スーパーボールをつくろう ～ケイ素高分子の合成～

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おもしろ科学実験室（工学のふしぎな世界）

スーパーボールをつくろう　～ケイ素高分子の合成～

2014年8月25日
埼玉大学　工学部　応用化学科

地球表層中に最も多く存在している元素は酸素ですが、２番目に多いのがケイ素です。自然界では、二酸化ケイ素やケイ酸塩などの酸化物として存在しています。人類は古くからケイ素酸化物を利用して、石器、陶磁器、ガラスなどを作り、豊かな生活を獲得してきました。現代では、半導体、光ファイバー、ゴム、樹脂などの原料としても利用され、科学技術の発展に伴い、様々な用途が開発されています。ここでは、通称「水ガラス」と呼ばれるケイ酸ナトリウム（Na2O・nSiO2）の水溶液を用いて、スーパーボールをつくります。

用意するもの

水ガラス（和光純薬製、含量約38％: SiO2 28-30%; Na2O 9-10%）、エタノール、
メスシリンダー（計量スプーンや洗剤容器などの計量キャップでも大丈夫です）、ポスターカラー、プラカップ、
割り箸、キッチンペーパー、保護メガネ、ゴム手袋

実験に当たっての注意点

火の気のない、風通しのよいところで（換気しながら）行って下さい。
保護メガネ、ゴム手袋を着用して下さい。
作ったスーパーボールは、なるべく素手で触らないようにして下さい。

作り方

メスシリンダーなどを用いてプラカップに水ガラス約20mLを量り取り、ごく少量のポスターカラーを加え、割り箸でよく混ぜます。

エタノール約5mL（※1）を着色した水ガラスに加えて、割り箸でかき混ぜます。はじめは液状ですが、すぐに粘性のない固体になります。

手のひらに固体を取り出し、押し固めるように強く力を加えます。この際、液体がしみ出してくるので、キッチンペーパーなどでふき取ります。

固まりを手のひらで転がし、丸くするとできあがりです。弾ませてみましょう。

ポスターカラーを加えないと白色のスーパーボールができます。水ガラスの量（※2）やポスターカラーの色を変えて、いろいろなスーパーボールを作ってみましょう。

※1 エタノールは多めに加えても大丈夫です。
※2 水ガラスを増やす場合、それに応じてエタノールも増やして下さい。

水ガラスの種類について

試薬会社からは、ケイ酸ナトリウム（Na2O・nSiO2）の含量や、ケイ素とナトリウムの比率（n）が異なる何種類かの水ガラスを購入することができます。ナトリウムの比率が高い水ガラス（和光純薬製、含量約52-57％: SiO2 34-39%; Na2O 16-19%）を用いて同様の実験を行うと、スライム状の物質ができ、うまく固めることができません。スーパーボールを作るには、n=3ぐらいの組成をもつ水ガラスが良さそうです。

どうして固まるの？

水ガラス中には、分子量が異なる様々なケイ酸イオンが存在していますが、ケイ素原子はいずれも４つの酸素原子と結合しています。その４つの酸素は、水素やケイ素と結合していたり、ナトリウムイオン（Na+）を対イオンとする陰イオンになっていたりします。水ガラスに脱水作用を有するエタノールを加えると、ケイ素上のヒドロキシ基（HO-Si）が、他の分子のヒドロキシ基（HO-Si）と脱水反応を起こして、シロキサン結合（Si-O-Si）を形成します。この反応が繰り返されると、ケイ酸イオンが高分子になり、固体として析出します。ナトリウムの比率が高い水ガラスを用いると、ケイ素上のヒドロキシ基（HO-Si）の数が減り、脱水縮合があまり進まないために、うまく固まらなかったと考えられます。