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物理と化学

ガラスは液体か固体か?最新の学説も合わせて解説!

投稿日:2018年3月27日 更新日:

突然ですがみなさんにクイズです!

ガラスは固体である、○か×か?
 
簡単すぎ、答えは○でしょ?

 
と答える人は多いでしょう。

 
しかし

実は正解は「どちらとも言えない」です!

「何だその曖昧な答えは?」と思う方はいるでしょうね。

筆者も昔は「ガラスは液体」であると学校の授業で習った記憶があります。

しかし近年になってその説が変わりつつあるようです。

結論から言えば「ガラスは液体と固体の中間の状態」という見方が強まっているそうです。

 
なぜこういった説が定着したのか?

ガラスの由来や性質、製造過程なども合わせて詳しく解説していきます!




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ガラスの由来とは?

現代社会においてガラスは台所の食器や電子機器製品においても必要不可欠なものとなっています。 そのガラスの起源は一体いつ頃になるのでしょうか?

ガラスは歴史を辿れば古代エジプト時代に作られたのが最初だと言われています。

この頃に作られたガラスはソーダ灰や石灰などの原料を摂氏1200度以上の高温で溶かして、その後冷却して固形化するというプロセスで製造していました。

宙吹きという技法もこの時代に確立されたもので、ガラス製造の歴史はかなり深いものだとわかります。

 
また天然にもガラスは存在していて、溶岩が固まった黒曜石がその代表例です。石器時代から鋭利な刃物として利用されていて、メソアメリカ文明やインカ文明など青銅器があまり見つからなかった文明では多数出土されています。

【ガラスの主な性質】

  • 密度は2.4-2.6g/cm3(石英ガラスは2.2)、鉛を用いたフリントガラスは金属並の6.3
  • 電気抵抗が極めて高くゴムやセラミックスと同程度
  • 酸には強いがアルカリに弱い、濃い水酸化ナトリウムを入れておくとガラス壁が侵される




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ガラスはなぜ液体と言われてた?

ほんの少し前までは「ガラスは固体ではなく液体だよ。」という雑学が流行っていました。

実際に学校の化学の授業でもそう習った人は多いでしょう、筆者もその一人です。

 
改めてなぜ液体と言われのかその根拠を解説します。

もともと固体とは分子構造が規則正しく並んだ結晶構造であるというのが基本的な定義になります。

ガラスは見た目も完全に固まっていてほぼ固体に見えて差し支えないですが、実は分子レベルでみるとその構造が不規則でバラバラなのです。

 
これはガラスの製造過程に原因があります。

ガラスの由来の項でも触れましたが、ガラスとは酸化物の固体を高温で溶かした後で冷却して固めることで出来あがります。

この冷却する過程で本来なら規則正しく並ぶはずの分子構造が、ガラスの場合だとバラバラのまま冷えて固まってしまうのです。

化学的な難しい用語で説明しますとこれはガラス転移現象と呼ばれています。

簡単に言えば液体をある速さで冷却していくと結晶化せずに過冷却液体になるというのが本現象の特徴で、ガラスは言ってみればとんでもないくらい冷えた液体ということです。

最近の学説は変わりつつある?

ガラスが液体だとしたら長い年月をかければ形が変形する可能性もあります。

事実古い建物の窓ガラスは重力の影響のためか下の方に垂れたような形になっている物もあります。

ただこれに関してはガラスの製造過程に問題があるとされていて、計算では1000年やそこらで目に見えるくらい変形する性質ではないということです。

そのため最近になってガラスは液体と決定づけるのはおかしいという風潮が広がりました。

そこで噴出した新説がアモルファスです。

 
アモルファスって何?

唐突に出てきた言葉で戸惑う方も多いでしょうが、これは言ってみればガラス転移点を超えて固まった結晶を持たない状態のことでガラス状態とほぼ同義だと考えてもいいです。

つまりガラスは液体でもなければ固体でもない状態、もしくは液体の性質を併せ持つ固体ということです。これが現在のガラスの定義になります。

 

京都大学の研究チームが固体だと証明?

しかしその考えももしかしたら違っているかもしれません。

なんと数年前に京都大学の研究チームが「ガラスは固体である」という証拠を見つけたと発表したのです。

一体どういうことなんでしょうか?

 
研究結果によると、ガラスの分子構造の中に正二十面体という幾何学的構造が組織化されていることをコンピュータシミュレーションの結果導き出したということで、これによって液体である可能性はほぼなくなりました。

ただしまだ全てのガラス状物質の中に正二十面体の構造が入っているとは断定できずあくまでコンピューターシミュレーションの予測で発見したに過ぎません。

ガラス状態に関してはまだ未解明な部分が多いです、今後の研究成果に期待してみましょう。

 

まとめ

以上ガラスの性質について紹介してきました。

まとめますと最新の学説では「ガラスは固体と液体の両方の性質を併せ持つ」とか「ガラスは限りなく液体に近い固体」というやや曖昧な結論です。

固体である!とは一言で断定できる段階には至っていないようです。

 
結局どっちなんだよ?

という感じですね(;^^)

実はガラス状態というのは『物理学の未解決問題』の1つとして数えられています。未解決なのでもし本当にガラスの正体を正しく解明できたら本当にノーベル賞がとれちゃいますね♪

 

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