표면 자유 에너지에 대해서

표면 자유 에너지에 대해서

액체에 분자간력에 의한 표면장력이 존재하듯이, 고체에도 분자간력에 의해 그 표면적을 작게 하려는 힘이 존재하고 있습니다.이 고체에 작용하는 표면 장력을 "표면 자유 에너지(Surface Free Energy, SFE)"라고 부릅니다.

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표면자유에너지의 단위는 표면장력과 마찬가지로 [mN/m](또는 [mJ/m2])로 나타나며 값의 대소는 그 고체가 갖는 다른 액체나 고체에 대한 젖기 쉬움을 의미합니다.간단한 이미지로 '고체의 표면 자유 에너지가 작다=액체가 잘 젖지 않는다', '고체의 표면 자유 에너지가 크다=액체가 쉽게 젖는다'고 생각할 수 있습니다.가까운 예를 들면, 매우 낮은 표면 자유 에너지를 가지는 불소 수지(PTFE 등)를 프라이팬에 코팅하여 오염이 쉽게 부착되지 않는 가공이 이루어지고 있습니다.

표면 자유 에너지는 표면 장력과 마찬가지로 고체가 갖는 분자간 힘의 성분 합으로 구성됩니다.

분자간 힘은 분산력, 배향력, 유기력, 수소 결합력으로 분류되며 각각 분산 성분, 극성 성분, 유기 성분, 수소 결합 성분으로 표면 자유 에너지를 구성합니다.

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분산력 분산 성분(dispersion, σd) 모든 분자간에 발생하는 순간적인 전하의 치우침에 의해 발생하는 힘.

배향력 극성 성분(polar, σp) 극성 분자간에 발생하는 전하의 편중으로 인해 발생하는 힘.

유기력 유기 성분(induction, σi) 극성 분자가 무극성 분자에 쌍극자를 유발함으로써 생기는 힘.

수소 결합 수소 결합 성분(hydrogen, σh) 전기 음성도가 큰 원자가 극성이 강한 수소 원자를 끌어당기는 힘.

O-H나 F-H 등.

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이들 성분 중 유기성분은 매우 약하다는 점에서 무시할 수 있으며 수소 결합성분은 종종 극성 성분 내에 정리됩니다.

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아래는 액체이지만 몇 가지 시약의 표면장력과 그것을 구성하는 분산성분과 극성성성분을 기재한 것입니다.

※문헌에 따라 다릅니다.

물:표면장력72.8mN/m(분산성분21.8mN/m+극성성분51.0mN/m)

포름아미드: 표면장력 58.2mN/m(분산성분 39.5mN/m+극성성 18.7mN/m)

이요오드메탄:표면장력50.8mN/m(분산성분50.8mN/m+극성성분0mN/m)

n-헥사데칸: 표면장력 27.6mN/m(분산성분 27.6mN/m+극성성분 0mN/m)

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왜 표면 자유 에너지를 평가하는가?

젖은 성을 정량화할 수 있는 접촉각인데 Young의 식이 보여주듯이 그 값은 "액체의 표면장력, 고체의 표면자유에너지, 액체와 고체의 계면장력"에 의해 결정됩니다.즉, 액체와 고체의 단독 젖음 뿐만 아니라 액체와 고체의 궁합에 따라서도 영향을 받습니다.

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예를 들면 표면장력이 높은(잘 젖지 않아야 할) 액체인 물의 접촉각이 50°로 높은 젖음을 나타내는 어떤 고체에 대해서 표면장력이 낮은(젖어 퍼지기 쉬운) 액체인 기름의 접촉각이 100°로 낮은 젖음을 나타내는 경우가 있습니다.이것은, 그 고체표면이, 극성성성분이 많이 포함되는 물과는 친숙해지기 쉽고, 분산성분이 많이 포함되는 기름과는 친숙하지 않은 성질을 가지고 있는 것이 이유입니다.

표면장력도 표면자유에너지도 분산성분과 극성 성분으로 분리할 수 있는데 이들 성분의 비율이 가까울수록 고체/액체간의 계면장력이 낮아지는(익숙해지는) 것으로 알려져 있습니다.

 

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