比表面積

　比表面積（ひひょうめんせき、specific surface area）とは、ある物体について単位質量あたりの表面積または単位体積あたりの表面積のことである。界面に関する学問、界面化学やコロイド化学、あるいは触媒化学などで主に使われる指標である。

　触媒などの、表面の活性が重要となるものにおいては表面の多さがその活性と直結する。そして質量や体積はその物体を購入するコスト、あるいはその物体が占める空間に関連している。このため比表面積は大きいほうが触媒としての機能がよい。しかし、比表面積が大きいことはその物体が系内で不安定であることも意味し、どういった状態を意図するかによってこの指標に対する評価は変わる。

概要

　ある物体の体積をV、密度をρ、表面積をSとすると、単位質量あたりの比表面積S_mは、

$S_\mathrm{m} = \frac{S}{\rho V}$

であらわされる。単位体積あたりの比表面積S_vは、

$S_\mathrm{v} = \frac{S}{V}$

となる。

　式から明らかなとおり、無次元量ではなく、S_mは[面積/質量]の、S_vは[長さ^-1]の次元を持つ。学問分野や業種によって比表面積という言葉がどちらの単位をさすのかが異なり、注意が必要である。

傾向として、同じ形状の物体であれば、代表長さに反比例し、サイズが小さいほど比表面積は増す。

例 : 球体の比表面積

　球体の体積Vは、直径をDとして、

$V = \frac{4}{3} \pi \left(\frac{D}{2}\right)^3$

　であり表面積Sは、

$S = 4 \pi \left(\frac{D}{2}\right)^2$

であるから、球体の比表面積は

$S_\mathrm{m}= \frac{6}{\rho D}$

$S_\mathrm{v}= \frac{6}{D}$

となる。球体については比表面積は直径に反比例する。

界面化学

　界面化学（かいめんかがく）は、二つの物質が接する境界に生じる現象を扱う化学の一分野。研究領域がコロイド化学と近いため、学会や雑誌などでは両者を合わせて扱われる^[1]。

物質の状態により界面化学が扱う現象には以下のような例がある。

固体／固体界面；接着、摩擦、固溶など。
液体／液体界面；乳化、拡散など。
気体／気体界面；界面での拡散が速いため界面現象として扱われることはまれである。
固体／液体界面；浸透、ぬれ、分散、電気二重層、吸着、腐食など。
固体／気体界面；吸着など。表面化学として独立の学問分野を形成している。
液体／気体界面；表面張力、起泡、消泡など。

　数ナノメートルから数マイクロメートルの粒子（コロイド）の現象を扱う化学分野は、その界面現象も重要な要素であることから、コロイド界面化学と呼ばれる。

　1932年にノーベル化学賞を受賞したアーヴィング・ラングミュアはこの分野の開拓者の一人であり、アメリカ化学会が発行している界面化学の雑誌には彼の名がついている。

　界面化学が扱う最も重要な物質として、乳化、分散、表面張力などに大きな影響を与える界面活性剤がある。また、化学工業で行われる触媒反応の多くは、「固体触媒－反応物（液体あるいは気体）」の不均一系で行われる界面反応であり、この観点からも界面化学は極めて重要な研究課題となっている。

移動現象論

　移動現象論（いどうげんしょうろん英: transport phenomena）は輸送現象論、移動速度論とも呼ばれ、物質（成分）、熱、運動量などの物理量が移動する速さを扱う工学の一分野である。

移動現象のアナロジー

　移動現象は物理学や化学のさまざまな分野で現れ、その法則も類似している。一般に、物理量の空間勾配を駆動力にして、それに比例した大きさの流束（単位時間、単位面積当たりに移動する物理量）が生じるという形になっている。このときの比例係数を一般に輸送係数とよぶ。

　各現象の名称については、熱交換、物質交換などのように、「移動」を「交換」と呼び換えることがある。

運動量移動

　流体力学の分野のニュートンの粘性の法則によると、せん断応力（運動量流束）τ_xyはせん断速度（英語版）（速度v_xの勾配）に比例する：

$\tau_{xy} = - \mu \frac{\partial v_x}{\partial y}$

比例係数μは粘性係数と呼ばれる。

熱移動

　伝熱工学の分野のフーリエの法則によると、熱流束qは温度Tの勾配に比例する：

$q = -\lambda\frac{\partial T}{\partial y}$

比例係数λ は熱伝導率と呼ばれる。

物質移動

拡散に関するフィックの拡散の（第一）法則によると、質量流束jは濃度cの勾配に比例する：

$j= - D\frac{\partial c}{\partial y}$

比例係数Dは拡散係数と呼ばれる。

電荷移動[編集]

電磁気学における電気伝導によると、電流密度（電荷の流束）Jは電界E（電位Vの勾配）に比例する：

$J = \sigma E = - \sigma\frac{\partial V}{\partial x}$

比例係数σ は電気伝導率と呼ばれる。

拡散現象のアナロジー[編集]

それぞれの物理量に対応する保存則から、物理量の時間変化は流束の発散で表される。上記の各例についてこのことを定式化すると、以下の拡散方程式で表される。

運動量の拡散: $\rho\frac{\partial v_x}{\partial t} = \mu \left(\frac{\partial^2 v_x}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 v_x}{\partial y^2}\right)$
熱拡散（熱伝導方程式）: $\rho c_\mathrm{p}\frac{\partial T}{\partial t} = \lambda \frac{\partial^2 T}{\partial x^2}$
物質拡散（フィックの拡散の第二法則）: $\frac{\partial c}{\partial t} = D \frac{\partial^2 c}{\partial x^2}$
電荷の拡散: $\frac{\partial V}{\partial t} = \sigma \frac{\partial^2 V}{\partial x^2}$

磁場の拡散

磁気流体力学においては、拡散方程式に類似する次の方程式がある^[1]。これは誘導方程式と呼ばれる。

$\frac{\partial\boldsymbol{B}}{\partial t} = \frac{1}{\mu\sigma}\nabla^2\boldsymbol{B} + \operatorname{rot}(\boldsymbol{v}\times\boldsymbol{B})$

ここでBは磁束密度、μは透磁率、σは導電率、1/(μσ)は磁気拡散係数（英語版）、vは速度である。

無次元数による比較[編集]

上記の各移動現象は同時に起こることも多く、各流束の大きさの比較が重要になることがある。粘性係数は動粘性係数νで、熱伝導率は熱拡散率α で考えると（拡散係数はそのままでよい）全て単位がm²/sとなる。そのため、それぞれの値の比をとった無次元数を調べることにより、大きさの比較をすることができる。

動粘性と熱拡散率の比をプラントル数という。
動粘性と物質拡散の比をシュミット数という。
熱拡散と物質拡散の比をルイス数という。

歴史[編集]

流体中における運動量、熱および物質の移動現象については、それぞれの分野でデータの蓄積を中心に個別的かつ経験的に発展してきたが、それらがいずれも類似の基本法則に支配されることに着目し、共通の視点から取り扱う新しい工学体系として提案したのはBird (1960)^[2]であった^[3]。

界面

　界面（かいめん、英: interface）とは、ある均一な液体や固体の相が他の均一な相と接している境界のことである。この「他の均一な相」が気体もしくは真空であるとき、界面を特に表面（surface）とよぶ（例外もある）。

　ただし、お互いが完全に混ざり合うことはしない（混ざり合うと界面でなくなる。ただし、界面付近数原子層程度で互いの原子からなる化合物を形成する場合はある）。

　界面は気相と液相、液相と液相、液相と固相、固相と固相の二相間で形成される。界面を構成する分子・原子は、界面を挟んでいる相から連続的に続いているにもかかわらず、相内部とは性質が異なり、膜のようなはたらきをする^[1]。たとえば界面では光線が反射や屈折、散乱、吸収を起こし、界面間には界面張力がはたらく。

　エレクトロニクス産業の要請によって固体材料の薄膜やナノテクノロジーを研究する科学分野が重要性を帯びており、特に固体同士の界面は固相界面と呼ばれて界面研究の重要分野となっている。単に界面といえば固相界面を指す場合が多い^[2]。

　学問上は界面化学および表面物理学で取り扱われる。

界面の性質

　理想気体のように分子相互作用（分子間力や静電気力など）がなく凝縮しない場合には、複数の成分を混ぜ合わせても、乱雑さ（エントロピー）が増大する方向に自発的に変化する、つまり混合して均一となる。しかし、分子間相互作用があり、凝縮相となる実在分子において、異種分子間の相互作用より、同一種分子間の相互作用のほうがはるかに強いとき、混合するよりもそれぞれが相分離して、同一種同士の相互作用で安定化するほうが有利となる。このとき、相分離した二つの相の境界が「界面」である。

　例えば、水分子同士には分子間力よりかなり強い水素結合が働く。油の分子同士では互いに弱い分子間力しか働かない。ゆえに、水は水分子同士で固まっていたほうが安定であり、水と油は混ざり合わないのである（ただしそれでも超音波細動などで水素結合を切って分子レベルで均一にすることはできる）。

　界面近傍の分子は、周囲を取り囲む同一種分子の総数が内部より少なくなるために、同一種分子の相互作用で安定化されている内部の分子より自由エネルギー的に不利な状態になる。つまり、内部と比べて過剰の自由エネルギーをもつことになり、これを界面自由エネルギー（interfacial free energy）という。この界面自由エネルギーを低下させるために、界面はできる限り小さくなろうとする。これが界面張力（interface tension）であり、単位面積当たりの界面自由エネルギーとなる。気体との界面の場合は表面張力という。

　表面が曲率を持つ場合、その表面の持つエネルギーの効果はヤング・ラプラスの式（英語版）や、蒸気圧に関するケルビン方程式によって表される。

界面活性剤

詳細は「界面活性剤」を参照

　界面自由エネルギーは分子間相互作用による安定化が界面近傍で低下することによる。このため、相分離する二つの成分のそれぞれの化学構造に類似した構造を一つの分子中に併せもつものが界面に並ぶことにより、この高エネルギー状態を緩和することができる。このような物質を界面活性剤という。水と油のように互いに混合せず相分離する系ではそれぞれ水および油に親和性のある親水基と親油基を一つの分子中に併せもつ、つまり両親媒性構造をもつものが界面活性剤となる。

表面緩和

　単一の元素で構成される物質の、ほぼ無限につながるバルク内部での各原子間に働く力や距離は、全く同一であるが、劈開（へきかい）などによってきれいにそろった分子の層が表面に現れた時、それまで前方向に等しく働いていた力の均衡が変わって、第2層目にある分子が少し内側へとずれて、最も外側の層にある分子との距離がひらく。これは表面緩和と呼ばれ、本来さらに外側にあった分子が無くなることで2層目の分子が受ける外向きに働く力が弱くなったために起こる現象である。説明のためにきれいにそろった表面としたが、そろっていなくとも同様の現象は起こる。

　また、金属原子で構成される表面付近では、金属原子同士を結び付けている電子の自由電子が表面から内部に引き込まれているために、正確には表面近くでの自由電子の存在確率が低くなっているために、金属原子も引きずられて少し内部に変位している。このため金属表面付近の原子層の間隔はバルク内部に比べて小さくなっている。表面緩和や金属原子表面での原子層間隔の縮小は清浄な表面での現象であり、これらの表面に他の原子・分子が付着すれば結果は異なってくる^[2]。

濡れ

詳細は「濡れ」を参照

固相・気相・液相の3相が接する場所では、濡れと呼ばれる現象が生じる。

毛細管現象

詳細は「毛細管現象」を参照