高等学校化学I/セラミックス

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ガラス、セメント、陶磁器などを総称して、セラミックスという。

また、このようなセラミック製品を製造する産業を、「セラミック産業」または「窯業」(ようぎょう)という。 「窯」とは「かま」の事である。

原材料にケイ酸塩(けいさんえん)化合物を用いることが多いことから、「ケイ酸塩工業」ともいう。


セラミックスには多くの種類があるが、おもに、陶磁器などの焼き物、ガラス、コンクリートなどが、セラミックスである。

共通する性質[編集]

セラミックスには下記のように多くの種類があるが、ほとんどのセラミックス材料に共通する性質として、

・ 成形後は、力をくわえても、変形しづらい。高校理科の段階では、「変形しない」と覚えても大丈夫だろう。教科書などにある、セラミックスは「硬い」とは、この変形しない性質である。けっして「丈夫」「強い」という事ではなく、衝撃などには弱い場合もあるので、けっして混同しないように。また、延性・展性などは、無い。
・ 普通のセラミックスは、電気を通さない。金属とは違い、セラミックスには、そもそも自由電子が無い。セラミックスには、電気の絶縁性がある。導電性が無い、とも癒える。
・ 融点が高い。また、耐熱性が大きい。しかし、急激な温度変化に対しては、弱い。
・ さびない。

なお、セラミックスの形を決める成形は、焼き物などは、焼き固める前に、形を作っておく。

材料によっては、例外もある。 また、後述する「ニューセラミックス」「ファインセラミックス」では、セラミックに他の材料などを混ぜるなどをして、特性を改良ているため、上記の特性の例外となる場合もある。


なお、「硬い」という長所は、加工のさいには「展性が無い」ので加工が難しいという短所でもある。

このように、長所が、場合によっては短所ともなる。このような長所と短所の組み合わせは、なにもセラミックスだけに限らず、そもそも、すべての性質を両立する材料というのは原理的にありえない。

よって、材料の利用者は、目的に応じて、適切な材料を使いわける事が必要となる。

セメント[編集]

建築用のセメント(cement)は、原料に、石灰石、砂、砂利、酸化鉄、粘土、セッコウなどを含んでいる。製造のとき、石灰石が高熱で処理され、酸化カルシウム CaO になる。 セメントは、水をくわえると、発熱しながら、やがて硬化する。

また、コンクリート(concrete)は、セメントに、砂利、砂、水をくわえて、固めた物である。

セメントおよびコンクリートの、水により固まる反応の化学式については、多くの反応が関わっており、複雑なので省略する(高校化学の検定教科書でも、説明を省略している)。

なお、セメントに砂を混ぜたものは、「モルタル」(mortar)という。

セメントおよびコンクリートには、カルシウム Ca が含まれている。 なお、セッコウは、硬化を遅らせて調節するために添加されている。

コンクリートは圧縮の力には強いが、引っ張りの力には弱いので、引っ張りにつよい鉄筋を入れた鉄筋コンクリート(てっきんコンクリート、reinfoced concrete 、略称:RC)として用いる。

コンクリートは、材料中の水酸化カルシウム Ca(OH)2 により、塩基性を示す。また、この塩基性により、内部の鉄筋が酸から保護される。空気中の酸性物質などにより、コンクリートはしだいに中性に中和されていき、そのため強度がしだいに低下していく。また、鉄筋を保護していたコンクリートが劣化すると、内部の鉄筋も酸に腐食されやすくなっていく。


ガラス[編集]

ガラスはケイ酸塩を主成分として、Na、K、などを含んでいる。

ガラスの結晶構造は不規則であり、また、一定の融点を持たない。高温にすると、やわらかくなり、水あめ のように軟らかくなる。冷えると、固まる。

ガラスの結晶のように、不規則なまま硬化している結晶構造を、アモルファス(非晶質)という。

ガラスは無色透明であるが、金属酸化物をくわえると、その種類に応じて着色する。

ほぼ二酸化ケイ素だけで出来ている高純度のガラスを、石英ガラスといい、紫外線の透過性が高く、また耐熱性も高いので、光学機器や耐熱ガラスや光ファイバーなどに利用されている。

しかし、石英ガラスは耐熱性が高すぎるため融点が高く、製造時の溶融加工が容易でないので、一般のガラス製品には添加物をくわえて融点を下げたソーダ石灰ガラスなどが用いられている。

窓ガラスなどに用いられる一般のガラスは、ソーダ石灰ガラスであり、SiO2のほか、Na2OとCaOを主成分としている。

このソーダ石灰ガラスの製法は、けい砂(主成分 SiO2)に、炭酸ナトリウム(Na2CO3)や石灰石を添加して作る。

ガラスを高温に熱していったとき、ガラスが軟らかくなり始める「軟化点」(なんかてん)または「軟化温度」という。ソーダ石灰ガラスの軟化点は630℃だが、石英ガラスの軟化点は1650℃と、かなり高い。

なお、理科実験などで用いるビーカーやフラスコなど、理科学器具に用いられるガラスの材質には、ホウケイ酸ガラスが用いられている。 ホウケイ酸ガラスは、ホウ砂(主成分 B2O3)とケイ砂からなるガラスである。ホウケイ酸ガラスは熱膨張率が低く、そのため耐熱性も高く、耐食性も高いことから、理科実験器具用のガラスとして用いられている。

鉛ガラスは密度が大きく、また、X線など放射線の吸収能も大きいため、放射線遮蔽窓として鉛ガラスは用いられている。 また、鉛ガラスは屈折率も大きいため、光学レンズとしても用いられる。

陶磁器[編集]

粘土や砂、岩石の粉などを焼き固めて、陶磁器がつくられる。

陶器は約1000℃で焼き固めてて作られ、磁器は約1400℃で焼き固めて作られる。

焼き固めとは、高温にすることで、粒子の表面が部分的に融け、そのあと冷ましていくことで、粒子どうしが接着する。

これらの焼き物の表面には、焼く前に、石英などの粉末からなる上薬(うわぐすり)が表面に用いられている。上薬のことを、釉薬(ゆうやく)ともいう。 焼く時に、上薬が融けて、ガラスになる。また、表面がガラスで保護されることで、吸水性がなくなる。

アルミナ[編集]

Al2O3は硬くて丈夫なので、さまざまな材料に用いられる。

研磨剤にも、アルミナは用いられている。

  • 電気工業への応用

アルミナは絶縁性も高く、そのためICチップなどの絶縁材にも用いられる。(参考文献、『セラミック材料』、工業高校教科書、文部科学省) おまけにアルミナは熱伝導性も比較的よく、そのため電気回路で生じたジュール熱を外部に放散しやすいので、温度上昇による誤動作を防ぎやすくて好都合である。

  • 医療への応用

また、医療用の人工骨などにアルミナ材料の人工骨を用いてても、拒否反応などを起こさず、生体適合性が良い。なお、自然には人体にアルミナは接着しないので、ボルトなどで人工的に人工骨を既存の骨に固定する必要がる。

シリコン[編集]

ケイ素 Si は、シリコンともいい、半導体の材料として、かなり高純度のシリコン(Si)に、導電性を適度に高めるための添加物を加えたものが用いられている。


なお、半導体は一般に、温度が高くなると、導電率が高くなる。このため、パソコンなどは温度が高くなると、誤動作をしてしまう。 温度が高くなると、導電率が高くなり、導電率が高くなると電流によりジュール熱が発生するので、ますます温度が高くなり、そのため、ますます電流が流れてジュール熱が発生してしまう。


ニューセラミックス[編集]

  • 酸化ジルコニウム

酸化ジルコニウム ZrO2 およびそれに添加物を加えた材料では、結晶中に自然に生じた欠陥が、まるでシリコン半導体でいう導電性を高めるための添加物と似た役割を生じて、参加ジルコニウム中の欠陥が酸化ジルコニウムの導電性に影響を与える。その結果、酸化ジルコニウムは、空気中の酸素濃度により導電性が変わる。このため、酸化ジルコニウムは酸素センサとして用いられる。

  • 酸化チタン
(※ 検定教科書によっては、金属材料として紹介する教科書出版社もある。)

酸化チタン TiO2 は、光が当たると、有機物を分解する。この有機物の分解作用のため、光の当たった酸化チタンは、殺菌や消臭などの効果をもつ。酸化チタンそのものは減らずに残り続けるので、触媒的に働くことから、このような光のあたった酸化チタンによる分解作用が、光触媒(ひかりしょくばい)と呼ばれる。

この分解のエネルギー源は、酸化チタンが紫外線を吸収し、そのエネルギーによって酸化チタンの酸化力が高まり、そして有機物を分解する。

(※ 余談: ) 光合成との類推の歴史
なぜだか検定教科書では触れられてないが、酸化チタンによる光触媒は、光があたることで、水を酸素と水素に分解する性質をもつ。
このため、科学業界では、過去に光合成(による酸素の発生)との類推が話題になった時代もあった。(光合成でも、光と水が必要だし、発生物が酸素なので)。 発見当初(1970年代ごろ)は「エネルギー源として、酸化チタンの水分解による酸素発生・水素発生の仕組みを使おう」と期待されたこともあるが、しかし、2010年代の現在では、酸化チタンの水分解の水素/酸素発生のしくみをそのままエネルギー源とする応用の話は、ぜんぜん聞かない。(おそらく、あまり費用効率が良くないのだろう。植物に光合成をさせたほうが安価なのだろう。)
たとえば1990年代ごろに出版された、光触媒についての昔の文献を読むと、酸素の発生について文献中で光合成との関係を類推していたりする。ただし、2010年代の現在では、そのような類推をする教科書は少ない。

さて太陽電池としても、酸化チタンは利用されている。酸化チタンそのものは紫外線しか吸収しないため効率が低いため、色素を添加して、色素に可視光を吸収をさせて、そのエネルギーを酸化チタンが利用できるように工夫した太陽電池が開発されており、色素増感型(しきそぞうかんがた)太陽電池と言われている。(「色素」そのものはセラミックではない。混同しないように。色素は一般に有機高分子である。)


また、色素と光によってエネルギーを得る仕組みが、植物の光合成の仕組みに似ていることから、生物学的にも興味を持たれている。


(※ 範囲外:) なお、実際の色素増感型太陽電池では、現状では、さらに電解液を用いる。この電解液の取り扱い方法などの問題があり、実用化が難航している。
また、色素増感型太陽電池の色素である高分子が、現状では、太陽光によって分解されてしまう、という欠点もある。(プラスチックは一般的に、太陽光線によって分解が早まる。主に紫外線の影響である。) このように色素増感型の太陽電池の実用化には、いろいろな問題点がある。
太陽電池以外にも、酸化チタンの用途がある。 (以上、範囲外。)


この他、酸化チタンは白色であり、人体に無害なので、化粧などの白色顔料としても用いられている。

このほか、超親水性(ちょうしんすいせい)という性質があり、水に濡れても水滴にならず、水が全体に広がるので、自動車のフロントガラスなどの添加剤に応用されている。


  • 酸化スズ SnO2

酸化スズ SnO2 では、表面に酸素を吸着する性質がある。そして、プロパンガスや一酸化炭素などにさらされると、吸着された酸素が燃焼して、もとの酸化スズに戻る。この吸着と酸素の離脱のさい、導電性が変わるため、プロパンガスなど可燃性ガス濃度を測るセンサーとして用いられる。

  • セラミック製コンデンサー

そもそもコンデンサーには、電気を通さない性質が求められる。つまりコンデンサーの材料は、絶縁物質であるべきである。そもそも、コンデンサーは、誘電分極(ゆうでん ぶんきょく)を利用した素子だから。もし、金属のように電気を通してしまうと、そもそもコンデンサーとしての役割を持たない。

セラミックは電気を通さないため、コンデンサーとして適切であり、じっさいにコンデンサーとしてセラミック材料は利用されている。

なお、セラミックは、絶縁材料としても、活用される。

コンデンサー材料としては、チタン酸バリウム BaTiO3 などがある。

  • 圧電性セラミックス

チタン酸ジルコン酸鉛 PbTiO3 や チタン酸バリウム BaTiO3 などに圧力をくわえると、電圧が発生する。これを利用して、圧力センサーなどに用いる。なお、チタン酸バリウムは、コンデンサー材料としても用いられている。このように、圧電の仕組みと、コンデンサーの誘電分極の仕組みとは、関連性がある。

なお、このような圧電性の材料に交流電圧をくわえると、振動をすることから、音波や振動の発生源としても用いられる。さらに、振動の共振周波数(きょうしんしゅうはすう、意味:その物体が振動しやすい周波数)が、その振動体に加えられた圧力や荷重などの外部の力によって変化することから、圧力センサーなどにも圧電材料が応用されている。

(※ 範囲外: )後述するハイドロキシアパタイトにも、微弱ながら圧電性がある。宇宙空間などの無重力に住むと、骨が弱まるが、「この圧電性が原因ではないか?」という説もある。(※ 参考文献: 東京化学同人『無機化学 -その現代的アプローチ-』平尾一之ほか、2014年第2版)

  • 生体セラミックス

ハイドロキシ アパタイトは、骨の主成分でもある。そのため、ハイドロキシアパタイトでつくった人工骨は、もともとの骨に接着しやすく、拒否反応なども起こりにくいので、医療用の人工骨などに利用される。なお、拒否反応などが無くて、生体に接着しやすい性質を、生体親和性(せいたい しんわせい)という(検定教科書の範囲、実教出版の教科書など)。 つまりハイドロキシアパタイトは、生体親和性が高い。

(※ 範囲外: )一説として、(『高等学校生物/生物II/生物の進化』で説明するような)生命の起源の細胞で、ハイドロキシアパタイトなどの無機物が細胞の土台になったという仮説もあるが、証明はされていない。なお、この仮説を「アパタイト起源説」という。(※ 参考文献: 東京化学同人『無機化学 -その現代的アプローチ-』平尾一之ほか、2014年第2版、396ページ)

(※ 範囲外: )なお、新種の生体用の構造材料の生体適合をしらべる試験では、いきなり動物実験をするのではなく、まず、動物の体液に似せた液体(生体疑似溶液)をつくり(生体の体液のイオンに近づけてあり、緩衝液などを加えてある)、まず、その議事溶液で異常が起きない事などの適合性を検証する。(※ 参考文献: 東京化学同人『無機化学 -その現代的アプローチ-』平尾一之ほか、2014年第2版、398ページ)


  • 炭化チタンTiC、炭化ホウ素B4C

炭化物のセラミックスの中には、硬度がかなり高く、また適度に靭性もあり、丈夫なものがある。このため、炭化チタン TiC などは切削工具などに用いられる。炭化ケイ素や窒化ケイ素なども、耐熱性が高い。

自動車エンジンやガスタービンなどに、これらの耐熱セラミックスが用いられる。

半導体およびセラミックの温度-電気特性[編集]

半導体や、いくつかのセラミックスには、温度の上昇にともなって、電気抵抗が下がるものがある。

なお、金属では、温度が上がると、電気抵抗が上がる。

半導体やセラミックスの、このような、温度上昇にともなって電気抵抗が下がる特性が実用化されており、電子機器での温度変化時の電圧など出力の安定化のための部品に利用したり、あるいは温度センサなどに利用されたりしている。