまで書いてきた毛管凝縮の説明がメソ孔の話です。ここでは、やや粗視的なImageが有効で、(繰り返しになりますが)曲がった界面の両側での圧力差に基づいて議論できます。そして物理吸着が多分子層で進むとき固体表面に付く水が液相的で(凝縮に近い)、吸着する場所が径の小さい毛管内部ならば毛管凝縮に繋がって行きます。
「相転移」ということばをWikiで使っているのは、気相の水が多分子層吸着して吸着層として重なってゆく時、その層が薄層の液体の水に近い、つまり液化しているようなものだ、といっているのです。(気体の水が液体の水になる凝縮は相転移です。)

ミクロ孔は、径が直径が2nmより小さいところです。物理吸着においては分子の大きさは、たとえば水分子なら分子断面積は0.11 nm^2程度、窒素なら分子断面積は0.16 nm^2程度です。したがって、分子径という意味ではおよそ0.3-0.4 nmと評価できます。これが直径2 nmより小さい径に入るのですから、界面とかいう描象は適当ではありません。これは分子と個体表面のあいだの力について別の計算をして決めるもので、分子は固体内の空孔に分子として充填されていくものです。これはいわゆる毛管凝縮ではありませんね。
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この回答へのお礼

丁寧なご回答をありがとうござます.
おかげで理解することができました.

お礼日時:2009/05/27 20:05

>なぜ凝集したものと平衡状態になるのか教えていただけますか?


哲学的な答えになってしまいますが、科学では「可能性のあるもの」は全て起こりうるのです。
その結果エネルギー的に有利な物は安定に存在し、不利な物は時間と共に消失し、充分長い時間の後に到達する「平衡状態」では安定度によって分配されてしまいます。
ある温度におけるボルツマン分布などが良い例です。
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この回答へのお礼

おっしゃっていることの意味はわかりますが,それは毛管凝縮に限らない一般論で,毛管凝縮の場合どういう過程を経て平衡状態にいたるのか具体的に教えていただけますか?

お礼日時:2009/05/27 00:34

物理吸着という現象があります。

van der Waals力などで進行し、多分子層吸着が起こり、これは凝縮に近いものです。
仮に両端が開いた管でも内側に多分子層吸着吸着が進行します。管の半径がrとするとその界面の主曲率半径は、rと∞になります。円筒形に曲がった面に多分子層吸着から凝縮しつつある水側は気相より圧力差、(水の表面張力をσとして)
ΔP=σ(1/r+1/∞)=σ/r
だけ低い圧になります。そして多分子層吸着が進むほどrが小さくなって行きますのでより凝縮がおきやすくなります。これにより管に速やかに水がつまり、今度は両端での主曲率半径は二つともrになり
ΔP=2σ/r(接触角をゼロとしています。)
となってバランスします。
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この回答へのお礼

回答ありがとうございます.
だいぶ理解できました.
つまり,表面で分子レベルで水が凝集しており,毛管レベルのrになるとσ/rの場合のrはものすごく小さく,表面張力が強くなり,その結果蒸気圧が下がり,凝集するという理解でいいでしょうか?


あと,もうひとつ質問なのですが,物理吸着でwikiを調べてみたらミクロ孔の場合は理解できたのですがメソ孔の場合の気体から液体への相転移のところがよくわからないので教えていただけますか?

お礼日時:2009/05/27 01:11

>表面張力は凝集してから初めて形成されるもので


平衡ですからそれで良いんです。
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この回答へのお礼

なぜ凝集したものと平衡状態になるのか教えていただけますか?

お礼日時:2009/05/26 22:02

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Aベストアンサー

毛細管という所から布状・スポンジ状のものだとは思いますが、
対象物の形状・材質や油の種類がどのようなものか分からないので
ジャストアイデアで記載してみます。
ただし、工業製品向けであり食品等にはそのままでは使えません:)

化学的:
・分子量の大きな油脂(染み込ませたい油)を溶剤で希釈して浸透を促進する。
 浸透後溶剤を蒸発分離する。(溶剤は回収再利用。真空加熱分離等)
 石油系、アルコール系のほか塩素化炭化水素系(代替フロン等)などいろいろあります
・浸透促進剤として界面活性剤を添加する。
 ただし溶剤と違って簡単な除去が難しいので残存する界面活性剤による特性変化に注意。
 もっとも一口に界面活性剤といっても多種多様ありますが…
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物理的:
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 浸透時に直接利用するほか、油脂の前処理として利用する方法も考えられます。
・加温加圧噴霧 (おそらく検討済みでしょうが…)

見当違いでしたらすいません :)

毛細管という所から布状・スポンジ状のものだとは思いますが、
対象物の形状・材質や油の種類がどのようなものか分からないので
ジャストアイデアで記載してみます。
ただし、工業製品向けであり食品等にはそのままでは使えません:)

化学的:
・分子量の大きな油脂(染み込ませたい油)を溶剤で希釈して浸透を促進する。
 浸透後溶剤を蒸発分離する。(溶剤は回収再利用。真空加熱分離等)
 石油系、アルコール系のほか塩素化炭化水素系(代替フロン等)などいろいろあります
・浸透促進剤として界面活性...続きを読む

Q界面張力から表面張力を推算する方法

こんばんは.

ちょっとワケあって,各種天然油脂の表面張力の値を知る必要に迫られています.幾つかの油脂については文献やネット検索などで調べられたのですが,スクアレンの表面張力だけが判らずに困っています.

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Aベストアンサー

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No.1のお礼の質問にお答えします。
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Aベストアンサー

>液面の形状と力の釣り合いを教えて下さい

 それでしたら、次の参考URLのページ等に公式が掲載されています。

【参考URL】
 毛細管現象 - Wikipedia
  http://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%AF%9B%E7%B4%B0%E7%AE%A1%E7%8F%BE%E8%B1%A1


h=2×T×cosθ÷(ρ×g×r)

但し、h:液面の上昇高さ[m],T:表面張力[N/m],θ:接触角,ρ:液体の密度[kg/m³],g:重力加速度[m/s²],r:管の内半径[m]

との事です。
 念のために述べておきますと、接触角とは液面と管の内面がなす角度の事です。
 温度や使用する液体、使用する管が変わらなければ、T、ρ、gは、ほぼ一定の値ですので、管の内径が細いほど、接触角θの値が小さいほど、液面は高くまで上がる事になります。
 そして、管の内径が高さに拠らず一定であれば、接触角が0度に近いほど、即ち、液面が管の内壁に平行に近づくほど、液面は高くまで上昇しやすくなりますから、液面は管壁に近くなるほど鉛直方向に立ち上がるのに対し、管の中央部分における液面は水平のままなのですから、管の内径が十分に細ければ、液面は細長いU字形(V字形?)になる訳です。

>液面の形状と力の釣り合いを教えて下さい

 それでしたら、次の参考URLのページ等に公式が掲載されています。

【参考URL】
 毛細管現象 - Wikipedia
  http://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%AF%9B%E7%B4%B0%E7%AE%A1%E7%8F%BE%E8%B1%A1


h=2×T×cosθ÷(ρ×g×r)

但し、h:液面の上昇高さ[m],T:表面張力[N/m],θ:接触角,ρ:液体の密度[kg/m³],g:重力加速度[m/s²],r:管の内半径[m]

との事です。
 念のために述べておきますと、接触角とは液面と管の内面がなす角度の事です。
 温度や使用する液体、使用...続きを読む

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


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