표면 자유 에너지(surface free energy)와 표면 장력

표면 자유 에너지(surface free energy)와 표면 장력

 

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표면 자유 에너지(ΔG)의 정성적인 얘기부터 하자.

 

내가 얼음 덩어리를 망치로 내려쳤을 때, 어떤 변화가 생겼는지 살펴보자.

① 얼음은 잘게 부셔진다 → 새로운 표면 생성

② 새로이 생성된 표면에 노출된 물 분자는 기존 수소 결합이 끊어졌다.

③ 표면 물 분자는 불안정해진다. 즉, 에너지가 증가한다. Why?

원자 + 원자 → 분자, 즉 화학 결합이 일어나는 이유? 안정해지기 때문에.

④ 증가한 에너지 = 표면 자유 에너지

⑤ 즉, 내가 망치로 가한 에너지가 새로 생성된 면의 표면 자유 에너지로 전환되었다.

 

 

 

 

고체 덩어리를 녹색 선을 따라 절단하면, 노출된 표면에 위치한 원자는 덩어리 내부에 있을 때보다 주변 원자와 결합하고 있는 원자 수가 감소한다(6개에서 4개로).

위 그림을 보면, 2개 결합이 끊어졌는데, 이만큼 표면에 위치한 원자는 불안정해졌다.

 

 

원자와 원자가 서로 결합한 상태가 안정한 상태인데,

표면에 존재하는 원자는, 내부에 존재하는 원자에 비해,
결합을 최대로(충분히) 못하고 있기 때문에 불안정한 것이다.

 

 

 

표면자유에너지의 정량적인 표현

 

 

 

 

 

그럼, 이제 표면 장력에 대해 알아보자.

 

위에 나타낸 그림이 고체 덩어리가 아니라 물이라 생각하고, 원으로 나타낸 원자가 물 분자라고 생각해보자.

내부에 있는 물 분자는 주변 6개 물 분자와 상호작용(수소 결합)하여 안정한 반면, 표면에 있는 물 분자는 4개 물 분자와 상호작용하여 상대적으로 불안정하다.

(물론 공기 중의 질소, 산소 등 기체 분자와 상호작용이 가능하지만, 매우 약해서 무시한다.)

즉, 표면에 있는 물 분자들은 불안정한 만큼 높은 표면 자유 에너지를 갖고 있는데, 세상 만물은, 즉 자연은 불안정한 상태를 해소하려는 경향을 갖고 있다.

 

 

여기서, 표면 자유 에너지 식을 보면,

 

 

면적이 줄어들면, 표면 자유 에너지도 줄어들겠다.

 

 

이 때문에 액체 표면은 항상 최소의 표면적을 가지려고 하는데, 이와 같이 액체가 최소 표면을 가지려고 하는 힘을 표면장력이라고 한다. 이러한 액체 표면에서의 장력은 액체와 액체간의 계면에서도 존재하며, 이 경우에는 계면장력이라고 한다.

 

 

 

 

[다른 설명] 아래 그림은 수용액 내부 및 표면에서 물 분자간의 인력을 표시한 것으로, 내부에 있는 물 분자는 사방의 물 분자로부터 동등한 인력을 받아 균형이 잡혀 있으나, 표면에 있는 물 분자는 액체 내부에 있는 물 분자의 인력만을 받으므로 항상 내부로 끌리고 있기 때문에 물 분자끼리 뭉치려고 하는 힘이 생긴다.