暮らしの化学　風鈴の丸い形から、光ファイバーまで　透明で成形しやすい「ガラス」ってどんな素材?

6月から9月にかけて、日本各地に風鈴市が立ちます（写真１）。

中学1年生のケンと小学3年生の花子の兄妹も、夏の暑さを忘れるため風鈴を買い求めに訪れています。色とりどりの風鈴を見て、2人はどれを買おうか悩んでいましたが、いつの間にか話題は素材の“ガラス”へと移っていました。2022年は、国連で採択された「国際ガラス年」です。

この記事を書いた人： 池田亜希子

サイテック・コミュニケーションズ

主原料は地球上に大量にあるSiO₂

チリンチリン♪

花子すごい数の風鈴！ ガラス製の風鈴は，優しい音色と透明で涼しげな見た目がいいわね。

ケン色も柄もいろいろあるから，どれにするか迷うね。ガラスは綺麗だから，僕のお気に入り素材の1つなんだ。

花子私も好きよ！でも割れやすいから，扱いには気をつかうけれど…

ケンそうだね。ただ，ガラスもいろいろな工夫がされて，必ずしも割れやすいものばかりじゃないし，透明なものばかりでもない。今日はガラスの基本を勉強しよう。

花子いろいろあるといっても，「ガラス」という仲間でくくられるからには，何か共通点があるのでしょ？

ケンガラスは，特殊なものを除けば，ほとんどがシリカ，つまり二酸化ケイ素（SiO₂）を主成分にできている。SiO₂は地球の表面に非常にたくさんある物質だね。だから条件がそろえば黒曜石のような天然のガラスができることもある。僕らが使っている一般的なガラスは「ソーダ石灰せっかいガラス」で，Na₂O（ソーダ）とCaO（石灰）とSiO₂の3つの成分からできている。ほかには「カリガラス」がK₂O（カリ）とCaOとSiO₂から，「鉛ガラス」がK₂OとPbO（酸化鉛）とSiO₂からできているよ。SiO₂だけからできている「石英ガラス」もある。

SiO₂に加えられている成分には，それぞれ役割がある。例えば，アルカリ成分といわれるNa₂OやK₂Oを加えることで，SiO₂だけでできたガラスよりも溶けやすくて，成形しやすくなる。ただし，アルカリ成分によって耐水性が悪くなるから，それを改善するためにCaOが加えられるんだ。

花子耐水性が悪いって，水に溶けてしまうってこと？

ケンそう。それでは素材として使えないね。ほかには，PbOを加えると鉛（Pb）の性質によって，ガラスに重量感が出たり，輝きが増したりするんだ。柔らかくなってカットもしやすくなるよ。

原子の配列の乱れから生まれるガラスらしさ

花子ガラスは透明で，成形しやすいのが特徴よね。

ケンそうした性質はどこからくるんだろう。花子は「物質の三態」って知っているかな？

花子もちろん！ 水は，温度が低いと「固体」の氷で，温度が上がるにつれて「液体」の水，「気体」の水蒸気へと状態を変えるわ。この固体，液体，気体が物質の3つの状態「三態」といわれているのよね。

ケンそうだね。固体は，普通，原子や分子が規則正しく並んだ構造をとる結晶だね（図1左）。そして液体は原子や分子がバラバラな状態だ。それに対して，ガラスは原子や分子の配列が乱れた「非晶質」で（図1右），固まってはいるけど固体（結晶）ではないし，流れてしまう液体でもない。つまり，固体と液体の間のような状態で，「君も化学者！」に出てきた過冷却液体がさらに冷やされて，そのまま動けなくなってしまった感じなんだよ。固体（結晶）じゃないから，光の透過を邪魔する結晶同士の境目もない。だから“透明”なんだ。

花子普段は固まっているガラスから，どうやって風鈴のような形をつくるのかしら？

ケン風鈴の丸い形は，「宙ちゅう吹ぶき法」によって作られている（写真2）。簡単にいうと，1300 ℃ほどに加熱されて“粘り気のある液状”になったガラスを筒状の長い竿の先に取って，息を吹き込んで膨らませる。この時に竿を回転させれば，ガラスが溶けていても垂れない。

平らなガラス，色ガラス　いろいろなガラスの作り方

花子ガラス製品はいろいろあるけれど，グラスや窓ガラスなど，同じものをたくさん作るのには宙吹き法は向いていないでしょ？

ケンガラスの成形法はいろいろあるんだ。溶かしたガラスを鋳い型がたに流し込んで作る「鋳造ちゅうぞう法ほう」。平らな板ガラスを作るための「フロート法」という方法もあるよ。1950年に発明された方法で，溶けた金属のスズ（Sn）の上に，溶けたガラスを流すことで平らなガラスを作る（図2）。

花子古い建物でガラス越しに外を見ると，景色が歪ゆがんで見えることがあるけれど，フロート法が開発される前に作られた平らじゃないガラスの窓だったのね！ そうそう，ガラス自体に色がついているものもあるわ。

ケン色ガラスだね。金属の化合物を混ぜることで，着色している。例えば，銅（Cu）の化合物を入れると赤や青に，カルシウム化合物なら乳白色になる。いろいろな着色剤を混ぜると黒っぽい色になるよ。

花子えっ，銅は赤にも青にもなるの？

ケンいいところに気付いたね。金属元素がガラスの中にどのように取り込まれているかで変わるんだ。

最先端技術も支えるガラス

花子うちのガラス食器には，コンロや電子レンジで熱してもいいものがあるわね。

ケン普通のガラスは熱による膨張ぼうちょうで割れてしまうけど，耐熱ガラス食器は原料を変えて熱膨張しにくくしたガラスでできているんだ。ただ，直火にはかけられないものもあるから気を付けよう。膨張しにくいガラスは，最先端の天体望遠鏡に搭載される“鏡”をつくる材料としても使われているよ。インターネットを使えるのは，石英ガラスを繊維状に成形して作られた“ 光ファイバー ”と呼ばれるケーブルで，世界中がつながっているからだね。ソーダ石灰ガラスのナトリウムイオン（Na⁺）の一部をより大きなカリウムイオン（K⁺）に交換してつくる「化学強化ガラス」は，衝撃に強くて割れにくいんだ。ずっと昔から実験器具の多くがガラス製なのは，透明で中が観察しやすいことや，他の物質と化学変化を起こしにくいことが理由だね。

花子風鈴と同じガラス素材が，こんなにもいろいろな所で使われているのに驚きだわ！！

ケン本当だね。ところで今年は国際ガラス年だね。だから，毎年4月の科学技術週間に合わせて発行される「一家に1枚ポスター」も「ガラス」がテーマなんだ。ホームページ（https://glass-poster.iyog2022.jp/）では，ガラスの作り方の動画や，ガラス作り体験ができる工房も紹介されているから，ホームページをぜひ見て欲しいな。

【参考】

『トコトンやさしい ガラスの本』（日刊工業新聞社）

ガラスミュージアム（ガラス産業連合会）：https://www.gic.jp/museum/index.html

ガラスの色（日本硝子製品工業会）：http://www.glassman.or.jp/know_06.html

江戸風鈴のこと（篠原まるよし風鈴）：https://www.edo-fuurin.com/about

耐熱ガラス食器の秘密　ガラスのお話（iwaki）：https://igc.co.jp/shop/pages/know_story.aspx/

※リンク先はいずれも2022年12月現在

化学だいすきクラブニュースレター第51号（2022年7月1日発行）より編集／転載