물방울이 유리 표면에서는 퍼지고, 코팅된 표면에서는 맺히는 이유가 무엇인가요?

Question

물방울이 유리 표면에서는 퍼지고, 코팅된 표면에서는 맺히는 이유가 무엇인가요?

표면 장력, 접촉각, 분자 간 인력과 연관 지어 설명해 주세요~

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

유리 표면과 코팅된 표면에서 물방울이 서로 다른 형태를 보이는 이유는 표면 장력, 접촉각, 그리고 분자 간 인력의 차이로 설명할 수 있습니다.

유리 표면은 극성을 띠고 있어 물 분자와 강한 인력을 형성합니다. 물 분자는 서로 끌어당기는 힘도 있지만, 동시에 유리와의 인력이 크기 때문에 표면에 잘 달라붙습니다. 그 결과 접촉각이 작아지고 물방울은 넓게 퍼져 얇은 막처럼 보이게 됩니다.

반면, 발수 코팅된 표면은 소수성 물질로 덮여 있어 물과의 인력이 매우 약합니다. 이 경우 물 분자는 표면보다는 서로 뭉치려는 힘을 더 크게 느끼게 되고, 그 결과 구형에 가까운 물방울을 유지하려 합니다. 접촉각이 커지면서 물방울은 동글동글 맺히고, 쉽게 굴러 떨어지게 됩니다.

즉, 유리 표면에서는 물-표면 인력이 커서 퍼지고, 코팅된 표면에서는 물-물 인력이 우세해 맺히는 것입니다.

Answer 2

안녕하세요.

물방울은 어떤 표면에서는 퍼지고, 어떤 표면에서는 동그랗게 맺히는데요 이는 표면 장력과 고체, 액체, 기체 사이의 분자 간 인력의 균형, 결과적으로 나타나는 접촉각으로 설명 가능합니다.

물은 표면 장력이 매우 큰 액체인데요, 이는 물 분자들이 서로 강한 수소결합을 이루며 응집력을 크게 가지기 때문입니다. 그래서 물은 기본적으로 가능한 한 표면적을 줄이려고 하며, 그 결과 구형을 유지하려는 경향이 있습니다. 하지만 물이 고체 표면과 접촉하면, 물 사이의 응집력 뿐 만 아니라 물과 표면 사이의 부착력도 함께 작용하는데요, 이 두 힘의 상대적인 크기에 따라 물방울의 모양이 결정됩니다. 우선 유리 표면의 경우를 보면, 유리는 표면에 –OH와 같은 극성기가 많아 물과 수소결합 또는 강한 극성 상호작용을 형성할 수 있습니다. 즉, 물과 유리 사이의 부착력이 매우 크다보니 물 분자들은 서로 뭉치기보다 표면에 퍼지는 것이 더 안정해지므로, 접촉각이 보통 90도 이하로 작아지고 물방이 넓게 퍼지게 되는 것입니다. 반대로 발수 코팅된 표면은 비극성 물질로 이루어져 있어 물과의 상호작용이 매우 약한데요, 물과 표면 부착력보다 물과 물 간의 응집력이 훨씬 크게 작용하기 때문에 물은 표면에 퍼지지 않고 스스로 뭉치려 하며, 접촉각이 보통 90도 이상으로 커지면서 동그란 물방울 형태를 유지하게 되는 것입니다. 즉 물방울의 형태는 고체, 액체, 기체 계면에서의 에너지 균형으로 결정되며, 접촉각은 그 균형 상태를 나타내는 지표라고 이해하시면 되겠습니다. 감사합니다.