ガラスの化学的な組成の違いとソーダ石灰ガラス　どのような組成のガラスがあるのか？ソーダ石灰ガラスとは何か？

この記事で分かること

ガラスの化学的な組成の違いとソーダ石灰ガラス

　ガラスの用途は多岐にわたります。主な用途は、建物の窓ガラスや自動車のフロントガラスなどの建築・輸送機器です。また、ビール瓶や食品容器などの包装材、テレビやスマホのディスプレイ基板、光ファイバーなどのエレクトロニクス分野でも不可欠な素材です。

　そのためガラス製造市場の規模は非常に大きく、2024年時点で2,350億米ドル（約35兆円）を超えると推定されており、今後も年平均成長率（CAGR）5%以上で着実に拡大すると予測されています。

　この成長は主に、世界的な建設・建築分野での需要増加や、包装（リサイクル可能なガラス瓶の需要増）および自動車分野での用途拡大に牽引されています。

　前回はオーバーフロー・ダウンドロー法に関する記事でしたが、今回は、ガラスの化学的な組成の違いやソーダ石灰ガラスに関する記事となります。

ガラスを化学的な組成で分類するとどのようなものがあるのか

　ガラスの科学的な組成による分類の大部分は、ケイ酸塩ガラス（主成分が二酸化ケイ素 SiO2）に属しますが、添加される副成分によっていくつかの主要なタイプに分けられます。

主なガラスの分類と組成は以下の通りです。

分類	主な組成	特徴	主な用途
ソーダ石灰ガラス (Soda-lime glass)	SiO2 Na2O Ca	最も一般的で安価。加工しやすいが、耐熱性・耐化学性に劣る。	窓ガラス、瓶、一般的な食器、電球など（最も生産量が多い）
ホウケイ酸ガラス (Borosilicate glass)	SiO2 B2O3 Al2O3	熱膨張係数が小さく、耐熱性・耐薬品性に優れる。	実験用ガラス器具、耐熱食器、自動車のヘッドライトなど
鉛ガラス (Lead glass) / クリスタルガラス	SiO2 K2O PbO	比重が大きく、屈折率が高い。光沢があり、X線遮蔽能力がある。	高級食器、装飾品、光学レンズ、X線遮蔽窓など
石英ガラス (Fused silica glass)	高純度な SiO2	熱膨張係数が極めて小さく、耐熱性・耐紫外線透過性に優れる。最も高価。	半導体製造装置、光ファイバー、特殊ランプ、理化学用など
アルミノケイ酸ガラス (Aluminosilicate glass)	SiO2 Al2O3	ホウケイ酸ガラスよりさらに高い耐熱性と化学的耐久性を持つ。	高温用部品、液晶ディスプレイパネル、化学強化ガラス（スマホ画面など）

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補足的な分類

　上記以外にも、特殊な用途や組成を持つガラスがあります。

• 無アルカリガラス：液晶ディスプレイ（LCD）の基板などに使用される、アルカリ成分を含まないガラス。
• カルコゲン化物ガラス：ケイ素を含まず、セレン (Se)テルル(Te)などのカルコゲン元素を主成分とする非酸化物ガラス。赤外線透過性を持つ。
• アモルファス金属：金属元素を主成分とする非晶質材料で、「金属ガラス」とも呼ばれる。

　ガラスの性質（融点、熱膨張係数、化学的耐久性など）は、これらの成分の配合比率によって大きく決定されます。

ソーダ石灰ガラスとは何か

ソーダ石灰ガラス（Soda-lime glass）は、現在世界で最も広く利用され、最も一般的なガラスの種類です。単に「ソーダガラス」とも呼ばれます。

　ガラス製品全体の約90%を占める汎用ガラスで、その特徴は、安価であることと、比較的低い温度で溶けて加工しやすいことです。

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1. 組成（主成分）

ソーダ石灰ガラスは、主に以下の3つの成分から構成されています。

1. 二酸化ケイ素（シリカ） (SiO2：約 70～75％）
   • ガラスの主骨格となる成分（ケイ砂が原料）。
2. 酸化ナトリウム（ソーダ灰） (Na2O：約12～16％）
   • 溶融温度を下げるために添加される成分（フラックス）。これが「ソーダ」の名前の由来です。
3. 酸化カルシウム（石灰） (CaO：約 7～12%）
   • 水溶性になりがちなソーダを加えたガラスを安定させ、耐久性（耐水性）を高めるために添加される成分（石灰石が原料）。

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2. 特徴と用途

主な特徴

• 安価で量産性に優れる: 原料が豊富で、比較的低温（薬1000℃）で溶融するため、製造コストが低い。
• 加工性が高い: 融点が低く、様々な形状に成形しやすい。
• リサイクル可能: 環境負荷の低いリサイクル素材として広く活用されている。

短所

• 耐熱性が低い: 熱膨張係数が比較的大きく、急激な温度変化（熱衝撃）に弱い（約 60℃以上の急な温度差で割れる可能性がある）。
• 耐薬品性が低い: アルカリ性の溶液に弱い。

主な用途

安価さと高い汎用性から、日常生活で目にするほとんどのガラス製品に使用されています。

• 建築用ガラス: 窓ガラス、鏡
• 容器: 飲料瓶、食品保存瓶
• 日用雑貨: コップ、皿などの一般的な食器類
• その他: 電球、蛍光灯の管、水道メーターの窓など

酸化ナトリウムで溶融温度を下がる理由は何か

　酸化ナトリウムがガラス（主に二酸化ケイ素：SiO2）の溶融温度を下げる理由は、フラックス（融剤）として機能し、シリカの強固な網目構造を破壊するからです。

メカニズム

ガラスの主成分である二酸化ケイ素 は、ケイ素原 と酸素原子が強固な共有結合で結びついた、立体的で連続した網目構造（ガラス骨格）を持っています。この構造を完全に溶融させるには非常に高い温度（純粋なSiO2の融点は約 1,700℃ 以上）が必要です。

1. 網目構造の切断: 酸化ナトリウム を加えると、ナトリウム はケイ素 と酸素の共有結合の間に割り込みます。
2. 非架橋酸素の生成: ナトリウムイオン（修飾イオン）が結合に関与することで、ケイ素原子が共有する酸素原子（架橋酸素）の一部が切断され、非架橋酸素（Non-Bridging Oxygen）となります。
3. 粘度の低下: 網目構造が破壊され、高分子鎖が短くなったり、構造が緩んだりすると、ガラスの粘度が大幅に低下します。
4. 溶融温度の低下: 粘度が下がると、ガラス全体が流動的になりやすくなり、その結果として、溶融・加工に必要な温度（ガラス転移点Tgや軟化点）が大幅に低下します（ソーダ石灰ガラスは約 1,000℃程度）。

　酸化ナトリウムはガラスの骨格を緩めることで、製造を容易かつ安価にする役割を果たしています。

酸化カルシウムが耐久性（耐水性）を高める理由は何か

　酸化カルシウム (CaOが)ソーダ石灰ガラスの耐久性（耐水性）を高める理由は、水に溶けやすいアルカリ成分の流出を防ぎ、ガラス構造を安定化させるからです。

メカニズム

1. 水溶性の問題:ガラスの溶融温度を下げるために添加される酸化ナトリウム (Na2O) は、ガラス骨格を破壊しやすくする一方で、水分と反応しやすいアルカリ成分でもあります。Na2O が過剰なガラスは、水に触れるとアルカリ成分 (Naイオン) が水中に溶け出しやすく（アルカリ溶出）、ガラス表面が劣化しやすくなります。
2. CaOによる安定化:酸化カルシウム CaOは、Na2O と同様にガラスの網目構造に入り込む成分ですが、Na+ イオンよりも水に溶け出しにくいため、構造をしっかりと固定します。
3. アルカリ溶出の抑制:CaO がガラス骨格を強固にすることで、水分子がガラス内部に入り込みにくくなり、水溶性の高い Na+ イオンのガラス表面からの流出が大幅に抑制されます。

このように、CaO は溶融を助ける Na2Oの耐久性の欠点を補い、ソーダ石灰ガラスが長期間使用に耐えられるようにする、必須の安定剤としての役割を担っています。