表面張力とは?原理を子供にもわかりやすく簡単に解説。

はい、どうもこんにちは。cueです。

読者は、「表面張力」という言葉を聞いたことはありますか?

コップに水を入れたとき、満タンになった後、さらに少し水を入れても

あふれずに水面が盛り上がりますよね。

コップの水

それがどうも表面張力と関係があるらしいのですが、表面張力って、

小中学校の義務教育では教わらないので、いまいちどんな現象なのか分かりません。

そこで、今回は、この表面張力の原理を、子供にもわかりやすく簡単に解説していきたいと思います。

それでは、最後までよろしくお願いします。

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表面張力とは?原理を子供にもわかりやすく簡単に解説

表面張力とは

表面張力とは、物質が表面をできるだけ小さくしようとする性質です。

同じ体積あたりの表面積は、球形が最も小さいので、水滴やシャボン玉は丸くなるのです。

この表面張力は、分子間力という力によって起こっています。

水は、水分子という小さなつぶがたくさん集まってできているのですが、

一つの水分子が、磁石のN極とS極のように、+極と-極に分かれています。

ある水分子の+極は近くの水分子の-極と互いに引き合っており、この力を分子間力といいます。

水分子

この分子間力の働きで、表面の水分子は何とか内側にもぐろうとし、その結果、

水滴は小さくまとまって球形に近くなるのです。

表面張力

水の表面張力は、液体の中でも大きいほうなので、コップのふちで盛り上がった水はなかなかこぼれません。

また、温度が上がると、水分子の動きが活発になるので、表面張力は小さくなりますし、

不純物を混ぜることで、表面張力の大きさを変えることもできるのです。

表面張力と濡れ

物に液体をかけると、その物は濡れてしまいますが、この「濡れ」は表面張力と深い関係があります。

物の濡れやすさは、物と液体が作る角度(接触角)で表され、

表面張力が大きい物質ほど、この接触角も大きく濡れにくくなるのです。

接触角

簡単に言うと、物体に液体を垂らしたとき、水滴が小さく盛り上がるのが濡れにくい物質、

水滴が広がったり、染み込んでしまったりするのが濡れやすい物質、ということになります。

物の濡れやすさは、液体の種類や添加物、表面の物質で決まります。

表面張力を大きくして、表面を濡れにくくする撥水加工(はっすいかこう)は、

布張りの傘や競泳水着などに利用されています。

表面張力と界面活性剤

コップの水の水面に平行になるように、1円玉をそっと置くと1円玉を浮かべることができます。

アルミニウムは水の2.7倍の重さがあるので、本来は水に沈むはずですが、

表面張力によって水に浮くのです。

表面張力では、たくさんの水分子が分子間力で結びついているため、ほかの物が中に入り込むのを邪魔するのです。

スクラムを組んだラグビー選手の間に他の人が割り込むことができないようなものです。

ところが、この水に洗剤を垂らすと、すぐに1円玉は沈んでしまいます。

洗剤には、「界面活性剤」と呼ばれるものが含まれていて、界面活性剤は表面張力を弱める働きをするので、

アルミニウムが水の中に入りやすくなるのです。

このような界面活性剤の力で、洗剤は、水と油(皮脂)を混ざりやすくし、汚れを落としているのです。

このほか、界面活性剤は、化粧品が肌になじむように使われていたり、

マヨネーズでは、卵が界面活性剤の役割を果たし、お酢と油が分離しないようにつなぎとめています。

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アメンボはなぜ水に沈まないのか?

水の上をスイスイ~と動くアメンボ。

アメンボがなぜ水に沈まないのか、という秘密も表面張力と関係しています。

水面に浮かんでいるアメンボの足を観察すると、足が水に触れている部分だけ、

水面がへこんでいることが分かります。

実は、アメンボの足には防水性の細かい毛がたくさん生えており、この毛の層が表面張力を高めています。

また、アメンボは足から油を出していて、その油分が水をはじくので、アメンボは一層水に浮きやすくなっているのです。

ハスの葉はなぜ濡れないのか?

私の地元の公園には池があり、ハスが植えてあります。

夏になると、それらがピンク色の花を咲かせ、とても美しいです。

そんなハスの葉を見ていて、私はあることに気づきました。

ハスの葉に降った雨は、すべて丸い水滴になってはじかれ、葉は全く濡れることがないのです。

そこで、「どうしてハスの葉は濡れないのか」という謎について調べてみました。

ハスの葉

ハスの葉が水をはじく秘密は、その表面構造にありました。

ハスの葉の表面には、大きさ10μm(1μmは1mmの1000分の1)ほどの透明な球状の細胞がたくさん並んでいます。

これらの細胞が水滴とピンポイントで接することで、見かけ上の接触角が大きくなるのです。

つまり、平らな面よりも細かいでこぼこがある面の方が濡れにくく(=表面張力が大きく)なり、

これを、ロータス効果と呼びます。

こうして、葉の上で丸い水滴になった雨粒は、葉の上のほこりや汚れを取り込みながら転がり落ち、ハスの自浄作用に役立っているのです。

このロータス効果は、調理器具のしゃもじやフライパンなどに応用されています。

表面にでこぼこ加工をすることで、ご飯や汚れがこびりつかないようにしているのです。

まとめ

いかがでしたでしょうか。

最後に、今回のポイントについてまとめると、

・表面張力とは、表面積を小さくする力で、物質の「分子間力」という力によって起こる。
・物の濡れやすさは接触角で決まる。接触角は、液体の種類や添加物、表面の物質で変化する。
・表面張力により、他の物質は中に入りにくくなる。界面活性剤を使えば、水と油を混ぜることもできる。
・アメンボが水に浮く秘密は足の細かい毛と油にある。
・ハスの葉のように表面をでこぼこにすると濡れにくくなる。これを「ロータス効果」と呼ぶ。

ということでした。

個人的には、長年疑問に思っていたことが理解できてとてもすっきりしました。

読者の方からのコメント、お待ちしております。

どうもありがとうございました!

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