耐熱ガラス（ホウケイ酸ガラス）について

耐熱ガラスは、普通のガラスの原料に酸化ホウ素を加えることで熱膨張率を低下させ、温度変化によるひずみが少なくなることから割れにくくなると知りました。

質問なのですが、どうして酸化ホウ素を加えるとガラスの熱膨張率が低下するのでしょうか？
二酸化ケイ素や酸化ホウ素、その他の分子間でどのようなことが起こって熱による膨張を抑えているのか教えてください。

知っている方がいらっしゃいましたらよろしくお願いします。

No.4 ベストアンサー 回答者： toboke 回答日時： 2012/09/13 00:45

ホウケイ酸耐熱ガラスとして代表的なのはパイレックスですが、その組成はNo.1さんが書いておられるように、熱膨張率を上げるソーダ（炭酸ナトリウム→ガラス中では酸化ナトリウム）が４％と、瓶ガラスや窓ガラスの１／４ほどしか入っておりません。

瓶ガラスなどでは、原料溶解温度を下げるためにソーダが15％程度入っており、耐候性を上げるためにライム（炭酸カルシウム→酸化カルシウム）やアルミナが添加されています。

パイレックスではソーダが少量のため熱膨張率が低いのですが、高い溶融温度が必要となり、もし残りが二酸化ケイ素であれば溶融温度が高すぎて製造が困難になります。
このため熱膨張率を上げる効果が少なくて溶融温度を下げるホウ酸が添加されています。

つまりホウ酸は熱膨張率を低下させるというよりも溶融温度を下げるために加えられています。

この回答へのお礼

よく理解できました(^^)
ありがとうございました

お礼日時：2012/09/14 19:00

No.3 回答者： 7964 回答日時： 2012/09/09 19:47

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この回答へのお礼

いろんな本があるんですね
今度本屋で探してます
ありがとうございます(^o^)

お礼日時：2012/09/14 19:03

No.2 回答者： ORUKA1951 回答日時： 2012/09/09 00:14

ガラスとは、広い意味で「ガラス転移を示す非晶質の固体」ですが、ここでは二酸化珪素を主成分とするガラス(珪酸ガラス)について説明します。

　ご存知のように、石英ガラスは耐熱ガラス(ホウ珪酸ガラス--商品名パイレックス)よりはるかに耐熱性が高く、赤熱した石英ガラスを水中に入れても割れません。

　ガラスに限らず急冷によって破砕されるのは、ご想像のとおり熱膨張率と、素材中のムラです。熱膨張はその固体を構成する粒子間の結合力と方向性によります。二酸化珪素や炭素はきわめて強い結合である共有結合ですが、ダイヤモンドより水晶のほうが熱膨張率は小さく、石英ガラスはさらに小さくなります。これは二酸化珪素は酸素を介した結合で、温度が上昇すると結合角が距離を縮める方向に変形するためだとされています。石英ガラスでは方向性がないため、この結合格変化が距離を縮める方向にも作用するためでしょう。
　この二酸化珪素のアモルフォス構造内に、他の原子が混入すると、それ自体は基本的に二酸化珪素の骨格とは結合はしていなくて独立しています。それらの熱膨張係数は二酸化珪素のそれよりも一般的に極めて大きいため、熱膨張係数は大きくなります。ホウ珪酸ガラスの場合は、ホウ素が構造間に存在しますが、軽いため熱振動によって振動することが制約されます。--体重が軽いものにぶつかられてもよろめかない---硼砂自体の熱膨張係数も二酸化珪素に近い値--確か8×10⁻⁶/Kあたり・・

この回答へのお礼

tobokeさんの回答と合わせて仕組みがわかりました
ありがとうございました(^o^)

お礼日時：2012/09/14 19:02

No.1 回答者： 7964 回答日時： 2012/09/08 22:46

ホウ素の原子量が小さいため、通常のガラスより密度が低い。

ホウケイ酸ガラスの熱膨張率は3×10－6/Kと、通常のガラスと比べて3分の1程度である。 そのため温度差に起因する熱応力が減少し、熱衝撃に強くなっている。 急激に、あるいは不均一に加熱すれば割れるが、粉々にはなりにくい。
光学的には色分散が小さく（アッベ数65程度）屈折率が低い（可視領域で1.51-1.54）、クラウンガラスである。 通常は無色であるが、ガラス工芸用の着色したものも存在する。

製法

通常のガラス原料である珪砂、ソーダ、石灰石に加えてホウ砂を用いる。 実験器具に使われている低膨張率のホウケイ酸ガラスは、およそ80%の二酸化ケイ素、13%の酸化ホウ素、4%の酸化ナトリウム、2-3%の酸化アルミニウムを含んでいる。 融点が高いことから、溶接業で用いられるようなガスバーナーが必要となる。

用途

現代ではほぼ全ての実験用ガラス器具がホウケイ酸ガラスでできている。 高融点やUV透過性が必要な場合には石英ガラスが用いられるが、加工が難しく高価である。 ホウケイ酸ガラス製の器具を用いると、微量であるがガラス中のホウ素が溶出する。このため、ホウ素の分析では、ホウ素を含まない素材（軟質ガラス、石英ガラス、合成樹脂等）の器具を使用するのが望ましい。
耐熱性が良いことから台所用の器具としても使われている。
わずかな熱変動に対して精度を確保するため、反射望遠鏡の鏡に用いられている。 光学レンズの材料としても良く使われているが、その場合は非常に質の高い物が要求される。

歴史

19世紀末にドイツの化学者フリードリッヒ・オットー・ショットによって開発され、1893年にデュラン(Duran)のブランド名で販売されたのが最初である。
1915年コーニングがパイレックス(Pyrex)を売り出すと、とくに英語圏ではパイレックスの名で広まった。もっとも家庭用品に関して言えば、パイレックスブランドの欧州製品はホウケイ酸ガラスを使用しているものの[1]、アメリカ製品はソーダ石灰ガラスを用いている。

この回答への補足

Wikipediaでの情報はすでに読んであるので、もっと詳しい仕組みが知りたいのですが。
本などを紹介してくださっても構いません
よろしくお願いします

補足日時：2012/09/08 23:00