カテゴリー: 土や岩石

石灰石の性質

石灰石は、おもに炭酸カルシウムからできています。

炭酸カルシウムは、純粋な水には溶けませんが二酸化炭素をふくんだ水には図の式のように反応して炭酸水素カルシウムになり、溶けます。

このため、二酸化炭素をふくんだ水が石灰岩のわれめを通るとこの反応によって石灰岩が溶け、長いあいだに、大きな洞穴になります。

これを石灰どう（鍾乳洞）といいます。
石灰どうでは、天井から炭酸水素カルシウムをふくんだ水がおちるとき途中で水分や二酸化炭素が逃げて、まえと逆の変化がおきます。

こうして、炭酸カルシウムができてかたまり、長いあいだに、つららのようになります。これを鍾乳石といいます。

水が地面に落ちてから同じような変化がおこると下からのびて、たけのこのようになります。これを石筍といいます。

石灰石（炭酸カルシウム）を熱すると、二酸化炭素を発生して生石灰（酸化カルシウム）ができます。
この生石灰を水に溶かすと、消石灰（水酸化カルシウムとなります。

また石灰石（炭酸カルシウム）は、酸と反応して二酸化炭素を発生し、その酸の塩となります。

石灰石の用途

石灰石は、生石灰・消石灰の原料になるほか、ガラス・セメントの原料にもなります。
また、鉄や銅の冶金で炉の材料や原料中にふくまれる二酸化ケイ素を取り除くためにも使われます。

炭化カルシウム

炭化カルシウムには、力ーバイドともいわれます。
酸化カルシウムと炭素（コークス・木炭をまぜて電気炉で2300℃ぐらいに熱すると、図の①式のような反応で、炭化カルシウムができます。

純粋な炭化カルシウムは、白くてにおいがありませんがふつうは不純物をふくんでいるので、灰色でいやなにおいがあります。
炭化カルシウムは水と反応して②式のようにアセチレンを出します。

アセチレンは燃えやすい気体で灯火用や高熱発生用の燃料として使われるほか
合成繊維や合成樹脂の原料としてなくてはならないものです。

また、炭化カルシウムを電気炉で1000℃ぐらいに熱し、これに窒素をおくると、図のような反応で石灰窒素（カルシウムシアナミドと炭素の混合物）ができます。

この方法は、空気中の窒素の利用法として非常に大切です。

石灰窒素は窒素肥料として使われるほか、カルシウムシアナミドは硫酸アンモニウム・尿素・グアニジンなどの原料として重要です。

陶磁器の種類

陶磁器の種類は非常に多く、細かく分ければきりがありませんがふつう、土器・陶器・石器・磁器のように分けられます。

陶土と磁土

陶磁器の主原料は、陶土と磁土です。
陶土も磁土も粘土の一種ですが、粘土のなかでもとくにカオリナイトを多量にふくみアルカリ・石灰・酸化鉄などの溶けやすい不純物が少ないものです。

磁土は、とくに良質のもので、カオリナイトを95～98パーセントふくみ陶土は磁土よりやや品質がおちるものです。

陶磁器の原料

主原料は陶土や磁土ですが、そのほかに、粘土の性質を調節したり製品を美しくするために、つぎのような原料を使います。

脱粘料

粘土のねばり気が強いと、成形しにくいうえに乾きにくいので、ねばり気を少なくする材料をくわえます。

これが脱粘料です。脱粘料には炭素・コークス・ケイ砂・粘土を焼いた粉などがあります。

溶質料

粘土を溶けやすくし、よく焼いてかたくするために粘土のほかに材料をくわえます。
これを溶質料といいます。溶質料には長石・ホウ砂・石灰などがあります。

うわぐすり

陶磁器の素地のめをふさいで、よごれにくく、また美しくするために陶磁器の表面にかけるものをうわぐすりといいます。

うわぐすりの成分は、ガラスとまったく同じでケイ酸ナトリウムやケイ酸カリウムなどが主成分になっています。

着色料

陶磁器に美しい色をつけたり、模様を書いたりするのに使う材料を、着色料といいます。
着色料は、ガラスの着色料と同じように、重金属の酸化物を使います。

着色料には、酸化鉄（黄色・緑色・青磁色）・酸化クロム（黄色・緑色）・酸化マンガン（かっ色）・酸化スズ乳白色）などがあり、それぞれの色をあらわします。

また、同じ着色料でも、条件によって色が違ってくることがあります。

陶磁器の製法

陶磁器の製法は、種類によって多少違いますが、ふつう、つぎのようにつくります。

①原料の処理と調合

細かく砕いた粘土を水で解いてどろどろにしさらにボールミルを使って、細かくします。

これを．流れている水に入れると、粒の大きいものは早く沈み粒の小さいものだけ運ばれて、沈澱池に沈みます。

こうしてできた粒のそろった粘土はよく乾かし脱燃料などの原料を正確にはかってまぜます。

調合した原料は、水をまぜてよくねります。
これを生地土といいますがふつうは、これをすぐ成形せずかわかないように注意して、貯蔵室で数週間貯蔵してから成形します。

②陶磁器の成形

美術品など複雑な形のものをつくるときには機械を使わずに、手で形を整えます。
これを手工法といいます。

工場では、円板を回転させ、その上に生地土をおいてへらか使って成形するろくろ法やセッコウの型の中に流しこんで成形する流しこみ法生地土を金属の型におしこんで成形する押圧法などが使われています。

②　乾燥

こうして成形した陶磁器は、まだ水分をたくさんふくんでいるので急に焼くと水分がいちどに蒸発して、ひびが入ってしまいます。

ですから、水分をよく蒸発させ乾燥してから、素焼きをします。

④素焼き

乾燥したままのものは、もろくて壊れやすいので、いちど焼いて丈夫にします。
この作業を素焼きといい、できたものも素焼ききといいます。

素焼きの温度はいろいろあります。
磁器や陶器は、ふつう低い温度で焼き、うわぐすりをかけないものは高い温度で焼きます。

⑤うわぐすりかけと本焼き

素焼きにうわぐすりをかけるには、うわぐすりの中に浸す方法やうわぐすりを流したり、はけでぬったりする方法があります。

うわぐすりをかけたものは、くっつかないように注意して、かまの中にならべます。
素焼きは、うわぐすりをかけたときに水分を吸っているのではじめはゆっくり温度を上げ、100～120℃ぐらいで水分を蒸発させます。

つぎに、だんだん温度を高め本焼きします。
本焼きの最高温度は、硬質磁器で1300～1435℃、軟質磁器では1150～1300℃、陶器は1100℃ぐらいです。

本焼きは、短くても10時間、長いものでは、30～50時間ぐらいの時間をかけます。

⑥冷却とかま出し

本焼きの終わった陶磁器を急に冷やすと外側と内部の冷え方が違ってくるので歪みができて、ゆがんだり割れたりします。

そこで、かまの中に入れたままにしたり、だんだん低い温度の空気をかまにふきこんだりして、ゆっくり冷やします。

冷却が終わったら、かまの口をあけ、手を入れることができるくらい冷やして取り出し、でき具合を調べて、悪いものは取り除きます。

レンガ

レンガの原料はほとんど粘土ですがねばりげの多すぎるときには、砂をくわえます。

原料を細かく砕き、よくこねて、21×10×6センチのわくにつめて乾燥させます。
これをかまに入れて焼きます。

レンガが赤い色をしているのは原料の中にかなりの量の酸化鉄がふくまれているからです。

瓦

原料の粘土を、細かく砕いてよくこね、型に入れて成形します。これを乾燥して焼きますが。

そのまま焼くとレンガのように赤くなるので、還元炎で焼きます。
そうすると、酸化鉄が還元されるので、黒っぽい色になります。

ふつうの瓦は、銀灰色で、たたくと金属のようなすんだ音のするものが良質です。
また、水を18パーセント以下しか吸いません。

赤色や青色の瓦は、うわぐすりをかけて焼いたものです。

タイル

浴室や便所など、ところにはるタイルには、いろいろの種類がありますが上質なものは、原料として磁土を使います。
ふつう、素焼きの上にうわぐすりをかけて本焼きします。

赤々青など美しい色をしたものがありますが色はどれもいちようでなければ、かべや床にはったときむらができるのでエアーコンプレッサーを使って、うわぐすりを吹き付けます。

ポルトランドセメントに、砂・砂利・砕いた石などをまぜて水でこねてかためたものを、コンクリートといいます。

コンクリートが固まるのは、セメントが砂や砂利をのりづけにする役目をするからです。
セメントを土木工事などに使うときは、ふつうコンクリートとして使います。

コンクリートの材料と混合

コンクリートの材料は、セメントのほかに、砂・砂利・水です。
セメントと砂と砂利をまぜる割合は、ふつう、体積で1対3対6ですがとくにきれいにしあげたいときは、1対2対4の割合でまぜます。

砂の大きさは、直径0.5センチ以下、砂利は直径1.5～5センチぐらいのものがよくまた大きさがそろっているよりも、そろっていないほうがきちっと固まります。

砂や砂利は、汚れているとセメントがつきにくいので、よく洗っておきます。

コンクリートを小さな建築現場などで使うときは材料を大きな鉄板の上で、シャベルを使ってまぜますが大量にコンクリートが必要なときには、コンクリートミキサーという機械を使います。

コンクリートを、思ったような形に固めるためには、型わくを使います。
型わくの中でコンクリートがかたまるのに必要な時間は天候や温度によっても違いますが夏で2日ぐらい、冬で4～7日ぐらいかかります。

また、水分が急に乾いてしまうと、コンクリートがかえってかたまりにくいのでコンクリートを流した上に、むしろのようなものをおきときどき水をまいて、湿気をあたえてやります。

コンクリートの表面仕上げ

型わくを外したコンクリートは、表面がざらざらして穴があいています。
そこで、必要があれば表面仕上げをしますが、それには、つぎのような方法があります。

摩擦法

表面をと石でみがき、穴にセメントをつめ、さらに砥石でみがきます。

研ぎ出し法

コンクリートの表面に、大理石や花コウ岩などをまぜたセメントをぬって乾いてから砥石でみがきます。

叩き取り法

乾いてから1か月くらい経って表面を金づちで叩いておとしセメントの中の石材を表面に出します。

鉄筋コンクリート

コンンクリートの中に、鋼鉄製の骨組みを入れコンクリートをいっそう強くしたものを、鉄筋コンクリートといいます。
ビルの建築などには、ほとんど鉄筋コンクリートが使われています。

セメントの種類

セメントとは、広い意味では、セッコウ・しっくい・水ガラスなどをふくみ非常に種類が多いのですが、ふつうはポルトランドセメントをさします。

そこで、ここではボルトランドセメソトについて調べることにします。

ポルトランドセメントの原料

セメントの原料には、つぎの5つがあります。

①　石灰質原料　もっともふつうに使われるのは、石灰石です。
この石灰石にふくまれている、アルミニウムや酸化鉄などの不純物はつぎにのべるように原料の一種になりますから、とりのぞく必要はありません。

②　アルミニウム原料　粘土がもっともふつうの原料です。
粘土には、アルミニウムばかりでなく、二酸化ケイ素・酸化鉄などもふくまれているので、セメントに必要な原料を、いちどに3つも供給することができるわけです。

③　二酸化ケイ素原料　粘土にふくまれている二酸化ケイ素だけでは足りないのでケイ砂やケイ石などを使います。

④　酸化鉄原料　粘土や石灰石にふくまれている酸化鉄だけでは足りないので砂鉄や黄鉄鉱を焼いたものなど、鉄分の多いものが使われます。

⑤　セッコウ　まえの4つの原料だけでは、セメントが早くかたまりすぎるのでそれをふせぐためにセッコウをくわえます。

天然に産出するセッコウのほかに、ほかの工業で副産物としてできる硫酸カルシウムも使われています。

ポルトランドセメントの製造

セメン卜の製造法は、原料を混合するときに水をくわえるかどうかで乾式法と湿式法に分けることができます。

①乾式法　まず、原料を粗く砕き、乾燥させて適当な割合にまぜます。

この割合が非常に大切で、これが違うとできたセメントの性質も非常に違ってきます。

つぎに、まぜあわせた原料を粉砕機で細かく砕いて粉末にします。
この粉末を回転炉に入れて熱します。

原料はこの回転炉のいっぽうから他のはしにいくまでに約1400℃ぐらいに熱せられ、大豆か梅干しぐらいの大きさの焼けた固まりになります。

これを、クリンカーといいます。

できたクリンカーは冷却室で冷やし、3パーセント以下のセッコウをくわえてふたたび粉砕機でくだき、細かい粉とします。

この粉末が、ポルトランドセメントです。

②湿式法　乾式法では、原料をよく乾燥させますが湿式法では、原料に水をくわえて砕き、どろどろにしてまぜあわせます。

つぎに、調合がよくできているかどうかを確かめてポンプで回転炉に入れます。
回転炉の中では、原料がまず乾燥されあとは、乾式法と同じようにして、セメントができます。

湿式法では、製品の品質が均一なことや、グリンカーが柔らかく砕きやすいこと
粉末が飛びちらないことなどが有利な点てすが回転炉の中で乾燥するために、燃料がたくさんいるという欠点があります。

ポルトランドセメントの性質

ポルトランドセメントは、比重3.1～3.2ぐらいの青っぽい灰色の粉末です。
成分はふつう酸化カルシウム63～66パーセント、二酸化ケイ素20～24パーセント酸化アルミニウム4～6パーセント、酸化第二鉄0～5パーセント、酸化マグネシウム1～2パーセント、三酸化イオウ1～3パーセントなどです。

セメントに水をくわえてこね、しばらくおくと固まります。

これをセメントの硬化といいます。硬化がなぜおこるかはくわしくわかっていませんが、つぎのように考えられています。

セメントに水をくわえると、セメントの成分が加水分解をおこします。
できた物質は、はじめはコロイド状になっていますが、しだいに結晶をつくります。
いっぽう、加水分解のとき、水酸化カルシウムができますがこれが空気中の二酸化炭素を吸って、炭酸カルシウムになります。

この2つの理由で、セメントが固まるというのです。

ガラスの種類

ガラスは非常に種類が多く、また分類のしかたもいろいろありますがふつうはつぎの表のように化学成分によって分類します。

ガラスの原料

ソーダガラスの原料はケイ砂・石灰石・炭酸ナトリウムです。
カリガラスの原料は、このうちの炭酸ナトリウムのかわりに炭酸カリウムを使ったものです。

また、鉛ガラスの原料は、カリガラスの原料のうち、石灰石を酸化鉛にかえたものです。

ケイ砂は、長石質の岩石が風化してできたものですからいろいろな不純物が混じっていますが、おもな成分は二酸化ケイ素です。

二酸化ケイ素は酸性酸化物なので酸性原料といわれます。

炭酸ナトリウムは、塩基性塩なので塩基性原料といわれアンモニアソーダ法で、石灰石と食塩とから大量につくられます。
炭酸カリウムも塩基性原料で、天然の硫酸カリウムから生産されます。

石灰石と酸化鉛は、同じように塩基性原料です。石灰石のおもな成分は炭酸カルシウムです。
また、酸化鉛は、ほとんどが四三酸化鉛で、一部分一酸化鉛がまじっています。

ガラスの製法

まず、原料をまぜますが、このときまぜる原料の割合を決めるのが非常に大切でガラスの品質のよしあしは、このまぜる割合によって決まります。

まぜあわせた原料を、バッチといいますが
ふつうの板ガラスやガラス瓶をつくっている工場ではバッチだけでなく、古いガラスのくずをまぜて使います。

このくずガラスをカレットと卜います。
カレットは、いちどガラスとなっているのですから原料の配合の心配はなく、便利です。

ふつう、カレットをまざる量は、10～30パーセントですが50パーセント以上まぜることもあります。

原料の調合がすんだら、これに熱をくわえて溶かします。
工芸ガラスなどをつくる小さな工場では融解炉の中で、るつぼを使って溶かします。

いっぽう、板ガラスなどを大量につくる工場では耐火レンガでつくった、大きなタンクを使って溶かします。

原料を1300～1500℃ぐらい熱すると熱分解や化合によってカルシウムのケイ素酸塩やナトリウムのケイ酸塩ができ、種ガラスとなります。

るつぼ融解の場合は、溶けたガラスを全部とりだしてから原料を入れますが、タンク融解の場合は、いっぽうの囗から溶けたガラスをとりだしもういっぽうの口から原料を入れて、連続的に作業ができます。

ガラスの成形

種ガラスは、そのままでは使えませんから、成形をします。
ガラス製品は種類が多く、その成形法にもいろいろな方法があります。

人工吹き成形法

むかし、ガラスの成形はすべて、人工によっていました。
いまでも工芸品や理化学器械の一部は、この方法でつくられています。

人工吹き成形法は、左の写真のように長い鉄管を使っておこないます。
この鉄管の先に溶けたガラスをつけ、反対側から息をふきこんでふくらましたり道具を使って、形を整えたりします。

この方法は、技術がむずかしくいちどにたくさんつくれないなどの欠点がありますが細かい細工ができます。

機械成形法

板ガラスやガラス瓶などは、機械を使って大量につくられています。
機械成形法は、つくる物によって、つぎのような方法があります。

①　板ガラス　種ガラスに圧縮空気をふきこんで円筒形にしこれを横に切ってから切りひらく方法がおこなわれていましたが現在では種ガラスから、直接板状のガラスを引きあげる板引法によってつくられています。

②　ガラス瓶　種ガラスを機械の中に入れて、圧縮空気の力で型にふきこんで瓶の形にするオーエン式があります。

③　ガラス管　機械に種ガラスを入れ、太いガラス管をつくりこれをローラーの上を引っぱってのばすダンナー式があります。

このとき、引っぱる早さを加減すると、いろいろな太さのガラス管ができます。

ガラス製品の焼きなまし

ガラス製品は、成形のときに急に冷えるために内側と外側の冷え方が違って、ひずみができます。

ひずみができたガラスは、光学ガラスとしては使えませんしふつうの器具としても、もろくて壊れやすくなっています。

それで、製品をいちど500～600℃ぐらいに熱してからゆっくり冷やすと、ひずみがとれます。これを焼きなましといいます。

板引法やオーエン式の成形機械には焼きなましの装置がついていて自動的に成形と焼きなましがおこなわれます。

ガラスの着色

ガラスに色をつけるには、原料にいろいろな金属の酸化物などをくわえます。
青色は酸化コバルト、緑色は酸化クロム、かっ色は鉄と二酸化マンガン、赤色はセレンなどをくわえます。

また、乳白ガラスはホタル石や骨灰などをまぜてふつうのガラスがうすい青緑色をしていることがありますがこれは、原料中に鉄をふくんでいるためです。

ガラスの性質

ガラスは水にわずかに溶けます。
ことに温度が高いときや、水が塩基性のときは溶け方が多くなります。
これにたいして、酸には、わりあい強い性質をもっています。

しかし、酸や塩基にたいする性質は、ガラスの種類によって違います。

また、ガラスは、フッ化水素には強くおかされます。
これは、ガラスの成分である二酸化ケイ素がフッ化水素と上の式のように反応してフッ化ケイ素という気体になるからです。

この性質を利用し、フッ化水素水溶液を使ってガラス器具に、目盛りや模様を書くことができます。

地球をつくっている物を大気・水・岩石に分けて、重さでくらべてみると岩石がもっとも多く、約93パーセントをしめています。

そして、この岩石のなかには鉄・鉛・銅などの金属が鉱物となってふくまれているほかたくさんの元素がいろいろな化合物をつくってふくまれています。

ここでは、これらの岩石が、どのような成分からできているかまた、私たちの生活にどのように利用されているか、調べてみましょう。

クラーク数

大気と地球の表面から地下16キロメートルまでのいろいろな元素を重さの百分率（パーセント）であらわしたものをクラーク数といいます。

図は、クラーク数を円グラフでしめしたものです。このグラフを見ると、酸素が全体の約半分をしめ残りのうちの約半分をケイ素がしめていることがわかります。

岩石の成分

地球の表面の大部分をしめる岩石の約88パーセントは火成岩です。
このほかのおもな岩石は堆積岩でケツ岩約4パーセントをはじめ砂岩・石灰岩などがあります。

これらの岩石は、クラーク数で第８番目までの元素つまり、酸素・ケイ素・アルミニウム・鉄・カルシウム・ナトリウム・カリウム・マグネシウムがいろいろな形で組みあわさってできています。

造岩鉱物の成分

岩石は、まえのページの表のような化合物が集まってできているのですがこれらの化合物は、岩石にばらばらにふくまれているのではありません。

1つまたは、いくつかの化合物が集まって鉱物をつくり、それが岩石をつくっています。この岩石をつくっている鉱物を、造岩鉱物といいます。

造岩鉱物には、非常にたくさんの種類があり、その成分もさまざまです。

たとえば、石英は、二酸化ケイ素だけでできていますが正長石はもっと複雑で二酸化ケイ素と、酸化アルミニウム・酸化カリウムで塩をつくっています。

ふつう、造岩鉱物は、石英のようなかんたんなものより正長石のような複雑なもののほうが多くその形も二酸化ケイ素のような酸性酸化物と酸化アルミニウム・酸化カリウムのような塩基性酸化物との塩となっている場合がほとんどです。

岩石の風化

岩石は、いろいろな鉱物からできていますが鉱物は、種類によって、膨張のしかたが違います。

そのため、長いあいだ、膨らんだり、縮んだりしているうちに岩石にひびが入ってきます。

このひびのあいだに水が入って、凍ったりするといっそうひびが大きくなって、ついには割れてしまいます。

また鉱物は、水とむすびついて加水分解をおこします。
とくに、水の中に二酸化炭素が溶けていると、いっそう激しい加水分解をおこします。

岩石は、長いあいだに、このようないろいろな変化をうけてばらばらに砕けていきます。これを岩石の風化といいます。

砂の成分

砂は、岩石の風化によってできる、岩石の小さい粒です。
したがって、成分も岩石と同じです。砂の中には、磁鉄鉱・金などをふくれことがあります。

このような磁鉄鉱や金を、それぞれ砂鉄・砂金といいます。

粘土の成分

岩石が風化してできた物で、砂より粒の細かいものが粘土です。
岩石のおもな成分は長石類ですが、この長石が加水分解をうけて風化されるとカオリナイト・二酸化ケイ素・炭酸カリウムになります。

このうち、炭酸カリウムは水に溶けやすいので水に溶けて流れてしまいます。
したがって粘土のおもな成分は、カオリナイトと二酸化ケイ素で不純物として、酸化鉄平石灰分をふくんでいます。

しかし、これらの成分は重さが違うので、川を流れたりすると沈む場所が違って成分がかわってくることがあります。

粘土は、ふくまれている成分によって、つぎのように分けられます。

①　高級粘土　50パーセント以上がカオリナイトで少量の二酸化ケイ素をふくむ（カオリナイト・磁土・耐火粘土・陶土など）

②　低級粘土　カオリナイトを10～70パーセントふくみ、溶けやすい不純物をふくむ。（かわら用粘土・レンガ用粘土など）