研究室から生活へ：石英とホウケイ酸ガラスの性質を学ぶ

はじめに

ガラス素材は、私たちの日常生活や研究室の中心的な役割を果たしている。私たちが日常的に使用する機器や機械に使用され、研究室や産業界では精密性や安全性の面で中心的な役割を担っています。石英ガラスとホウケイ酸ガラスは、科学、産業、技術において極めて重要な位置を占めている。石英ガラスとホウケイ酸ガラスは、そのユニークな特性から選ばれています。

石英ガラスとは？

石英ガラスは主に二酸化ケイ素（SiO₂）から構成されています。天然石英と合成石英の2種類があります。天然石英は何千年もかけて地球の中で形成されます。合成石英は、高純度のために管理された条件下で製造されます。

石英ガラスは非常に純粋で透明度が高い。透明なので光学用途に最適です。それは非常に熱的に安定している。石英ガラスは熱膨張が小さい。熱したり冷やしたりを繰り返しても形が変わりません。石英ガラスは非常に硬く、耐薬品性があります。これらの特性は、過酷な環境や高温プロセスで便利であることを証明します。

石英ガラスは通常、汚染物質が正確な測定を損なうような場所で使用されます。ほとんどの科学機器やハイテク・アプリケーションにおいて、光学的な透明性は不可欠です。分光学や高温炉用の特殊光学部品は、石英ガラスを使用する研究所で利用可能です。

ホウケイ酸ガラスとは？

ホウケイ酸ガラスは、二酸化ケイ素、酸化ホウ素（B₂O₃）、およびいくつかのマイナーな酸化物を組み合わせて作られます。正確な配合は会社によって異なる。このタイプのガラスは、何十年も前からあるパイレックスのような製品を通じて普及した。

酸化ホウ素の導入は、このガラスにユニークな特性を与えている。ホウケイ酸ガラスは熱衝撃に強い。急激な温度変化にも割れることなく耐える。耐薬品性は中程度で、ほとんどの実験用化学薬品を受け入れます。熱膨張は通常のソーダ石灰ガラスより小さい。このため、ガラスが急速に冷却または加熱されたときに破損することがありません。ホウケイ酸ガラスは機械的にも強靭で、調理や化学薬品の貯蔵といった日常的な使用に耐える。

このガラスは、強度と耐熱性の両方が必要な製品によく使われています。実験用のビーカー、フラスコ、コンデンサーなどに使われています。また、その特性から一般家庭の調理器具にもよく使われている。

石英ガラスとホウケイ酸ガラスの違い

石英ガラスとホウケイ酸ガラスは性質が異なります。以下はその違いの概要である：

熱的性質：

- 石英ガラスは非常に高い温度で軟化し溶ける。熱膨張率が低いため、高温用途に非常に適している。

- ホウケイ酸ガラスは石英よりも融点が低く、耐熱衝撃性に優れているため、実験室や一般用途に適しています。

機械的特性：

- 石英ガラスは非常に硬い。また脆い。衝撃で割れる。

- ホウケイ酸ガラスは割れにくい。機械的強度が高く、多少の衝撃には耐えられる。

化学的耐久性：

- 石英ガラスは酸や塩基のようなほとんどの化学薬品に耐性がある。

- ホウケイ酸ガラスの耐薬品性は中程度で、ほとんどの実験室用途には十分ですが、強酸や強塩基には時間とともに分解されます。

光学特性：

- 石英ガラスは透明度が高く、紫外線（UV）透過率も高い。

- ホウケイ酸ガラスも透明ですが、組成中の添加物によって紫外線透過率に若干のばらつきがあります。

実験室用途

石英ガラスは高温で安定し、純度が高いので実験室で使用される。科学者は高温炉で石英部品を使用する。その安定した透明な状態は光学機器に有利である。一部の分光装置では、その精度の高さから石英ガラスが使用されている。

ホウケイ酸ガラスはほとんどの実験器具に使われている。ビーカー、フラスコ、コンデンサーはホウケイ酸ガラス製である。その耐熱衝撃性は、急激な温度変化の際の事故防止になる。また、化学処理装置には、その耐摩耗性が生かされている。この2つのガラスは、実験室の機能に応じて使い分けられている。石英ガラスは非常に高い純度と安定性を必要とする用途に使用される。ホウケイ酸ガラスは、日常的な実験用途や一般的な化学処理に適しています。

工業用途と一般用途

石英ガラスは日常機器やハイテク産業で使用されています。精度と透明性が要求される光ファイバーに使われています。電子機器や半導体製造も水晶ガラスに依存している。水晶振動子は、時計製造の精密時計に使用されている。

ホウケイ酸ガラスは家庭や産業界で広く認知されている。ホウケイ酸ガラスの調理器具は熱に強い。学校で一般的な実験室製品は、この材料から作られています。照明器具は、熱衝撃に強いホウケイ酸ガラス製が多い。さらに、ホウケイ酸ガラスで製造された化学薬品貯蔵用フラスコは、信頼性と耐久性に優れています。

このような種類のガラスの選択は、コスト、硬度、性能の必要性によって決まる。石英ガラスは化学的純度が高く、耐熱性に優れています。ホウケイ酸ガラスは、家庭用および業務用としてコストと性能のバランスを実現している。

特性を観察する実地実験

簡単な実験は、これらのガラスをよりよく理解するのに役立ちます。以下の実験は、家庭や学校の実験室で行うことができる。

耐熱性の実演：

石英ガラスとホウケイ酸ガラスを別々の熱源に入れる。温度変化にどのように対応するかを観察する。石英ガラスは、極度の熱に耐え、その形状を失わないことが必要である。ホウケイ酸ガラスは急激な変化に対応できる。

透明度と屈折率の観察

どちらのガラスも光源で照らさなければならない。石英ガラスは一般的に透明で屈折率が一定している。ホウケイ酸ガラスは透明だが、微細な違いが見られることがある。

各試料に弱酸または塩基を1滴加える。しばらく放置した後、水でガラスをすすぎます。石英ガラスは耐性が高いため、ほとんど影響を受けない。ホウケイ酸ガラスは、その抵抗の低さを証明するように、おそらくわずかな反応を示すだろう。

これらのテストは、あらゆる種類のガラスがストレス下でどのように作用するかを示している。また、特定の用途に特定のガラスが選ばれる理由も示しています。簡単な試験で、熱安定性、光透過性、耐薬品性に違いがあることがわかる。

結論

石英ガラスとホウケイ酸ガラスは、それぞれ異なる用途に適した特殊な性質を持っている。石英ガラスは純度、温度安定性、低熱膨張性において優れている。石英ガラスは、高温・高精度の実験室や産業で使用されます。ホウケイ酸ガラスは耐熱衝撃性に優れ、適度な化学的安定性があり、機械的強度に優れています。より詳しい情報やSTEM実験については、スタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ（SAM）をご覧ください。

よくある質問

F: なぜ石英ガラスは高温に適しているのですか？

Q: その純度と熱安定性により、膨張を最小限に抑えながら厳しい温度変化に耐えることができます。

F: なぜホウケイ酸ガラスは調理器具によく使われているのですか？

Q: その硬度と高い耐熱衝撃性により、調理や熱い液体を注いでも安全です。

F:石英ガラスとホウケイ酸ガラスでは耐薬品性にどのような違いがありますか？

Q: 石英ガラスは耐薬品性が高く、ホウケイ酸ガラスは中程度の耐薬品性です。