1. 표면장력
물을 포함한 액체 상태의 물질들은 수 많은 분자들로 구성되어 있다. 액체 내의 분자들은 매우 인접해있어서 서로 밀고 당기는 힘이 작용하게 된다. 그에 반해 기체 상태의 물질은 분자 간의 힘이 액체 상태의 분자보다 작고, 고체 상태의 분자간의 힘은 액체 상태의 분자 간의 힘보다 크다. 그 이유는 고체 분자들이 액체 분자들보다 더 밀집되어 있기 때문이다.
액체는 담겨지는 용기의 모양에 따라 모습이 달라지는 특성이 있다. 그런데 액체 내의 분자들은 위치에 따라 분자들이 갖는 에너지나 환경이 각기 다르다. 즉 액체 내에 있는 분자들의 에너지와 액체 표면으로 노출되어 기처 또는 고체와 접촉하는 분자들의 에너지는 다르다는 것이다. 이런 특성으로 인해 액체는 액체만의 독특한 성질을 띄게 된다.
예를 들자면 물 방울이 공기에 노출되어 공기와 접촉하는 물 분자의 에너지와 물 방울 내부에 있어서 물 분자로 둘러싸인 물 분자의 에너지는 다르다. 같은 물 분자로 둘러싸여 있는 액체 내부에 있는 물 분자들은 모든 방향에 서로 동일한 인력이 작용하여 안정적인 상태로 존재한다. 하지만 공기와 접촉된 액체 표면의 물 분자들은 액체 내부에서 같은 분자들이 당기는 힘은 변함이 없지만, 공기 방향에서는 그러한 힘이 작용하지 않는다.
즉 표면에 노출된 물 분자들은 물 내부에서 당겨서 발생되는 액체가 압축되려는 힘과 그것에 반응하여 더이상 압축되지 않으려는 힘이 균형을 이룰때 안정적인 상태로 존재하게 된다. 그러므로 표면에 노출된 물 분자들은 액체 내부에 있는 다른 물 분자들에 비해 상대적으로 덜 안정적인 상태이다. 따라서 물 방울은 공기와 접촉된 물 방울 표면에 가급적이면 물 분자를 최소로 노출시켜야 최대한 안정적인 상태를 유지할 수 있다. 동일한 부피의 액체이면서 표면적이 최소로 되는 구조는 바로 구의 형태이다. 따라서 물 방울이 구 모양을 유지하는 것은 기체와 접촉되는 물 분자의 수를 최소화 하려는 자연스러운 현상인 것이다.
이처럼 액체 분자들의 인력으로 형성되는 가상의 액체 표면은 탄성 막처럼 다룰 수 있다. 결국 표면장력은 동일한 분자 간의 인력인 액체 응집력이 표면에서 발휘되는 힘이다. 많은 액체 중에서도 물의 표면장력이 큰 것은 액체 상태에 있는 물 분자간의 인력이 크기 때문이며, 이것이 바로 물의 수소결합의 원인이다.
실온에서 액체로 존재하는 금속인 수은은 물보다 큰 표면장력을 가지고 있다. 수은의 금속결합은 물의 수소결합보다 훨씬 더 강하여 수은의 표면장력은 당연히 물의 표면장력보다 클 수 밖에 없어, 물이 구의 모양을 유지하려는 성질보다 수은이 구의 모양을 유지하려는 성질이 더 크다.
2. 표면장력의 변화와 크기
액체 분자의 인력으로 인해 생성된 액체 표면 막을 깨뜨리기 위해서는 힘이 필요하다. 또한 액체 분자 간의 응집력을 극복하면서 액체막의 표면을 증대시키는 것 역시 에너지가 필요하다. 따라서 표면장력은 힘 또는 에너지 단위로 표현된다. 액체 분자간의 응집력은 액체의 종류에 따라 다르며, 같은 종류의 분자간의 응집력도 온도나 다른 변수에 의해 달라진다. 그리하여 액체의 표면장력은 액체의 종류, 온도, 순도에 따라 달라진다. 물 또는 수은과 같이 액체 분자간 끄는 힘이 큰 액체의 가상적인 표면 막을 깨뜨릴때 또는 막의 표면적을 확장할 때는 다른 액체보다 더 많은 힘과 에너지가 요구된다.
표면장력의 크기는 액체 표면 막을 단위길이만큼 찢는데 필요한 힘 또는 액체 표면 막을 단위 면적만큼 확장하는데 필요한 에너지로 표현할 수 있다. 힘을 나타내는 뉴턴과 에너지를 나타내는 줄 사이에는 N=joule/m 관계이므로 표면장력의 크기를 어떠한 단위로 나타내도 결과값은 동일하다. 힘의 단위를 다인으로, 길이 단위를 cm 로 바꾸어 사용하면, 표면장력의 크기는 dyne/cm로 표현할 수 있고, 실험실에서도 통상적으로 dyne/cm 단위를 사용한다.
물의 표면장력이 100도에서는 약 59 dyne/cm로 감소한 것은 액체 분자들의 활발한 움직임으로 인해 분자 간의 인력이 감소하기 때문이다. 한편 오목한 유리 접시에 놓아진 수은 방울의 규칙적인 움직임은 마치 심장이 뛰는 것과 흡사하여 수은 박동 심장이라고 부른다. 이러한 현상은 수은의 표면장력이 시간에 따라 변화하기 때문에 생겨난 현상이다.
3. 표면장력의 변화와 계면활성제
물의 표면장력은 물의 온도가 증가하거나 물의 표면으로 모이는 성질이 있는 분자들을 첨가하면 감속하게 된다. 물의 표면장력을 감소시키는 대표적 물질로 비누와 같은 세제를 예로 들수 있다. 비누가 녹은 수용액의 표면장력은 순수한 물보다 훨씬 작다. 이처럼 액체의 표면장력에 변화를 줄 수 있는 물질을 계면활성제라고 부른다. 계면이란 동일한 상 혹은 다른 상이 접촉되어 형성되는 면인데, 계면활성제는 액체 내의 분자 간에 작용하는 응집력에 변화를 주고, 액체와 접촉되어 형성되는 액체-액체 간, 액체-고체 간, 액체-기체간의 계면성질에 변화를 가져오는 물질이다.
기본적으로는 액체 표면장력의 변화를 가져오지만, 결국에는 액체가 접촉될 때 생성되는 계면의 특성도 변화를 일으키기 때문에 붙여진 이름이다. 고체 표면의 변화를 유도하거나 또는 액체 표면 장력의 변화를 주면 액체와 접촉하는 계면의 특성도 자연적으로 변화하게 된다. 세제를 쓰면 찌든 때가 잘 빠지는 것 역시 이러한 표면장력의 감소를 활용한 사례이다.
4.물의 표면장력
물은 다른 액체에 비해 표면장력이 매우 커서 여러가지 현상을 보이게 된다. 컵에 물을 가득 채우고 페이퍼 클립을 수면 위에 놓아도 클립은 가라앉지 않고 떠있고, 소금쟁이는 수면 위를 미끄러지듯 뛰어 다닌다. 이러한 현상은 클립과 소금쟁이의 무게를 떠 받치는 힘이 물 내부에서 작용하는 것이며, 육안으로는 보이지 않지만 물 분자들의 인력인 표면장력 때문에 가능한 현상이다.
기름이 남아있는 유리에 물을 뿌리면 물은 구의 모양을 유지한다. 그것은 기름과 물이 서로 섞이지 않고, 물의 표면장력이 유지되기 때문이다. 반대로 유리 표면이 깨끗할 경우에는 물은 넓게 퍼져 얇은 막이 형성된다. 이것은 유리 표면과 물 분자 간의 상호작용인 접착력이 물의 표면장력보다 더 크게 작용하기 때문이다.
한편 물을 싫어하는 성질을 가진 소수성 고분자로 옷감의 표면을 코팅하면, 방수기능을 갖춘 소재를 만들어 낼 수 있다. 소수성 고분자 표면에서는 물과의 상호작용이 없어 물은 그러 옷감 위에서는 구 모양을 유지할 것이므로, 스며들지 않고 흘러내리게 되는 것이다.
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