모세관력 (Capillary Force)

 

'수소결합(HydrogenBond) https://infos.tistory.com/7141' 물(H₂O)은 전기 음성도가 높은 산소(O)와, 전기 음성도가 낮은 수소(H)가 공유결합으로 이어져 있다. 공유 전자쌍은 전기 음성도가 높은 O쪽으로 치우처져 있다. 이로 인해 O에 부분음전하, H에 부분 양전하가 나타난다. 양전하와 음전하는 결합하므로, 부분음전하인 O가 2개 있다면, 사이에 부분양전하인 H를 두면 두O는 서로 끌어당긴다.

 

ㅡ ㅡ ㅡ ㅡ ㅡ ㅡ ㅡ ㅡ ㅡ ㅡ ㅡ 

 

5b07 요약 '모세관력(CapillaryForce) https://infos.tistory.com/7142' 모세관력은 액체의 표면장력(수축력)이 좁은 관 (모세관) 내부의 수면을 상승시키거나 하강시키는 힘을 의미. 유리관의 경우, 유리 표면의 부분 음전하를 띤 영역과 물분자의 '부분양전하(delta^+)'를 띤 수소 원자, 이 둘 사이에 정전기적 인력이 작용하여 물 분자의 수소 부분이 유리 표면에 강하게 끌어당겨져 달라붙게 된다. 이 힘이 부착력이며, 물이 유리관 벽을 따라 올라가게 만드는 직접적인 힘이 된다. 식물 '물관(Xylem)'의 벽은 일반적으로 '음전하(-)'를 띠는 것으로 알려져 있다. 이는 유리관이 중성 수용액에서 음전하를 띠는 원리와 유사하다.

 

모세관력 (Capillary Force)
모세관력은 액체의 표면장력(수축력)이 좁은 관 (모세관) 내부의 수면을 상승시키거나 하강시키는 힘을 의미.

정의: 액체 표면장력과 고체 표면과의 부착력 (Adhesion), 그리고 액체 분자 간의 '응집력 (Cohesion)'의 상호작용으로 인해 발생하는 힘이다.

 

작용 원리:
상승 현상 (물): 액체 분자와 고체 관 벽 사이의 부착력이 액체 분자 간의 '응집력 (수축력)'보다 강할 때, 액체가 관 벽을 따라 위로 끌어올려지며 수면이 '오목한 모양 (메니스커스)'이 된다. 이 힘을 모세관력이라고 한다. (예: 물, 식물의 물관)

하강 현상 (수은): 액체 분자 간의 '응집력 (수축력)'이 관 벽과의 부착력보다 강할 때, 액체가 관 내부에서 주변보다 아래로 내려가며 수면이 볼록한 모양이 된다. 이 또한 모세관 현상에 포함된다.

 

 

물과 유리관

'물 (H₂O)의 부분 전하 https://infos.tistory.com/7143' 물(H2O)은 분자 내에서 산소(O)와 수소(H) 원자 사이에 전자 분포가 비대칭적으로 나뉘어, 산소는 음전하(δ-)를, 수소는 양전하(δ+)를 띈다.

유리관은 주성분이 규소와 산소의 화합물인 규산염이다. 유리 표면은 물과 접촉할 때 일반적으로 Si-OH(실라놀기)와 같은 구조를 형성한다. 중성 수용액 환경에서 유리 표면은 수소 이온(H^+)을 해리하여 부분 음전하를 띠는 경향이 있다.

부착력 (Adhesion) 발생
유리 표면의 부분 음전하를 띤 영역
물 분자의 '부분 양전하 (delta^+)'를 띤 수소 원자
이 둘 사이에 정전기적 인력이 작용하여 물 분자의 수소 부분이 유리 표면에 강하게 끌어당겨져 달라붙게 된다. 이 힘이 부착력이며, 물이 유리관 벽을 따라 올라가게 만드는 직접적인 힘이 된다.

 

 

blog.naver.com/llemonomell/223839564096

 

https://youtu.be/2cI6x_sfOg0

 

 

물관(Xylem)

식물의 물을 운반하는 통로인 '물관(Xylem)'의 벽은 일반적으로 '음전하(-)'를 띠는 것으로 알려져 있다. 이는 유리관이 중성 수용액에서 음전하를 띠는 원리와 유사하며, 식물의 수분 이동 메커니즘에서 중요한 역할을 한다.

 

물관 벽이 음전하를 띠는 이유
물관의 벽은 주로 '셀룰로스(Cellulose)'와 '리그닌(Lignin)'이라는 복합 유기물로 구성되어 있다.
카르복실기 (COO^-): 물관 벽을 구성하는 물질에는 카르복실기와 같은 작용기들이 포함되어 있다.
H^+ 해리: 이 작용기들이 물(물관액)에 노출되면 H^+ 이온을 해리하여 잃어버리고, 결과적으로 벽 표면에는 음전하를 띠는 이온들이 남게 된다.
이러한 표면 전하를 측정하는 지표를 '제타 전위(Zeta Potential)'라고 하며, 식물의 물관 벽은 음의 제타 전위 값을 가진다.

 

물관의 음전하가 물 이동에 미치는 영향
물관 벽의 음전하는 모세관 현상과 이온 흡수에 매우 중요한 영향을 미친다.

A. 부착력 (Adhesion)의 핵심 원리
물 분자의 부분 양전하 (delta^+): 물 분자의 수소 원자 쪽은 부분 양전하를 띈다.
정전기적 인력: 물관 벽의 음전하는 물 분자의 부분 양전하를 띤 수소와 강하게 끌어당겨 부착력을 생성한다.
이 강한 부착력은 물 분자가 물관 벽에 달라붙어 중력에 대항하여 물 기둥이 끊어지지 않도록 지지하는 주요 원리가 된다.

B. 양분 이온의 이동 조절
물관액(Xylem Sap)에는 물뿐만 아니라 뿌리에서 흡수한 무기 양분 이온도 함께 녹아 이동한다.
양전하 이온 흡착: 물관 벽이 음전하를 띠므로, 칼륨(K^+), 칼슘(Ca^2+)과 같은 양전하를 띤 무기 이온들이 물관 벽에 일시적으로 흡착되었다가 다시 떨어져 나가면서 이들의 이동 속도와 분포에 영향을 미친다.
따라서 식물의 물관 벽은 단순히 물의 통로 역할만 하는 것이 아니라, 음전하를 띠면서 물의 상승과 양분의 운반을 돕는 물리화학적 환경을 제공한다.

그외 물관을 통한 물의 이동 원리, '응집-장력설(Cohesion-Tension Theory)'가 있다.

 

토양

'점토(미세 입자)'가 많고 유기물이 부족한 토양은 틈새가 좁기 때문에 모세관력이 극대화되어, 물이 마르면 돌덩이처럼 딱딱하게 굳게 된다. 이 힘은 물리적인 압력(압밀) 다음으로 토양 경도에 가장 큰 영향을 미친다.