계면
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1. 개요
계면은 상 분리된 두 상의 경계로, 분자간 상호 작용의 차이로 인해 발생한다. 계면 근방의 분자는 자유 에너지가 높아, 이를 줄이기 위해 계면은 최소화하려는 경향을 보이며, 이는 계면 장력으로 나타난다. 표면이 곡률을 가질 경우, 영-라플라스 방정식과 켈빈 방정식으로 에너지 효과를 설명할 수 있다. 표면 완화는 표면 분자의 힘 균형 변화로 인해 발생하는 현상이다. 계면활성제는 계면 자유 에너지를 낮추기 위해 사용되며, 젖음 현상은 고체, 기체, 액체 3상 접촉면에서 발생한다. 모세관 현상은 좁은 관 내 액체 표면의 높이 변화로 나타난다.
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| 계면 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 정의 | 물질의 다른 종류 또는 상태의 부피 사이의 경계 |
| 설명 | 고체-액체 계면 액체-기체 계면 고체-기체 계면 액체-액체 계면 고체-고체 계면 |
| 상세 정보 | |
| 특징 | 표면 장력과 모세관 현상과 같은 표면 효과를 나타냄 물질의 상 변화와 관련된 현상에서 중요한 역할 |
| 응용 분야 | 재료 과학: 재료의 특성 개선 및 새로운 기능 구현 화학: 촉매 반응, 분리 공정 등 생물학: 세포막, 생체 물질 상호 작용 연구 |
| 연구 분야 | 계면 화학 표면 물리 콜로이드 과학 |
| 관련 개념 | |
| 표면 | 기체와 고체 또는 액체 사이의 경계 |
| 계면 활성제 | 표면 장력을 감소시키는 물질 |
| 습윤 | 액체가 고체 표면에 퍼지는 현상 |
2. 계면의 성질
이상 기체처럼 분자 상호 작용(분자간력이나 정전기력 등)이 없어 응축되지 않는 경우에는, 여러 성분을 섞어도 무질서도(엔트로피)가 증대하는 방향으로 자발적으로 변화하여 혼합되어 균일하게 된다. 그러나 분자간 상호 작용이 있고 응축상이 되는 실재 분자에서, 이종 분자간 상호 작용보다 동일종 분자간 상호 작용이 훨씬 강할 때는, 혼합하는 것보다 각각 상 분리하여 동일종끼리의 상호 작용으로 안정화하는 것이 유리하다. 이때 상 분리된 두 상의 경계가 "계면"이다. 예를 들어, 물 분자는 분자간력보다 강한 수소 결합이 작용하고, 기름 분자는 약한 분자간력밖에 작용하지 않으므로 물과 기름은 섞이지 않는다. (다만 초음파 진동 등으로 수소 결합을 끊어 분자 수준에서 균일하게 할 수 있다.)
계면 근방의 분자는 주변을 둘러싼 동일종 분자의 총수가 내부보다 적어 자유 에너지적으로 불리하다.
2. 1. 계면 자유 에너지와 계면 장력
분자 상호 작용(분자간력이나 정전기력 등)이 없고 응축되지 않는 이상 기체와 달리, 실재 분자에서는 동일종 분자간 상호 작용이 이종 분자간 상호 작용보다 훨씬 강할 때 상 분리가 일어난다. 이때 상 분리된 두 상의 경계가 "계면"이다. 예를 들어, 물 분자는 강한 수소 결합을, 기름 분자는 약한 분자간력을 가지므로 서로 섞이지 않는다.계면 근방의 분자는 내부에 비해 동일종 분자와의 상호 작용이 적어 자유 에너지적으로 불리하다. 이러한 과잉의 자유 에너지를 '''계면 자유 에너지'''(interfacial free energy영어)라고 한다. 계면은 이 에너지를 줄이기 위해 가능한 한 작아지려 하는데, 이것이 '''계면 장력'''(interface tension영어)이다. 단위 면적당 계면 자유 에너지를 의미하며, 기체와의 계면에서는 '''표면 장력'''이라고 한다.
표면이 곡률을 가지면, 영-라플라스 방정식이나 증기압에 관한 켈빈 방정식에 의해 표면 에너지 효과가 나타난다.
2. 2. 표면 곡률의 영향
표면이 곡률을 갖는 경우, 그 표면이 갖는 에너지의 효과는 영-라플라스 방정식이나, 증기압에 관한 켈빈 방정식에 의해 나타난다.2. 3. 표면 완화
단일 원소로 구성된 물질의 벌크 내부에서 각 원자 사이에 작용하는 힘과 거리는 완전히 동일하다. 하지만, 쪼개짐 등으로 깔끔하게 정렬된 분자층이 표면에 나타나면, 전방향으로 동일하게 작용하던 힘의 균형이 바뀌어 제2층에 있는 분자가 약간 안쪽으로 이동하고 가장 바깥쪽 층에 있는 분자와의 거리가 벌어진다. 이를 '''표면 완화'''라고 하며, 원래 더 바깥쪽에 있던 분자가 없어짐으로써 2층의 분자가 받는 바깥쪽으로 작용하는 힘이 약해지면서 일어나는 현상이다. 정렬되어 있지 않은 표면에서도 유사한 현상이 일어난다.금속 원자로 구성된 표면 근처에서는 금속 원자끼리 연결하는 자유 전자가 표면에서 내부로 끌려 들어가기 때문에 표면 근처에서 자유 전자의 존재 확률이 낮아진다. 따라서 금속 원자도 끌려가서 약간 내부로 변위된다. 이 때문에 금속 표면 근처의 원자층 간격은 벌크 내부에 비해 작아진다. 표면 완화 및 금속 원자 표면에서의 원자층 간격 축소는 깨끗한 표면에서 일어나는 현상이며, 이러한 표면에 다른 원자나 분자가 부착되면 결과가 달라진다.[2]
3. 계면활성제
계면 자유 에너지는 분자 간 상호 작용에 의한 안정화가 계면 근방에서 저하되기 때문에 발생한다. 이 때문에, 상 분리되는 두 성분의 각각의 화학 구조와 유사한 구조를 하나의 분자 내에 함께 갖는 물질이 계면에 정렬됨으로써, 이 고에너지 상태를 완화할 수 있다. 이러한 물질을 계면활성제라고 한다. 물과 기름처럼 서로 혼합되지 않고 상 분리되는 계에서는 각각 물 및 기름에 친화성이 있는 친수성기와 친유성기를 하나의 분자 내에 함께 갖는, 즉 양친매성 구조를 갖는 것이 계면활성제가 된다.
4. 젖음
젖음 현상은 고체, 기체, 액체 3상이 접하는 곳에서 발생한다.
4. 1. 모세관 현상
모세관 현상 문서를 참고.참조
[1]
논문
Effect of Nanostructures on the Meniscus Shape and Disjoining Pressure of Ultrathin Liquid Film
American Chemical Society (ACS)
2014-11-17
[2]
서적
物理化学
丸善
[3]
서적
したしむ表面物理
朝倉書店
2007-06
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