美しい化学の庭園：ケミカルガーデン

透明なケイ酸ナトリウム水溶液に数種類の金属塩結晶をぱらぱらと振り落とします…すると、結晶のあたりから枝のようなものがどんどん伸びていきます。短時間に、カラフルな枝が密集してきて、まるでガラス容器の中に庭や林ができあがったかのようです。

「動　画」カラフルな枝が勢いよく伸びてくる

「動　画」学生による解説付き：水ガラスの動画も

「解　説」

ゲルの生成と破裂が繰り返される：金属塩は、もとは強酸と弱塩基の塩なので、水に溶解して加水分解を起こします。特に、粒状の結晶のまま金属塩が水に接触すると、局所的に加水分解による酸性の部分かできるのです。一方、ケイ酸ナトリウムNa₂SiO₃は水に溶解して塩基性を示す物質(水ガラスとも呼ばれる)ですが、そこに酸が加わるとゲル状のケイ酸(または金属との)を生成します。

Na₂SiO₃ +  2H⁺  → H₂SiO₃ +  2H⁺

(ケイ酸：ゲル状)

ケイ酸ナトリウム水溶液に金属塩の結晶を落とすと、粒の付近にゲル状のケイ酸が生成して、結晶のまわりを包み込む感じになるわけです。また、結晶付近の浸透圧は高いため、ゲル膜を水分子が通過してきます。ゲル膜内部の圧力が上昇していき、ついにゲル膜は破裂してしまします。膜を押す水圧は、上方向が低いので、こちらが破れやすくなります。破れた膜の付近では、新しい膜の生成が進みますが、やはりゲル膜内の圧力が高まっては破裂を繰り返します。こうして、上方向にゲル膜の側面部分の残りが積み重なって、枝状の固体が伸びていくことになるのです。ちょうど、火山が噴火して溶岩が積み重なり、噴火を繰り返しては大きくなっていく火山の成長モデルのようです。なお、枝状の固体は、金属イオンを少し含んだ非晶質のゲルであって、金属結晶そのものが成長したものではありません。

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