소개글
"물-에탄올, 물-벤젠 표면장력 실험"에 대한 내용입니다.
목차
1. 표면장력 이론
1.1. 표면장력의 정의 및 발생 원리
1.2. 표면장력과 분자 간 인력의 관계
1.3. 표면장력과 온도의 관계
2. 표면장력 측정 방법
2.1. 모세관 오름 현상
2.2. 액적법
2.3. 드 누이 측정법
3. 실험 준비
3.1. 실험 시료 및 기구
3.2. 실험 방법
4. 실험 결과 및 분석
4.1. 실험 결과
4.2. 이론값과의 비교
4.3. 오차의 원인 분석
5. 표면장력의 응용 사례
5.1. 모세관 현상의 응용
5.2. 연꽃 잎 효과와 나노기술
6. 에탄올 수용액 제조
6.1. 에탄올과 물의 혼합 이론
6.2. 원하는 조성의 에탄올 용액 제조
6.3. 밀도 측정 및 이론값과의 비교
7. 참고 문헌
본문내용
1. 표면장력 이론
1.1. 표면장력의 정의 및 발생 원리
표면장력의 정의 및 발생 원리는 다음과 같다.
액체의 표면장력은 액체 내부에 존재하는 분자들이 주위의 다른 분자들로부터 같은 방향으로 힘을 받는 반면, 표면에 위치한 분자들은 액체의 바깥쪽으로부터 작용하는 힘이 없어 액체의 내부방향으로 큰 힘을 받게 되는 현상에서 비롯된다. 즉, 표면의 분자들은 내부의 분자에 비해 큰 자유에너지를 가지게 되어, 액체는 될 수 있는 대로 적은 표면적을 가지려는 경향을 보인다. 이 때, 단위면적당 표면자유에너지를 표면장력이라 할 수 있다.
표면장력은 단순히 액체의 자유표면뿐만 아니라 섞이지 않는 액체의 경계면, 고체와 기체, 고체와 고체의 접촉면 등 표면의 변화에 대한 에너지가 존재할 때 보편적으로 생기는 현상이며, 계면장력(界面張力)이라고도 한다. 비눗방울이나 기포 물방울 등이 둥근 모양이 되는 것, 소금쟁이가 물에 뜰 수 있는 것, 용기의 가장자리에 액체가 넘쳐 올라간 모양이 되어 쏟아지지 않는 것도 표면장력 때문이다.
즉, 표면장력은 액체 내부의 분자들이 서로 끌어당기는 힘과 표면의 분자들이 내부로 끌리는 힘의 차이에 의해 발생하는 것으로, 이를 통해 액체가 될 수 있는 한 최소의 표면적을 가지려 하는 현상을 설명할 수 있다.
1.2. 표면장력과 분자 간 인력의 관계
표면장력은 액체의 자유표면에 존재하는 분자들이 내부의 분자들에 비해 큰 자유에너지를 가지게 되는 현상으로부터 발생한다. 액체 내부의 분자들은 주변의 다른 분자들로부터 같은 방향으로 인력을 받지만, 표면에 위치한 분자들은 내부 방향으로만 인력을 받게 되므로 자유에너지가 증가하게 된다. 이에 따라 액체는 표면적을 최소화하려는 경향을 보이게 된다. 따라서 표면장력은 단위 길이당 자유에너지의 변화량으로 정의할 수 있다. 분자 간 인력의 크기에 따라 표면장력의 크기가 달라지며, 분자 간 인력이 클수록 표면장력이 증가한다. 물의 경우 분자 간 수소결합이 강하게 작용하여 다른 액체에 비해 상대적으로 큰 표면장력을 가지게 된다.
1.3. 표면장력과 온도의 관계
표면장력은 온도에 따라 변화한다. 일반적으로 온도가 증가함에 따라 표면장력은 감소하는 경향을 보인다. 이는 분자의 운동 에너지가 증가하여 표면 수축을 일으키는 힘을 능가하기 때문이다.
액체의 표면장력과 온도의 관계는 Ramsay-Shield-Eotvos 식으로 표현할 수 있다. 이 식에 따르면 표면장력(γ)은 분자량(M), 몰부피(v), 온도(t), 임계온도(tc), 실험상수(k)와 실험상수(σ)의 함수로 나타난다.
γ(Mv)^(2/3) = k(tc - t - σ)
여기서 온도가 증가할수록 표면장력이 감소하는 경향이 나타난다. 이는 분자의 운동 에너지 증가로 인해 액체 표면이 수축하려는 힘이 약해지기 때문이다.
액체 분자의 운동 에너지가 증가하면 표면 분자 간 인력이 감소하게 된다. 이에 따라 액체가 표면적을 최소화하려는 경향, 즉 표면장력이 감소하게 되는 것이다.
임계점 근처에서는 잘 정의된 표면이 존재하지 않게 되어 표면장력이 0에 가까워진다. 이는 액체와 기체의 경계가 모호해지기 때문이다.
따라서 표면장력은 온도가 증가할수록 감소하는 경향을 보이며, 임계점 근처에서는 표면장력이 거의 없어지게 된다.
2. 표면장력 측정 방법
2.1. 모세관 오름 현상
모세관 오름 현상이란 아주 가느다란 관을 액체에 넣었을 때 액체와 관 사이의 부착력과 액체 분자 사이의 응집력이 작용하여 액면이 외부보다 높아지거나 낮아지는 현상이다. 모세관에서 올라간 액체 기둥의 높이는 모세관의 굵기가 가늘수록, 액체의 표면장력이 클수록 높아진다.
부착력이 응집력보다 크면 액면이 아래로 오목하게 되고, 응집력이 부착력보다 크면 위로 볼록하게 된다. 이는 액체가 표면적을 최소화하려는 성질 때문이다. 표면장력은 단위 길이당 작용하는 인력으로, 액체가 최소의 표면적을 갖도록 하는 힘이다.
모세관 오름 현상은 표면장력과 관련이 깊다. 액체가 관 내부로 올라가는 높이는 모세관 반경, 액체의 밀도, 중력가속도, 그리고 액체-고체 사이의 접촉각에 따라 달라진다. 모세관 내부의 액체면이 오목하게 되면, 표면장력이 액체를 위로 끌어올리는 힘이 생기게 되고 이에...
참고 자료
물리학백과(한국물리학회)_표면장력, 모세관현상
국가과학기술위원회 – 우리 주변 속 숨은 과학
화공기초실험, 부산대학교 화학공학과
표준일반화학실험(5차개정판), 대한화학회, 2002
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네이버, 벤젠, http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=945087&cid=47337&categoryId=47337, 2015/10/9
네이버, 톨루엔, http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=2314832&cid=42419&categoryId=42419, 2015/10/9
네이버, 메탄올, http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1092795&cid=40942&categoryId=32271
표면장력 http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1158772&cid=40942&categoryId=32227
계면활성제 http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1060824&cid=40942&categoryId=32403
파라핀 코팅된 탄소나노튜브로 인공 연꽃잎 효과, lotus effect(연꽃잎효과) KISTI Nano Weekly / nanowerk.com 2008.07.23.
연꽃잎 나노구조 입자 개발, KAIST 양승만교수 http://www.etnews.com/201003240169,
표면장력 방정식 http://www.surfchem.co.kr/㈜마무텍무역
물리화학 실험 (physical chemistry lab 이학일 등 공저) ,네이버 위키백과
