1円玉はなぜ水に浮かぶのか


(1)実験操作

(i)シャーレをよく水で洗い、容積の半分程度の水を加える。

(ii)ピンセットを用いて、1円玉を1枚だけ慎重に浮かべる。

(iii)続けて1円玉を2枚浮かべる。

(iv)水に浮かべた1円玉をピンセットで慎重に動かしてみる。

(v)駒込ピペットで洗剤溶液を少量垂らしてみる。

 

(2)理論

水の密度は、4℃で最大値0.999972 g/cm3となり、限りなく1に近付きます。ところが、1円玉の主成分であるアルミニウムAlの密度は、約2.7 g/cm3であり、単純に密度の違いのみで、物体の浮き沈みが決まるのではないということが分かります。水に1円玉が浮いているということは、1円玉が沈み込んで排除している水の体積分だけ、浮力を受けているということになります。水よりもずっと密度の大きいアルミニウムAlが浮いているということは、浮力と共に、鉛直上向きに何らかの相当な力がかかっていることが予想されます。実は、この浮力と共に重要な役割を果たしているのが、水の表面張力なのです(界面化学を参照)

 1円玉は、アルミニウムAlでできていますが、その表面は、空気中の酸素O2によって酸化されていて、酸化アルミニウムAl2O3の被膜が表面を覆っています。したがって、1円玉の表面は親水性で、本来はよくぬれる物体なのです。しかし、ほとんどの1円玉は、水をはじいて、あまりぬれません。これは、1円玉の表面に、皮脂などの油汚れが吸着し、表面が疎水性となっているからです。

疎水性の1円玉を水面に浮かべると、どのようなことが起こるでしょうか。1円玉は重力mgに引っ張られて、水の中に潜り込もうとしますが、水は疎水性の物体が内部に侵入してくると、内部が不安定になってしまうため、1円玉を外にはじき出そうとするはずです。この「はじき出そうとする力」こそが表面張力であり、水H2Oは、水銀Hgを除くすべての液体のうちで、表面張力が一番大きいです。

 

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.1  水面に浮かぶ一円玉

 

また、1円玉を水面に複数浮かべた場合、どのようなことが起こるでしょうか。なんと驚くべきことに、1円玉が勝手に凝集し始めるのです。これは、湖や池などに浮かんでいるゴミが、勝手に凝集するのと同じ原理です。水面に浮かんでいる1円玉は、その円周の長さの分だけ、水をはじいているので、非常に不安定な状態となっています。しかし、水面に1円玉が複数存在している場合、1円玉同士で凝集すれば、互いに接触している部分だけ、不安定な部分が減少して、安定になるため、凝集することが有利に働くのです。

 

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.2  水面に浮かぶ1円玉は凝集すると安定になる

 

さらに、水面に1円玉が浮いている状態で、洗剤溶液を滴下すると、どのようなことが起こるでしょうか。洗剤の主成分は界面活性剤であり、界面活性剤は、分子内に親水基と疎水基の両方を持ち、表面または界面へと吸着しようとする傾向(界面吸着能)があります。そこで、界面活性剤は、一円玉の表面に対して、親水基を外側に向けた吸着をして、一円玉の表面は、ぬれの良い親水性になるのです。

ぬれが良いと、接触角はθ <90°となり、図.3のように、水の表面張力は下向きに働きます。図.1との違いが分かるでしょうか。表面張力の働く向きが、図.1逆になっていますね。これが、重力mgと一緒になって、一円玉を沈めるのです。したがって、水面に1円玉が浮いている状態で、洗剤溶液を滴下すると、次々と1円玉が沈んでいきます。

 

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.3  水に沈む一円玉


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・参考文献

1) 北原文雄「コロイドの話」培風館(1984年発行)

2) 北原文雄「界面・コロイド化学の基礎」講談社(1994年発行)