증기압·표면 장력·모세관 현상

가는 유리관을 물에 세우면 관 속의 물이 바깥 수면보다 높이 올라간다. 관이 가늘수록 더 높이 올라간다. 휴지 끝을 물에 대면 물이 휴지를 타고 올라오는 것도 같은 현상이다. 그런데 같은 유리관을 수은에 세우면 거꾸로 관 속의 수은이 바깥보다 낮아진다. 물과 수은은 무엇이 다를까? 그리고 액체의 표면에서는 어떤 힘이 작용할까?

관의 반지름 (mm)

2.4.1표면 장력

액체 속의 분자는 사방의 이웃 분자에게 고르게 끌린다. 그런데 표면의 분자는 위쪽에 이웃이 없어 안쪽으로만 끌린다. 그래서 액체는 표면을 될 수 있는 대로 줄이려 하고, 표면은 팽팽한 막처럼 행동한다. 표면을 단위 길이당 당기는 이 힘을 표면 장력이라 한다. 수소 결합으로 분자끼리 강하게 끌리는 물은 표면 장력이 0.073 N/m로 다른 보통 액체보다 크다. 소금쟁이가 물 위를 걷고, 물방울이 둥근 것도 표면 장력 때문이다.

그림 1에서 관의 반지름을 바꾸어 보자. 물은 유리 표면의 산소 원자와 수소 결합을 만들어, 물끼리보다 유리와 더 잘 붙는다. 그래서 물은 유리 벽을 적시며 위로 굽은 면을 만들고(접촉각 약 0°), 반지름 0.5 mm인 관에서 약 30 mm 올라간다. 수은은 수은끼리의 금속 결합이 유리와의 인력보다 훨씬 강해 유리를 적시지 않고 아래로 굽은 면을 만든다(접촉각 약 140°). 그래서 같은 관에서 약 11 mm 내려간다.¹

2.4.2증기압

분자 사이의 힘은 액체가 얼마나 쉽게 증발하는지도 정한다. 닫힌 그릇에 액체를 넣어 두면, 표면에서 증발하는 분자와 다시 응축하는 분자의 수가 같아지는 동적 평형에 이른다. 이때 증기가 나타내는 압력이 증기압이다. 분자 사이의 힘이 약한 액체일수록 분자가 쉽게 빠져나가 증기압이 높다. 20 °C에서 다이에틸 에테르의 증기압은 약 440 mmHg, 물은 17.5 mmHg, 수은은 0.0012 mmHg이다. 액체의 증기압이 바깥 압력과 같아지는 온도가 끓는점이다.

2.4.3예제 풀이

\(h = \dfrac{2 \times 0.0728 \times 1}{1000 \times 9.8 \times 2.0 \times 10^{-5}} \approx 0.74\) m이다. 반지름이 1 mm인 관보다 50배 높이 올라간다.

그러나 키 100 m인 나무에는 턱없이 모자란다. 실제로는 잎의 작은 구멍에서 물이 증발하면서 물관 속의 물기둥을 위로 끌어당긴다. 물 분자들이 수소 결합으로 서로 단단히 이어져 있어, 이 물기둥이 끊어지지 않고 뿌리에서 잎까지 올라간다. 즉 모세관 현상과 증발, 물 분자 사이의 응집력이 함께 나무 속 물의 이동을 만든다. 그래서 같은 분자 사이의 힘이 표면 장력, 모세관 현상, 증기압을 한꺼번에 설명한다.

아래 탐구 카드에서 여러 액체의 표면 장력과 증기압을 비교하고, 관의 굵기에 따른 모세관 현상을 측정해 보자.

1. 수은 온도계와 기압계의 눈금을 읽을 때는 수은 기둥의 볼록한 꼭대기를, 물이 든 눈금 실린더는 오목한 바닥을 읽는다. 두 액체의 표면이 반대로 굽기 때문이다.