水分によるガラス同士が貼りつく現象について

質問

小さなガラス同士の間に水分が入ってしまうと、ガラス同士が貼りついて接がれないときがありますよね。
この現象はどうしておこるのでしょうか？

「ガラスの間に水が入ってしまうと、真空状態になるからだと思う」と知人は言うのですが、私には理解できません。

誰か教えてください。

回答No.8

hatman34 · ベストアンサー

No.7の回答したものです。ちょっとはしょりすぎた部分があるので、追記します。No.7の回答とあわせて読んでいただければ幸いです。

１．
＞物理と化学の融合問題です。

ガラスと水の接触角については、界面の原子レベルの力が問題になるので化学の問題です。それ以外の水圧・大気圧などは物理の問題です。
接触角については
http://133.242.8.15/jdata/00151/199601J00151030/199601J00151030.html
に、「・・・固体が液体と直接に接触するためには、
液体が固体～気体間の界面を押しのけなければ成らない。・・・」などの記述があります。

２．
＞ガラスと水の接触角」 仮に60度とする（本当はもっと小さいけど簡単のため）

WEB上では、「0度」から「20～30度」までさまざまな記述がありました。No7の回答で60度とおいたのは「Cos60度＝0.5」で計算が簡単になり、問題の本質には影響しないからです。

３．
＞表面張力」 仮に0.1 N/ｍ とする

これも、WEB上には 0.072N/ｍ などとなってましたが、計算を簡単にするために丸めました。

４．
＞根拠 ：水の端っこの１ｍｍ＾２の界面を想定すると、・・・

この記述が分かりにくいかもしれません。補足します。
ガラスにはさまれた水分が薄い円盤状になっているときに
ピザを切るように、水の円盤を極めて細い扇型（円周を１ｍｍずつに）に切ってその側面を見ると縦（＝ガラスの間隔）１ｍｍ、横１ｍｍの正方形になります。
その内側（水圧）と外側（大気圧）を比べるわけです。

５．
＞・・・大気圧と、内部の水圧の差は、1000分の1・・・

これについては、毛細管現象と同じ原理です。
「接触角だけ傾いて働く表面張力が界面の内外の圧力差の元になる」と言う点です。下記URL参照ください。
http://okumedia.cc.osaka-kyoiku.ac.jp/~masako/exp/jolly/moukan.htm

--> 毛細管の場合、細い管ほど水面上昇が大きくなる（界面圧力差が大きくなる）

６．
＞・・・ガラスの隙間ももっと小さくなり、表面のでこぼこが限界となる隙間で安定すると思います

ガラス表面のでこぼこがあるので、完全に密着したように見える状態でも、結構（原子レベルよりかなり大きい数ミクロン～数十ミクロン）大きな隙間が出来て、そこに水が表面張力で閉じ込められたような状態になる。平均的に１０ミクロンとすると、例題の１ｍｍより100倍の圧力が働きます。

７．他の方の回答について
＞（No6)・・ガラスの間では水の蒸気圧程度の力に過ぎないでしょう

これは、ポンプの中に水だけ入れて（空気を入れずに）ピストンを引いた場合の内部の気圧を連想されたのだと思いますが、本件とはちょっと状況が違うように思います。

＞（No.3)・・真空が原因でない証拠は，２枚のテフロンの板で実験してみればわかります

テフロンの場合は、接触角が90度以上（180度に近い）ので表面張力による内部の水圧低下が起こりません。それがテフロンがくっつかない理由だと思います。

以上

お礼

質問に答えて戴きありがとうございます。

いろいろな観点から、私の質問に答えて戴いたようで。
特に物理的なことがよくわかりました。

また、私の質問に回答してください。お願いします。

回答No.7

hatman34

面白い問題ですね。
物理と化学の融合問題です。

カギは 「水の表面張力」と「空中でのガラスと水の接触角」ですね。ガラスの隙間での水と空気の界面を考えると「微小な水の塊」を想定すると、外側の空気圧と内側の水圧に差が出ます。それはガラスと水の接触角分だけ傾いて働く表面張力によって起こります。微小な差ですが面積分がもろに利くので、結構大きな力になります。

簡単なケースを想定して試算すると下記のようになりました。

前提
１．「空中でのガラスと水の接触角」
仮に60度とする（本当はもっと小さいけど簡単のため）
http://www.dupont.co.jp/tc/seinou/

２．「水の表面張力」
仮に0.1 N/ｍ とする
http://www.con-pro.net/readings/water/doc0011.html

例題．十分大きくて軽いガラス板を1mmの隙間を開けて、その隙間に水を10cc 入れる場合
--> 水は100cm^2 ｘ 1mm に広がる
このときのガラス板を何Nの力で引っ張ればつりあうか？

結果--> 約1N（１００ｇ重）

根拠
水の端っこの１ｍｍ＾２の界面を想定すると、大気圧で外から押される力は（大気圧を 約10N/cm^2と近似して、面積100分の１だから）0.1N

表面張力によって外側に引っ張られる力は
0.1N/ｍ x 1mm x cos60度 ｘ ２＝10^-4 N
（ここで、最後の２はガラスが上下2面にあるから）

したがって、両者を比較すると大気圧と、内部の水圧の差は、1000分の1

面積が100cm^2ですから
10N/cm^2 x 100cm^2 x 1/1000＝１N
となります
－－－－－－－－－－－－－
もし、最初の水の量を10分の1の 1cc にして、ガラスの隙間を0.1ｍｍにすると、面積はおなじく100cm^2ですが
気圧と水圧の差は10倍になって10Nになります。
--> 水の量が一定なら、隙間が狭くなればなるほど大きな圧力が働く
--> 隙間に何かはさんでおかなければ、自動的に隙間は小さくなる
--> ガラスの端から水こぼれる
－－－－－－－－－－－－－
普通は、水の量はもっと少なくて、ガラスの隙間ももっと小さくなり、表面のでこぼこが限界となる隙間で安定すると思います

回答No.6

First_Noel

表面張力と大気圧の２つの原因でしょう．

表面張力についてはみなさまの通りです．

大気圧については，１平方センチ当たり１ｋｇの力がかかっています．
（それに対しガラスの間では水の蒸気圧程度の力に過ぎないでしょう．）
真空状態・・・とは語弊がありますが，お知り合いの方は
きっと気圧差のことを言いたかったのだと思います．

お礼

回答、ありがとうございます。

表面張力だけでなく、大気圧も関係していたんですね。

わからないことがまた、出てきたら、回答をお願いします。

回答No.5

bec

水がパッキン（シールド？）の役目をして、気密性が良くなるからです。
要は吸盤と一緒です。

水が無くても、非常に平滑なガラス面同士なら起こりますよ。

お礼

回答をしていただき、ありがとうございます。

吸盤と同じ考えなんですね。

また、何かの機会がありましたら、回答をお願いします。

回答No.4

noname#11476

真空になるからというのは正しくはないのですが、実は考え方としてはかなり近いです。
ガラスとガラスの間に水が入ると「空気」がなくなります。
真空の場合は「何も」なくなる（完全になくすことは困難ですが）わけです。
どちらも空気が追い出されているという点が重要です。

ガラス同士が張り合わさる最大の原因は大気圧です。
誰でもご存じの話として、もし熱いお湯を密封容器に入れて冷やすと、その容器のふたはぴったりと張り付きます。そうなると取るのが大変であることはご存じですね。
つまりガラスとガラスの間の空気が追い出されたため、大気圧がまともにかかるのでぴったりとくっつくのです。

もう少しご説明しましょう。
空気というのは大きさが自由で、体積が大きくなったり、小さくなったり出来ます。このときに圧力の変化を伴います。体積大→圧力小という変化ですね。
一方水は圧力が変わってもほとんど体積は変化しません。

このような柔軟な空気がガラスの隙間から水によって追い出されると、どうなるのでしょうか。
ガラスとガラスを剥がそうとする行為は、ガラスとガラスの隙間を大きくしようとすることに等しいわけです。ここで間に空気があると、圧力は下がりますが体積は大きくなりますので多少は隙間を広げることが出来、そうするとその隙間に空気が入り込み、また隙間を広げることが出来、ということを繰り返すために、引き剥がすことが出来ます。

ところが間に水がある場合、まず隙間を広げようとしても水は体積を増やしてくれませんので、広げようとする隙間を埋める物が何もありません。
つまり、無理矢理広げようとするとそこに「真空」が出来ようとするのです。
しかしご存じのように真空に対しては大きな大気圧がかかります。そのため結局真空を作ることが出来るような力を掛けることが出来ないと、そのまま張り付いたままになるのです。
ここで、もしガラスの端の方から引き離し、うまく端から空気を入れることが出来ると端の方に空気による隙間が生じ、水は空気に押される形で他の隙間を埋めようと移動し、また端の方から空気が入り隙間が大きくなり、またそれは水を押して他の隙間を埋めようとすると共に空気自体も更におくまで進むという事を繰り返し、結局広げることが可能になります。

これは実際にやってみるとよくわかると思います。

接着剤の場合は、この大気圧の効果＋接着剤とガラス分子との原子間力でくっついていますが、水の場合は水同士の結合が弱いですから、ガラスとガラスをつなげるだけの力はありません。（だって水は簡単に２つに分けられるでしょ？）
ただ、水の表面張力に見られるような水同士の結合する力も端から空気が中に進入しないようにブロックする効果を発揮していますので、ガラスが張り付くという現象の助けにはなっています。

では。

お礼

回答、ありがとうございます。

物理的な観点から理解ができたように思います。

今後の考えた方の助けになりました。

また、何かの機会があれば、回答をお願いします。

回答No.3

shota_TK

水がガラスの表面の凹凸にピッタリと入り込んで，分子間力を十分に発揮するためです（参考URLなど）．

分子間力には，ファン・デア・ワールス力と水素結合があります．（下記）
http://yuzu.ee.uec.ac.jp/natu01/KFe2/chemistry/t-2.html

真空状態というのは，多分，表面張力のことが言いたいんだと思いますが，考え方の方向が間違っていると思います．真空が原因でない証拠は，２枚のテフロンの板で実験してみればわかります．ガラスに比べて非常に密着性が低いです．

参考URL：

http://www.so-net.ne.jp/kagaku/naze/hon/cat_d_1_22.html

お礼

回答、ありがとうございます。

知人からの話に間違いがわかってよかったです。知人はそんなことを言いたかったみたいです。

自然界では色々な現象が作用しているんですね。

また、何かわからないことがあれば、回答してください。

回答No.2

noname#4429

こんばんは。

水の化学式はH2Oですが、実際はH-O-Hで、
O（酸素）が上に飛び出てカギ型になっています。
Oには電子が集まっていてすこしマイナスになっています。
また、H（水素）は電子が無くなって少しプラスになっています。
そこで、HとOは引き合って、O-H....O-H　のようにつながっているわけです。

これを、水素結合と言います。

水素結合は弱いのですが、たくさん集まると総力で強くなります。
そのため、水は表面張力が強くなります。表面張力とは表面が引っ張り合っているということなのです。
ガラス板の上に水を一滴落とすと、水とガラス、水と空気にはなんの力も働きませんが、水と水とは引き合っている、というわけです。

ガラス板２枚を合わせて手を離すと、離れてしまいますが、２枚の間に水を少し入れると、２枚のガラスはひっつきます。それが水素結合の力です。

ちなみに油は、油同士の力が弱いので（水素結合が無い）
ガラスの上に置くと丸くならず平面になってしまいますね。

お礼

回答していただき、ありがとうございます。

今回の質問に対して、化学的な観点について理解できました。単純に表面張力ではなく、水素結合なんです。水素結合という言葉は初めて聞きました。

水に結合力があることを実感できました。

回答No.1

sai231ko

表面張力だと思います

お礼

ありがとうございます。

また、何かの機会がありましたら、回答をしてください。