表面張力（Du Noüy） 1 目的 2 理論 3 原理

表面張力（Du Noüy）
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表面張力（Du Noüy）
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目的
液体は自由表面をできるだけ小さくしようとする性質がある。これは、液体分子間の近
距離に働く引力に基づくものと考えられているが、その結果、巨視的には液面に沿っての
表面張力が生まれる。表面張力の大きさは、液面上にある線分の単位長さ当たりに垂直に
働く力 [N/m](または [dyn/cm])1 で表される。
いくつかある表面張力の測定方法2 の中で、ここでは輪環法 (Ring Method) で表面張力を
直接測定し、液体の性質について理解を深める。
2
理論
輪環法 (Ring Method) とは、液面に垂直に接触させた金属 (白金) 環を垂直に引き上げ
て、液体の表面からこれを引き離すのに必要となる力を測定することにより、表面張力を
求める方法である。白金環を液面から引き離そうとすると、白金環につられて液面も引き
上げられる。引き上げられた液面は白金環に対して垂直になっており、その周囲に沿って
引き上げられた液面の表面張力 T が下向きに働く。このとき下向きの力 P は、次の式で表
される。
P = 4πT R
(1)
ここで、R は白金環の平均半径である。この P の値がわかれば、表面張力の値を求めるこ
とが出来る。
3
原理
輪環法の代表的な測定器に、デュヌーイの表面及び界面張力器がある。
測定器の使用法や原理をよく理解せず、つまみを触ると調整がずれてしまうので、取り扱
いには充分注意しなければならない。
カバーをはずした全体の構造図を最後に示す。
装置に一本の金属線（図中の N）が張ってある。これはトーションワイヤーと呼ばれ、
トーションワイヤ回転つまみ M を回すと、トーションワイヤーはねじられる。
垂直アーム H はストッパー J と K で固定されている。垂直アーム H を固定したままで、
白金環を取り付ける。そして垂直アーム H のストッパー J を緩め下部水平アーム G のス
トッパー K、を緩める。また白金環を測定器から抜くときは、まず上下のストッパー K で
水平アームを固定し, それから左右のストッパー J で垂直アームを固定する。この順番を
1 1N
= 105 dyn
2 毛管上昇法、垂直板法、液滴法などがある
表面張力（Du Noüy）
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間違えないように留意すること。
トーションワイヤ回転つまみ M を、副尺付きの指針 D が時計方向に移動するように回
してみよう。
すると垂直アーム H とそれに接続した指標 L が上に動き、反時計方向に回すと垂直アーム
H は下に動く。
回転つまみ M を回し, 指標 L を上部にある鏡の中心線に合わせる。次に目盛板固定ねじ Q
を緩め, 目盛板 C を動かすことにより, 目盛板 C と副尺付きの指針 D の 0 を一致させる。
これをゼロ点調整という。これで装置を使用する準備は終了である。次に表面張力測定の
ための, 具体的な手順を述べる。
手順
4
4.1
装置の動作確認
垂直アーム H に白金環が差し込まれ, 指標 L が鏡の表線と一致していることを確認す
る。ノートなどの一部を切り取り小紙片とし, 白金環にのせる。このとき、白金環が少し下
がるので, 新たにゼロ点調整を行う。
500mg の分銅を小紙片の上に乗せる。すると垂直アームが下に下がってしまうので、副
尺付きの指針 D を時計方向に動くように回転つまみ M、指標 L と鏡の表線と一致させる。
このとき重りが落ちる力と、ねじられたトーションワイヤーが元に戻ろうとする力が釣り
合っている状態である。このときの目盛の読みを副尺 D を使って小数第 1 位まで記録して
おく。この操作を 100mg ずつ 1000mg まで行う。重りを交換するときは，必ずストッパー
J で垂直アーム H を固定すること
もし 800mg の分銅と, 円周が 6.00cm の白金環が使用された場合, 目盛の読みが下で示され
る計算値と一致するなら, この装置は正しく調整されている。
⎫
⎪
M = 0.800g 分銅の重さ
⎬
(2)
L = 2πR = 6.00cm 白金環の円周
⎪
⎭
2
G = 979.8cm/s 重力加速度
とすれば, (1) 式で P = mg, L = 2πR であることより，
mg = 4πRT
mg
0.800 × 979.8
T =
=
= 65.3dyn/cm
2L
2 × 6.00
(3)
測定値 (目盛の読み) と (3) 式による計算値を横軸に重さ，縦軸に目盛をとったグラフに
プロットする。
測定値と計算値が違っている場合, 測定器の数値を修正しなければならない。その具体的
な方法は, 実験手順の最後のところで述べる
表面張力（Du Noüy）
4.2
3
測定手順
1) 表面張力の測定において重要な点の一つは, 白金環と試料容器が化学的に清浄でな
ければならないことである。そのために白金環と試料容器であるシャーレを洗浄しなけれ
ばならない。まず測定用の白金環とシャーレを, ガーゼに染み込ませたアセトンで軽く拭
く。このとき白金環を変形させないように注意すること。
次にアセトンで洗浄した白金環とシャーレを蒸留水で充分洗浄する。
2) 洗浄が終わったら白金環を垂直アームに取り付け, シャーレに測定する液体 (今の場合
蒸留水) を入れ, 試料台 A の上に乗せる。試料台微動ねじ B を回し, 試料台を白金環が 3mm
程度沈むまで上にあげて行く。つまり白金環を完全に液体の中に沈めてしまうのである。
このとき指標 L が鏡の表線と一致している事も確認しておく。
3) 次に白金環が液面近くに来るようにねじ B を回し, 白金環がシャーレの中心近くに位
置するようにシャーレを静かに動かす。
更に白金環が液面すれすれの所へ来るように, ねじ B をゆっくり回しシャーレを下げて行
く。シャーレの下降とともに, 白金環も液体に引っ張られ, 指標 L が鏡の表線から下にずれ
始めるので, 回転つまみ M を回し指標が鏡の表線と一致させる。
以上の要領で, 指標と鏡の表線が一致するようにシャーレをゆっくり下げてゆく。
4) このようにシャーレを下げてゆくと, 次第に液体の表面が引っ張り上げられてゆく。こ
のときはまだ表面張力とトーションワイヤーの力は釣り合っている。しかし、シャーレを
下げ続けるとある所で引っ張られた液面が破れてしまう。このときの指針 D が示す目盛板
C の値が見かけの表面張力 P を与える。
表面張力（Du Noüy）
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5) しかし装置の動作確認の
ところで述べたように, 計算した
値と目盛の値が違っている場合,
この見かけの表面張力 P の値は
正しいものではない。
このような時，P の値を補正
してやらなければならない。
補正の方法としてここでは,
目盛の値の方が小さい場合を
例にする。
§4.1 で描いたグラフを補正に
使う。このグラフで計算値の方　は, ばらつきの無い直線を描く。
一方, 測定値の方は, ばらついた直線になる。本来これら離れた点は一致しなければならな
い。そこで, ばらついた直線上の見かけの表面張力 P の値から真上に直線を引き, 計算値の
直線と交わった点を, 正しい見かけの表面張力 P の値とする。
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真の表面張力への補正
ここまでの測定で得られた表面張力 P は, 見かけの表面張力と述べてきたように, 真の表
面張力ではない。§4.2 実験手順の (４) で述べたように, 白金環は液体を円柱状に持ち上げ
ている。その持ち上げた液体の重力まで, 表面張力として加えられてしまう。これはこの実
験法の宿命でもある。そこでこの余分な重力を見かけの表面張力 P から差し引かねければ
ならない。
更に, 液体が白金環から離れるとき, 液体の直径は白金環の直径より僅かに小さくなってし
まう。これは白金環の断面が円になっているためである。
また，液柱の半径として，平均半径を (1) 式で用いることも補正される必要がある。前者
の影響は白金環の半径 R に依存し, 後者の影響は白金環の半径 R と、その断面の半径 r の
比 R/r に依存している。この２つの影響を取り除く補正項として，ASTM 3 が採用してい
る次式 (ASTM971-50) が使われる。
F = 0.7250 +
3 American
s
0.01452P
1.679
+ 0.04534 −
C 2 (D − d)
R/r
Society for Testing and Materials アメリカ材料試験協会
(4)
表面張力（Du Noüy）
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ここに
P
:
見かけの表面張力 dyn/cm
C
:
白金環の円周 cm
D
:
下層の密度 g/cm3
d
:
上層の密度 g/cm3
である。
真の表面張力 T は, 上式の補正項を使って,
T =P ×F
と表される。
以上の測定を数回おこない, 表面張力 T を求めよ。
I
A:試料台
I:アームの長さ調整ナット(さわらない)
B:試料台微動ネジ
J:アームのストッパー(H:垂直アーム固定用)
C:目盛板
K:アームのストッパー(G:下部水平アーム固定用)
D:指針(副尺付き)
L:指標
E:調整足
M:トーションワイヤー回転つまみ
F:上部水平アーム
N:トーションワイヤー
G:下部水平アーム
O:ゼロ位置調節錘(さわらない)
H:垂直アーム
Q:目盛板固定ネジ
S:試料台上下動作止めネジ