溶液からガラスを作ろう！

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おもしろ科学実験室（工学のふしぎな世界）

溶液からガラスを作ろう！

2012年12月7日
神戸大学海事科学部

窓ガラスなど私達の身近にあるガラスは、高い温度で原料となるケイ砂、炭酸ソーダ、炭酸カルシウムなどを混合し、加熱して溶かすことにより作製されます。
異なった作製方法として、溶液から化学反応を利用してガラスを低温で作製するゾル−ゲル法があります。
ゾル−ゲル法よるガラスの作り方を説明します。

用意するもの

テトラメトキシシラン／水／酸（硝酸か塩酸を数滴）／ビーカー（ガラス瓶でも可）／かき混ぜる器具（マグネチックスターラーなど）／アルミ箔／プラスチック製容器（タッパーやテフロンシャーレなど）

作り方

水に酸を数滴落とし、テトラメトキシシランと共にマグネチックスターラーなどを用いてかき混ぜます。

最初は油滴状になりますが、すぐに透明な状態になります。十分にかき混ぜて、透明な状態になってから、インクなどで色を付けることもできます。

かき混ぜるのを止めて、タッパーやテフロンシャーレなどの容器に流しこみ、穴をあけたアルミ箔で蓋をします。

そのまま、数日置いておくとガラスになります。乾燥器など一定温度に保てる器具がある場合には、40〜50℃程度にしておくとガラスになる時間が早くなります。ただし、ゆっくり時間をかけてガラスにした方が割れは少なくなります。

※画像をクリックすると拡大写真がご覧になれます。

原理

テトラメトキシシラン（Si(OCH3)4）は、水と触媒（酸またはアルカリ）がある時に右図に示すように加水分解・重縮合反応により石英ガラスと同じ-Si-O-Si-の化学結合を形成します。この反応により、ガラスとなります。

もう少し、反応を詳しく見てみると、まず以下の反応が起こり、
nSi(OCH3)4 + 4nH2O → nSi(OH)4 + 4nCH3OH
このような反応によりできたSi(OH)4が、
nSi(OH)4 → nSiO2 + 2nH2O
この反応でガラス（SiO2）となります。全てのSi-OH（シラノール基）が反応するわけではないため、室温などの低い温度で作製したガラスには多くのSi-OH（シラノール基）が残っています。さらに高い温度で加熱することにより、SiO2となります。