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更新日: 2018/03/31 13:29:43
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着色ガラスをつくろう

大学祭期間中の11月3日(木)に、日本化学会の援助を受けて、大窪とTA2名で高校生用の化学教室を開催しました。約10名程度の高校生が参加してくれました。実験時間が2時間程度と少なかったのですが、色ガラスを原料から作製し、作製したガラスのUVスペクトルの測定を行いました。いくつかのガラスは、除冷が不十分で割れてしまいましたが、綺麗に発色したガラスが得られました。実験中、結晶構造、溶融状態、ガラス構造の説明を分子動力学計算から作った動画(約369Mbyte)で説明しました。動画を見たい人は、ダウンロードして再生してください。講師の感想としては、波長とか原子の大きさとか、少し説明が不十分だったかなと感じました。配布した資料は、こちら

はじめに

建物や車の窓ガラス、飲料の入れ物としての瓶ガラス、食器やカメラのレンズ等、身の回りにあるものの多くにガラスは使われています。紀元前3000年頃のエジプトでもすでにガラスの装飾品や小さな容器が作られていました。また、火山の噴火で地下のマグマが液状に流れでて急に固まってできる黒曜石は、天然のガラスとして知られています。純粋なガラスは、無色透明です。しかし、何でも溶かしこむことのできるガラスの性質を利用して、特定の光だけを吸収する物質をガラスの中に入れると、色ガラスになります。周期表にあるたくさんの元素を眺めながら、原料から色ガラスを自分で作ってみて、ガラスに色がつく原理を考えてみましょう。

注意事項

  • 強熱したるつぼや銅板に触れないよう注意する。
  • 薬品が肌に付着したら水で洗い流す。
  • 実験操作でわからないことがあったら、先生やアシスタントに質問する。

実験手順

ガラス材料と着色材料の秤量と混合

  1. 電子天秤で薬包紙と薬さじを使ってガラス原料を秤量し、乳鉢に入れます。
    原料化学式重量(g)
    ホウ砂Na2B4O7・10H2O14.0
    ケイ砂SiO21.0
  2. 同じように以下の着色原料のいずれかを秤量し、乳鉢に入れます。
    遷移金属元素
    原料 化学式 重量(g)
    クロム酸カリウム K2CrO7 0.05
    過マンガン酸カリウム KMnO4 0.01
    酸化鉄 Fe2O3 0.05
    塩化コバルト CoCl2 0.05
    酸化ニッケル NiO 0.01
    硫酸銅 CuSO4・5H2O 0.05
    ランタノイド
    原料 化学式 重量(g)
    酸化セリウム CeO2 0.1
    酸化プラセオジム Pr2O3 0.1
    酸化ネオジウム Nd2O3 0.2
    酸化サマリウム Sm2O3 0.3
    酸化ホルミウム Ho2O3 0.3
    酸化エルビウム Er2O3 0.2
  3. 乳棒を使って粉末が均一になるよう5分程度、混合します。

ガラス材料の溶融

  1. るつぼに混合した薬品をすべて移します。
  2. 自分のるつぼを判別するために、筆を使って絵の具で、るつぼに印をつけます。
  3. るつぼを900℃の電気炉に投入します。電気炉に入れた時間をメモします。
    投入時間   :   
  4. もう一度、同じ量の原料の秤量し、乳棒・乳鉢で混合します。
  5. 電気炉からるつぼを取り出して、るつぼに原料を入れます。
    (電気炉からのるつぼの取り出しはアシスタントが行います!)
  6. 再度、るつぼを電気炉に入れます。電気炉に入れた時間をメモします。
    投入時間   :   
  7. ときどき覗きながら15分くらい電気炉の中で完全に溶融させます。

急冷固化

  1. 電気炉からるつぼから取り出します。取り出した時間をメモします。
    取り出し時間   :   
    (電気炉からのるつぼの取り出しはアシスタントが行います!)
  2. すばやく400℃に熱した銅板の上にガラス融体をたらします。
  3. そのまま15分くらい銅板の上で冷やします。

除冷

  1. 銅板の上で固化したガラスをピンセットで拾います。
  2. ガラス全体が均一に冷えるようにドライヤーの風をあてます。
  3. 10分くらい冷やします。
  4. 薬包紙の上でガラスに透明マニキュアを塗って、乾かせば完成!

紫外可視分光光度計測定

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  1. 隣の実験室で紫外可視分光光度計にガラスをセットして測定を行います。
  2. 測定は、アシスタントに手伝ってもらいましょう。
  3. 測定したチャートを下の図に書き写します。
  4. 右図の光の色と補色の関係からガラスの色の起源を考えます。
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