テーブルにこぼれた水にキッチンペーパーの端をつけると、直接触れていないところまでじわじわとぬれていきます。紙を立てて下端だけを水につけると、水面よりも上に向かって水が進んでいきます。
紙が水を吸うとき、中心的な役割を果たすのが「毛細管現象」です。水が繊維の表面になじむ性質と表面張力によって、繊維のすき間がつながってできた細かな通り道へ、水が入り込んでいきます。
水は重力で下へ落ちるはずなのに、なぜ紙の中では上へ進めるのでしょうか。「水が進む高さ」「進む速さ」「吸い込む量」を分けて考えると、身近な紙の吸水の仕組みが見えてきます。
紙が吸った水は、どこに入っている？
紙は、細い繊維が重なり合ってできています。植物を原料とする紙の繊維には、セルロースという物質が多く含まれています。
見た目は一枚の平らなシートですが、内部には繊維と繊維の間のすき間があり、網の目のようにつながっています。水になじみやすい繊維の表面がぬれ、水がこのすき間を進んでいきます。毛細管現象という名前ですが、紙の中にまっすぐな管が並んでいるわけではありません。
紙に取り込まれる水には、二つの行き先があります。
- 繊維と繊維の間のすき間
- 繊維そのものの内部
繊維自体が水分を取り込んでふくらむ現象は「膨潤（ぼうじゅん）」と呼ばれます。
そのため、紙の吸水は、形の変わらないすき間へ水が入るだけの現象ではありません。水が入り込むにつれて、繊維やすき間の状態も変わることがあります。
水滴は丸くなるのに、紙にはしみ込むのはなぜ？
表面張力には、水と空気が接する表面積を小さくしようとする働きがあります。それなら水は丸い粒のまま残りそうですが、なぜ紙では広がるのでしょうか。
水が物に触れるときは、水と空気の境目だけでなく、接する相手とのなじみやすさも関わります。水が繊維をぬらすと、それまで「繊維と空気」が接していた面が、「繊維と水」が接する面へ置き換わります。
水となじみやすい繊維では、この置き換えによって、表面に関わるエネルギーが下がります。水と空気が接する面積が増える場合でも、繊維がぬれることで下がる分のほうが大きければ、三つの境目を合わせたエネルギーは減ります。水は、そのように全体としてより安定する方向へ広がろうとします。
つまり、「表面張力があるから水は広がれない」というわけではありません。水と空気の表面だけでなく、繊維も含めた接し方を見る必要があります。
この考え方は、水滴が丸くなる理由と、表面によって広がり方が違う理由とつながっています。ガラスやプラスチックの上では主に表面で形が変わりますが、紙では、その先に水が入れる細かなすき間があるのが違いです。
水には重さがあるのに、なぜ上へ進める？
仕組みを考えるには、まず一本の細い管を思い浮かべると分かりやすくなります。
水になじみやすい内面をもつ細い管を垂直に立て、下端を水につけると、管の中の水面が外の水面より高くなります。管の内側では、水面の縁が高く、中央がくぼんだ形になります。
この水面の縁では、表面張力が水面に沿って働きます。その力には、水を上向きに支える働きがあります。
ここで、内側の断面が円形の管を、同じ液体・同じぬれやすさで比べます。上向きに支える力は、水面の縁の長さ、つまり管の内周に比例します。一方、同じ高さの水柱の重さは、管の断面積に比例します。
内径を半分にすると、内周は半分になりますが、断面積は4分の1です。支える力よりも、同じ高さの水柱の重さのほうが大きく減るため、細い管ほど高い水柱を支えられます。
重力がなくなったわけではありません。十分な長さがあり、太さが一定の管で、蒸発などの影響を除いて考えると、水面が高くなるほど支える水の重さが増え、やがて上向きの力とつり合います。
内径1mmなら約3cm、0.1mmなら約30cm
25℃の水が管の内面を完全にぬらす、接触角0°の条件で計算すると、つり合う高さは次のようになります。内径は管の内側の直径、高さの基準は管の外の水面です。
| 管の内径 | 模型から計算した上昇高さ |
|---|---|
| 1mm | 約3cm |
| 0.1mm | 約30cm |
これは、先ほどの理想化した管についての計算例です。実際には管の表面状態などで値が変わり、紙の中の上昇高さを示す数字でもありません。
細いすき間ほど、速く吸うとは限らない
ここまで説明したのは到達する高さの話で、速さの話ではありません。細い通り道には、流れにくさもあります。「より高く上がる」と「より速く上がる」は、分けて考える必要があります。
紙の中では、すき間の太さも向きも一定ではなく、繊維の膨潤も起きます。一本の管の模型は、毛細管現象を理解する助けにはなりますが、管でつり合う高さの決まり方を、そのまま紙全体に当てはめることはできません。
なぜ、しみ込み方はだんだん遅くなる？
紙に水がしみ込むとき、ぬれた部分の先端が進む速さは、時間とともにゆっくりになる傾向があります。紙の中で液体が進む距離と時間を調べた研究でも、このような変化が扱われています。
先端が遠くなるほど、水はすでにぬれた部分を通って、より長い道のりを進む必要があります。水が細かなすき間を流れるときに受ける抵抗が増えることが、進み方が遅くなる理由の一つです。紙を縦にした場合は、持ち上げられた水の重さも上昇を妨げます。
距離を2倍にするには、時間は4倍？
太さやぬれやすさが一定の細い管で、液体の性質も変わらない場合を考えます。重力や蒸発の影響を無視し、液体の粘性（粘り気）による流れへの抵抗が主に効く条件です。この単純な模型では、進む距離は経過時間の平方根に比例します。ウォッシュバーンの式で表される関係です。
進む距離を2倍にするには、時間は4倍。距離を3倍にするには、時間は9倍になります。同じ時間がたつごとに同じだけ進むのではなく、先へ行くほど進みにくくなるわけです。
これは模型の性質で、キッチンペーパーの実測値ではありません。実際の紙では、複雑に入り組んだすき間や繊維の膨潤、重力、蒸発などによって、この関係からずれることがあります。
ぬれた境目が止まっても、水が動いていないとは限らない
容器の水に紙の端をつけ続けているとき、紙から水が蒸発すれば、その分が容器から補われることがあります。見える境目の位置が変わらなくても、紙の内部では水が動いている場合があるのです。
これは、一本の管で水の重さと力がつり合う話とは、別の見方です。実際の紙では、入ってくる水だけでなく、空気中へ出ていく水も考える必要があります。
水が室温でも空気中へ移る仕組みは、洗濯物が100℃にしなくても乾く理由と、蒸発・沸騰の違いで詳しく説明しています。
「よく吸う紙」は、速さ・広がり・量を分けて考える
キッチンペーパーを比べるとき、「すぐに水が広がったから、こちらのほうがたくさん吸う」と考えたくなります。しかし、ぬれた範囲の広さだけでは、吸い込んだ水の量までは分かりません。
| 比べたいこと | 見るもの |
|---|---|
| 水が進む速さ | 同じ時間に、ぬれた境目がどれだけ進んだか |
| 水の広がり方 | どの方向へ、どの範囲までぬれたか |
| 吸い込んだ水の量 | 重さの増加などで調べる、水分の量 |
薄い紙の広い範囲がぬれた場合と、厚い紙の狭い範囲がぬれた場合では、見える面積と水の量の関係も違います。また、紙の種類が変わると、厚さだけでなく、繊維の重なり方や表面の加工なども変わります。
紙の構造と吸水を調べた研究でも、表面の状態や製造条件によって吸水の挙動が変わることが示されています。「厚いから」「すき間が細いから」と、見た目の一つの特徴だけで性能を決めることはできません。
こぼれた水をすばやく吸い取れるかと、どれだけ多くの水を含めるかは、別の評価です。紙を比べるなら、まず何を知りたいのかを決めると、結果を読み違えにくくなります。
自宅で確かめるなら、紙の端だけを水につける
白いキッチンペーパーを幅2cmほどの帯に切り、上端を鉛筆に留めます。水を少量入れた透明で口の広い容器を用意し、鉛筆を容器の口に渡したとき、下端だけが水に数mm入る長さに調整します。準備中は紙をまだぬらさず、壁や底にも触れない位置を決めておきます。
距離も比べたいなら、紙に線を引く代わりに、プラスチック製の定規をもう1本の鉛筆にテープで留め、紙を下げる位置のすぐ横につり下げます。定規は途中を留めてもよいので、下端を底から離し、水面から観察範囲まで目盛りが並ぶ高さに固定します。鉛筆も容器の縁にテープで留めます。
定規は数字が上ほど大きくなる向きで垂直にし、紙と目盛りをほぼ同じ奥行きに並べます。紙と定規は、互いにも容器の壁にも触れないようにします。水につける直前の水面の目盛りを控え、この位置を高さの基準にします。
紙の下端を水につけた時刻から、30秒ごとなど同じ間隔で、定規とぬれた境目を正面から撮影します。斜めから見たときのずれを避けるため、撮影位置と器具は動かさないようにします。最初の水面を基準に境目の高さを読み、二つの時刻の高さの差を、その間に進んだ距離の目安にします。
終了時も水位を確認します。水位が下がっていたら、記録した高さは「その時の水面からの高さ」とは異なります。
見ているのは境目の動きで、吸水量ではありません。境目がはっきり読めなければ、読めなかったと記録します。水に色をつけると、色素の先端と水の先端が一致しない場合があるため、まずは水だけで観察します。
下にはトレーを置き、撮影用の機器はぬらさないようにします。こぼれた水はすぐに拭き取ります。紙が壁や定規に触れたとき、下端が水から離れたとき、境目が上の固定部分に届いたときは、観察を終了してください。
よくある疑問
毛細管現象は、上向きにだけ起こる？
上向きだけではありません。水平に置いた紙で水が周りへ広がることにも関わります。重力に逆らって上がる様子が目立ちますが、上へ押し上げることだけが毛細管現象ではありません。
紙を細く切れば、もっと高く水が上がる？
紙の幅と、内部のすき間の太さは別です。紙を細く切っても、繊維の間のすき間まで細くなるわけではありません。「細い管ほど高く上がる」という関係を、紙の帯の幅に置き換えることはできません。
紙と水だけの現象？
タオルが水を吸うときにも、繊維の間を水が進む毛細管現象が関わります。ろうそくでは、熱で液体になったろうが、芯を伝って上がります。これも毛細管現象の例です。
液体と、それが触れる材料の組み合わせで起こる現象なので、水と紙だけに限りません。
木が高いところまで水を運ぶのも、同じ仕組み？
細い管で水が持ち上がるという説明だけでは、背の高い木の中を水が流れる仕組みを説明できません。葉から水が蒸発する「蒸散」によって、茎の中でつながった水が引っ張られ、根から葉への流れが生まれます。水分子どうしが引き合う性質が、このつながりを支えています。
表面張力も関わりますが、静かな管の中で水の重さと力がつり合う模型とは条件が異なります。先ほどの約30cmという数字を、木が水を吸い上げられる高さの限界と読むことはできません。
まとめ：紙が水を吸うのは、ぬれやすさと細かな通り道があるから
紙の中には、繊維の間につながった細かなすき間があります。水が繊維の表面になじむ性質と表面張力によって、そこへ水が入り込みます。さらに、繊維自体も水分を取り込むため、紙の吸水は、一本の細い管の模型だけでは説明しきれません。
水が高く上がること、速く進むこと、多くの水を含むことは、それぞれ別です。次にキッチンペーパーで水を拭くときは、ぬれた範囲だけでなく、その広がる速さや紙の違いにも目を向けてみてください。
参考資料
OpenStax『Chemistry 2e』10.2「Properties of Liquids」。表面張力、ぬれ、毛細管上昇の式と25℃の水の物性値。本文の約3cm・約30cmは、表10.3と例10.4の値・条件を使った計算例。
https://openstax.org/books/chemistry-2e/pages/10-2-properties-of-liquids
MIT「Wettability, non-wettability and contact angle hysteresis」。固体の表面のぬれと、界面に関わるエネルギーの説明。
https://web.mit.edu/nnf/education/wettability/wetting.html
MIT「Capillarity and Gravity」。細い管での毛細管上昇と、重力とのつり合い。
https://web.mit.edu/nnf/education/wettability/gravity.html
Martin A. Hubbe ほか「Swelling of Cellulosic Fibers in Aqueous Systems: A Review of Chemical and Mechanistic Factors」『BioResources』19巻3号、2024年、6859〜6945ページ。セルロース系繊維の水分取り込みと膨潤。
https://bioresources.cnr.ncsu.edu/resources/swelling-of-cellulosic-fibers-in-aqueous-systems-a-review-of-chemical-and-mechanistic-factors/
スバルナキッチ クンティニ、江前敏晴、磯貝明「紙のマクロな構造と吸水挙動との関係」『紙パ技協誌』62巻3号、2008年、325〜335ページ。紙の構造や加工と吸水挙動の関係。
https://www.jstage.jst.go.jp/article/jtappij/62/3/62_3_325/_article/-char/ja/
Noosheen Walji、Brendan D. MacDonald「Influence of Geometry and Surrounding Conditions on Fluid Flow in Paper-Based Devices」『Micromachines』7巻5号、2016年、論文番号73。紙の中で液体が進む距離と時間、紙の寸法や向き、周囲の条件を調べた研究。
https://www.mdpi.com/2072-666X/7/5/73
Edward W. Washburn「The Dynamics of Capillary Flow」『Physical Review』17巻3号、1921年、273〜283ページ。公開要旨の毛細管流れの式と、進む距離が時間の平方根に比例する関係。
https://journals.aps.org/pr/abstract/10.1103/PhysRev.17.273
American Chemical Society「Color Quest」の「Explore the Chemistry」。紙を進む液体と色素の移動を分けて考えるための説明。
https://www.acs.org/education/activities/color-quest.html
National Candle Association「Candle Science」の「How Candles Burn」。液体になったろうが、毛細管現象で芯を上がる説明。
https://candles.org/candle-science/
Chunfang Wei、Melvin T. Tyree、Ernst Steudle「Direct Measurement of Xylem Pressure in Leaves of Intact Maize Plants. A Test of the Cohesion-Tension Theory Taking Hydraulic Architecture into Consideration」『Plant Physiology』121巻4号、1999年、1191〜1205ページ。トウモロコシの水圧と蒸散を測定し、植物の水輸送を説明する凝集・張力説を検証した研究。
https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC59486/
資料確認：2026年11月11日
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