모세관 현상(Capillary action) 이란?

 

1. 모세관 현상 (Capillary action) 이란?

 

먼저 매우 작은 직경 튜브를 모세관이라고 한다. 이러한 유리 모세관을 액체에 담그면 관을 따라 액체가 스며들게 된다. 모세관 내 액체는 모세관 외부의 액체보다 높아질 수도 있고, 반대로 낮아질 수도 있는데 이러한 현상을 모세관 현상이라고 한다. 이는 액체의 표면장력과 관의 벽과의 부착력이 이러한 이유를 만드는 역할을 한다.

 

모세관 현상은 외부의 힘(예: 중력)에 반하여 어떠한 도움도 없이 좁은 공간에서 액체가 흐를 수 있는 능력이며, 나무가 뿌리에서 흡수한 수분을 위로 끌어올리는 것도 같은 원리이다.

 

 

2. 표면장력(surface tension) 이란?

 

모세관 현상의 예시를 알아보기에 앞서 표면장력을 이해해보자.

 

표면장력이란 액체의 표면이 스스로 수축하여 면적을 최소화하려는 힘을 의미하며 계면 장력의 일종이다. 소금쟁이가 물 위를 떠다니는 현상, 조그마한 물건들이 물에 뜨는 현상, 물방울이 둥근 모양, 물이 가득찬 유리컵에 클립이나 동전을 넣어도 물이 쉽게 넘치지 않는 것들을 표면장력으로 설명할 수 있다.

 

표면장력 예시 (surface tension)

 

표면장력이 발생하는 이유에 대해 물을 예시로 들어보자.

 

물 분자는 주위의 다른 물 분자들과 서로 잡아당기는 인력인 '응집력'이 작용한다. 액체 내부에 있는 물 분자들의 경우 모든 방향에서 서로 균등한 힘(수소결합으로 인한 인력)이 작용하므로 안정이 되어 있다. 반면에 공기와 접촉된 액체 표면에 있는 물 분자들의 경우 표면 아래에서는 응집력이 작용하지만, 공기 방향에서는 그런 힘을 기대할 수 없다.

 

때문에 표면에 노출된 물 분자들은 액체 내부에 있는 다른 물 분자들에 비해서 상대적으로 덜 안정되어 있다. 따라서 분자 사이에 작용하는 인력에 따라 분자가 서로 접촉하여 응축하려고 하며, 이 결과 표면적이 최소로 되는 원모양이 되려고 한다.즉 응집력을 최대로 하기 위해 경계면의 넓이를 최소화하려는 성질을 지니게 되는 것이다.

 

 

Surface tension (google image)

 

또한, 표면장력은 온도가 오르면 낮아지게 되는데, 이는 온도가 오르면 분자 운동이 활발해져 응집력이 약해지기 때문이다.

 

 

 

3. 물과 수은의 모세관 현상

 

모세관 현상의 대표적인 예시로 물과 수은을 나타내는데 이 둘의 차이점을 알아보자.

 

물과 수은의 모세관 현상 (google image)

 

물에 담긴 모세관 내 액체는 외부 액체보다 높고, 수은에 담긴 모세관 내 액체는 외부 액체보다 낮다.

 

물의 경우 유리 모세관과 서로 극성이고 수소 결합까지 가능하여 더욱 부착력이 좋아  모양은 오목해지고 그 높이는 모세관 바깥쪽보다 위로 올라가게 된다.

 

반면에 수은은 극성이 강하지도 않고 수소 결합도 불가하다. 그리고 가장 무거운 액체금속인 수은은 금속결합을 하고 있기에 분자 간 인력이 물의 수소결합보다 훨씬 더 강하다. 그렇기에 수은의 액체면은 볼록하게되고 외부보다 아래로 내려간다.

 

Bonding Energy

 

 

* 참조 : 메니스커스 현상이란?

 

메니스커스 현상이란 모세관 속에 있는 액체의 표면이 표면장력에 의해 주위가 중앙에 비해 볼록하거나 오목한 곡면을 형성한 모습을 의미한다. 

 

메니스커스 현상에 관여하는 특성은 세 가지로, 액체의 비중 및 응집력과 액체와 용기의 친화성이다. 액체의 비중과 응집력이 벽과의 친화력보다 크다면 위로 볼록한 형태가 되고 반대로 작다면 아래로 볼록한 형태가 된다. 둘이 비슷하거나 아예 없는 수준이라면 메니스커스 현상은 관찰되기 어렵다.

 

 뷰렛, 피펫, 메스 실린더, 부피 플라스크 등의 용기의 눈금을 읽을 때는 무조건 이 곡면 형태의 볼록한 부분의 최상단부 또는 오목한 부분의 최하단부를 읽는 것이 원칙이다.