酸とアルカリとアンモニア

ぱりとん君

え？サメって？

パーチェス先生

それは後で解説しますね。

アルカリ性の汚れと酸性の汚れ

ぱりとん君

じゃあ早速。
パリトーンは耐酸性・耐アルカリ性が優れてるんだよね？

パーチェス先生

そうですね。
ですから、外壁や汚垂石などの過酷な環境下でも美観を保つことができるんです。

ぱりとん君

でも何で汚垂石は酸とアルカリに強い方がいいの？
耐酸性が求められるのは、酸性洗剤で掃除する事があるから、その時に耐性があるほうがいいってことだよね？

ぱりとん君

耐酸性が求められるのは、酸性洗剤で掃除する事があるから、その時に耐性があるほうがいいってことだよね？

パーチェス先生

その通りです。
詳しく話す前に、そもそも「何故酸の洗剤を使用するのか？」のおさらいですね。

ぱりとん君

お風呂場の隔て板の会では「石鹸カス、水垢はアルカリ性の汚れだから、中和させ、汚れを落とすために酸性洗剤を使用する事が効果的。」でしたよね？

パーチェス先生

そうです。

ぱりとん君

じゃあトイレもアルカリ性の汚れ？

パーチェス先生

カビや黒ずみは酸性の汚れですから、酸性、アルカリ性両方の汚れがある。の方が正しいですね。

ぱりとん君

汚れにもいろいろあるんですね。

パーチェス先生

まとめるとこんな感じです。

黄ばみ、尿石、水垢はアルカリ性→酸性洗剤が効果的
カビ・黒ずみは酸性→アルカリ性洗剤が効果的

においの元は何か？

ぱりとん君

においの元って、あの独特なアンモニア臭でしょ？
「鼻をつくような刺激臭」ってやつ

パーチェス先生

そうですね。ただ不思議に思いませんか？尿の排出時はあまり気にならないのに、
トイレに入ると刺激臭がすることに。

ぱりとん君

あ、確かに。

パーチェス先生

尿は時間が経つと雑菌によって分解されアンモニアになり、放置を続けると鼻をつくアンモニア臭になってしまうんです。

パーチェス先生

さらに放置をすると、トイレの黄ばみの原因である尿石ができてしまう。
これはブラシでこする程度では除去できないので、塩酸（HCl）などの強い酸性洗剤が必要になってしまうんです。

ぱりとん君

中和が効果的ってことね。

アンモニアはアルカリ性？

ぱりとん君

あれ？
尿石ってアンモニア臭の発生源って言ったよね？
アンモニアってアルカリ性なの？

パーチェス先生

そうですが、何か疑問点でも？

ぱりとん君

アンモニアってNH3だよね？
なんでアルカリなの？

ぱりとん君

例えば酸性だと、塩酸はHCl、硫酸はH2SO4とかH+があるやつ。
アルカリ性だと、水酸化ナトリウムNaOHでOH-があると思うけど、、、？

パーチェス先生

これから先はちょっと難しい話になりますよ。
酸・アルカリ性とは何かを考える際に「水溶液中」においてH+とOH-のどっちが多いか？で考えるんです。

パーチェス先生

アレニウスの定義によると、水に溶かした（水溶液）にした時に、水素イオン（H+）を放出する物質が「酸性」、水酸化物イオン（OH-）を放出する物質が「アルカリ性」になるんです。

ぱりとん君

・・・つまり？

パーチェス先生

確かにアンモニア自体にはOH基はないのですが、水に溶けたときにOH-を発生させます。
化学式だとこうなります。

NH3　+　H2O　⇄　NH4+　+　OH-

パーチェス先生

以上よりアンモニアはアルカリ性と言えるわけです。

ぱりとん君

アンモニアはアルカリ性の汚れだから、酸性洗剤を使用して中和させるのが効果的ってことだけは理解シマシタ。

パーチェス先生

・・・まぁ、ちょっと難しかったですね。
つまりは汚れも、それを中和させる洗剤共に酸・アルカリ性の環境になる事もあるので、汚垂石には両方の耐性が必要という結論ですね。

パーチェス先生

もちろんちょっとした汚れの場合では、中性洗剤を使う事もありますよ。

ぱりとん君

中和して汚れを落とすことはできないけど、界面活性剤の力での洗浄ですね。

サメのお肉食べたことありますか？

ぱりとん君

それで、これは何ですか？

パーチェス先生

そのままの意味ですが？
どうですか？食べたことありますか？

ぱりとん君

いや、無いですけど

パーチェス先生

何故？

ぱりとん君

何故って・・・スーパーとかで売ってませんよね？

パーチェス先生

そうなんですよ。
ただサメ肉は低カロリー、高タンパク質、低脂質でさらに骨は軟骨質なので子供から高齢者に優しい食材なので、おいしく調理できればもっと世に出回ればいいと思うんですよね。

ぱりとん君

おいしく調理できないんですか？

パーチェス先生

サメなどの軟骨魚類は体内の「浸透圧調整」に尿素を用いているため、身体組織に尿素を蓄積させているんです。
ですから新鮮なサメ肉からは感じられないが、時間が経つとアンモニア臭を放つようになる。
その結果、サメ肉がなかなか世の中に出回っていないってことになるんです。

ぱりとん君

・・・それで？

パーチェス先生

私の持論ですが、「老化の原因＝酸化」とすると、体内をアルカリ性にして中和していれば老化しにくいという考え方もできると思うんですよ。
4～500年生きたサメもここに長寿のヒントがあると私は考えています。

ぱりとん君

えっと・・この話の結論としては？

パーチェス先生

中和の力が偉大という事と、それに耐えうる素材や体が大事という事ですね。

ぱりとん君

あ、それで中和して汚れを落とすような個所にはパリトーンが適してるよ！ってことですね。

ぱりとん君の豆知識

飛来した銃弾を砕くガラス

パーチェス先生

まずはこちらを見てください。

出典：laughingsquid.com

弾丸をも砕くルパードの滴、オランダの涙とは？

ぱりとん君

え！？銃弾が砕けてるよ！

パーチェス先生

そうです。このオタマジャクシの様な形ガラスが、前回博士が強化ガラスとの違いで言っていた「ルパードの滴」又は「オランダの涙」です。

ぱりとん君

なんでこんな事ができるんですが？
防弾ガラスだって銃弾を砕くなんて聞いたこと無いですよ？

パーチェス先生

防弾ガラスはガラスと他の素材を貼り合わせることで衝撃を拡散していますが、このルパードの滴の仕組みは全く違うんですよ。

ぱりとん君

どう違うんですか？

パーチェス先生

ではまずは名前の由来から。
1661年にカンバーランド公ルパートが立ち会い行われた実験の為、Prince Rupert’s Drop「ルパードの滴」と名前が付きました。
また、この実験でかは定かではありませんが、オランダ製のガラスを使って涙の様な形になったから「オランダの涙」とも言われています。

製法はいたってカンタン

ぱりとん君

これだけ丈夫なガラスですもんね。
やっぱり作り方も相当特殊なんですか？

パーチェス先生

いえいえ。作り方は、溶融させたガラスを冷水に落とした物ですので。

ぱりとん君

え？だけ？

パーチェス先生

だけです。
強化ガラスがなぜ強いかは博士に習いましたよね？

ぱりとん君

はい。
そもそもガラスは引っ張りに弱いので、予め圧縮応力をかけているって習いました。

パーチェス先生

そうですね。ガラスを高温から急激に冷やすことで、膨張したガラスが縮もうとする。
その際の圧縮応力を利用するものでしたね。
その強化版だと思ってください。

ぱりとん君

強化版と言うと？

パーチェス先生

ええ。縮もうとする力を強くするにはどうすればよいですか？

ぱりとん君

いっぱい温めて、急激に冷やす？

パーチェス先生

いいですね。強化ガラスは変形しない程度でしたが、こちらはドロドロに溶けるくらいの温度です。
当然膨張する量も増え、その分冷やした際の縮もうとする力が強くなります。

パーチェス先生

さらに膨張係数の高ガラスを用いて、急速に冷やすと・・・

ぱりとん君

温めた際の膨張が大きくなるから、自然と元に戻る力も強くなる！

パーチェス先生

そうですね。その結果、強化ガラスの仕組みと同じように、外側に圧縮応力層ができます。

マッハ5.5で砕け散る姿は圧巻

ぱりとん君

じゃあこれも圧縮応力層と引張応力層のバランスを崩れるくらいの傷が入れば・・・

パーチェス先生

もちろん粉々です。
こんな感じに。

出典：thisiscolossal.com

出典：www.bestchinanews.com

ぱりとん君

うわっ・・・
ちょっときれいかも。

パーチェス先生

そうですね。
この映像はハイスピードカメラで撮っていますが、亀裂の入るスピードマッハ5.5ですので、肉眼だとまず見えないですね。

ぱりとん君

え？マッハ5.5って・・・
マッハって音速でしょ？

パーチェス先生

ええ。
空気中で340m/秒のスピードですね。

ぱりとん君

その5.5倍って・・・1秒で1.8km進む速さ？

パーチェス先生

そう言う事になりますね。発射された銃弾を砕く、ハンマーの打撃にも耐えるほどの強度をもつという事は、非常に強い力で圧縮、それに対応する引張の力が内部に溜まっているわけです。
このエネルギーが一気に開放された結果ですね。

ぱりとん君

ガラス全体がこの強度を持てるように応用できたら最高の防犯ガラスですね。

ガラス液体説に続く猫液体説が浮上！？

ぱりとん君

・・・え？

パーチェス先生

何か？

ぱりとん君

いや、前回ガラスが液体かもって揉めてるのに猫が液体ってなんですか？

パーチェス先生

ノーベル賞は知っているよね？

ぱりとん君

もちろん知っています！

ぱりとん君

・・・え？猫液体説がノーベル賞取ったんですか？

パーチェス先生

いやいや、受賞したのはイグノーベル賞と言って「人々を笑わせ、その後考えさせてくれる研究」に与えられるノーベル賞のパロディーなんですよ。

ぱりとん君

それ・・・有名なんですか？

パーチェス先生

もちろんです。
日本でも受賞者は多く、1997年には「『たまごっち』により数百万人分の労働時間が仮想ペットの飼育に費やされたこと」に対して、イグ・ノーベル経済学賞授与されたり、物理学賞では2014年に「床に置かれたバナナの皮を、人間が踏んだときの摩擦の大きさを計測した研究」に対して受賞しているんです。

ぱりとん君

・・・スゴイ事を研究しているんですね。

パーチェス先生

それが好奇心なのです。

ぱりとん君

それで今回猫液体説で受賞した。という事ですか？

パーチェス先生

そうです。あの小さな箱や狭い隙間に入り込める柔らかい体の猫に注目し、「猫は固体と液体になれるのか？」という流動性に関する研究でフランスのマルク＝アントワーヌ・ファルダン氏が物理学賞を受賞したわけです。

出典:Youtubeのスクリーンショット　https://www.youtube.com/watch?v=pw6wgpuwni0

ぱりとん君

まあ、箱や容器に合わせて体の形もうまい具合に変わっちゃってますからね。

ぱりとん君

鍋にも入ってたし。。。

パーチェス先生

そうなんですよ。研究は流動学に基づいており、デボラ数という物質の流動性を示す無次元量を用いた大変真面目な研究なんですけどね。

ぱりとん君

それで結論はでてるの？

パーチェス先生

まぁ授賞式のスピーチは60秒しかなく、規定の時間を過ぎると強制的に終了させられてしまうので、詳しくは興味があれば論文を読んでください。
論文は流動学学会の公式サイトで公開していますのでこちらを確認してください。

未だ完全解明されていないガラス液体説！？

ぱりとん君

あ、これこれ。前から気にはなっていたんだよね。

パーチェス先生

気になっているなら、調べてちゃんと理解しないと好奇心に失礼ですよ。

ぱりとん君

そーゆーもんですか？だってわかりにくいんですもん。
ガラスって見た目完全に「個体」なのに、なんで「液体かも？」って話が出てくのさ？

パーチェス先生

では私が噛み砕いて教えるんで、ちゃんと聞いて、誰かに伝えられるくらいまで理解してくださいね。

ぱりとん君

はーい。

正しく説明できますか？個体、液体、気体の三態

パーチェス先生

まずはここからですね。

ぱりとん君

これは楽勝だよ。例えば、氷、水、水蒸気でしょ？

パーチェス先生

正解です。昔は巨視的と言うか「見た目」での判断でした。それが近年では分子間相互作用によって、区別されるようになってきました。

ぱりとん君

・・・？
もう意味がわからないんですケド・・・

パーチェス先生

難しく考えないでイメージしてください。「固体」は分子が規則正しく並んでいる事。分子間力と呼ばれる引力で引き合っている為、バラバラにならないんです。

ぱりとん君

・・・

パーチェス先生

温度を上げていくと運動が活発になり、分子間力である程度引きあっているケド規則正しく並ぶのではなく、ある程度自由に動いている・・・これが「液体」はですね。

ぱりとん君

・・・はい。

パーチェス先生

さらに温度を上げると、もっと運動が激しくなりそれぞれの分子があちこちに散らばってる状態が「気体」です。

ぱりとん君

つまり？

パーチェス先生

え？・・・あぁ分かりにくいですかね。では簡略化した図を交えて説明しますね。

パーチェス先生

まずわかりやすいように水分子でお話しします。簡略化したいのでこのようにします。

ぱりとん君

簡単にお願いしますね。

パーチェス先生

わかりました。まずは「個体」から

ぱりとん君

規則正しく並ぶってやつね。

パーチェス先生

そうです。お互いが引っ張り合って動かない。

パーチェス先生

続いて「液体」は、規則正しく並んでおらず、少し崩れた状態。

ぱりとん君

歩き回ってる感じですか？

パーチェス先生

簡単に言えばそんな感じです。
そして「気体」が好き放題動き回ってる感じです。

ぱりとん君

こう見ると、昔教科書で見た感じがします。

ガラスはどっち？個体？液体？

パーチェス先生

それでは本題にはいりますね。

ぱりとん君

見た目は個体だよね。

パーチェス先生

そうですね。ただガラスの分子は規則正しく並んでないんですよ。

ぱりとん君

個体の特徴が規則正しく並んでいる状態でしたもんね。じゃあ・・・液体なの？
なんだかなぁ～

パーチェス先生

まぁ、納得できませんよね。
やはり、ぱりとん君同様「ガラス＝液体」は無理があるだろうという事で、近年では、「過冷却状態を経由したガラス状態になったもの」なんて言われているんですよ。

ぱりとん君

「ガラス状態になったもの」って・・・なんで、ガラスの説明するのにガラスって単語使っちゃうのさ？おかしいじゃん。

パーチェス先生

いや、まぁ・・・

ぱりとん君

カレーってどんな味？って聞かれて「スパイスをふんだんに使った辛さと、煮込んだお肉と野菜の甘みを感じるカレー味。」みたいな感じで核心がボケてるじゃん。

パーチェス先生

・・・た、確かにそうですね。ただほかに説明方法がなく単純に「個体、液体、気体」に分類することが難しいので「ガラス状態」として考えているんですよ。研究を進めると今までの定義のままではカバーできない例外的存在はいくらでも出てきますからね。

ぱりとん君

はっきりしないなぁ。

京都大学の研究チームが「ガラスが固体であることを示す有力な証拠」を発見。

ぱりとん君

え？やっぱり個体なの？

パーチェス先生

実は2015年にガラスが個体であることを示す有力な証拠を発見したと、ニュースサイトの「財経新聞」が報じているのです。

パーチェス先生

この記事この記事によると、“コンピュータシミュレーションと情報理論とを組み合わせた研究を行い、ガラス状態にある物質中では固体的領域と液体的領域が混在するが、個体的領域では分子が正二十面体などの特定の幾何学的構造になっていることを発見した。この結果はガラスが固体であることを示す有力な証拠となる。”そうです。

ぱりとん君

・・・ふりだしじゃん。

パーチェス先生

何を言っているんですか！今回の発見は、ガラスと液体との間に明確な違いを示唆できたという大変な発見なんですよ。

パーチェス先生

もちろん今回の事でガラスがすべてが分かったわけではないので、これからもガラスは液体か個体かでの論争は続きそうですけどね。

ぱりとん君

では、結論としてはまだ謎が残っているという事で？

パーチェス先生

謎が残るから物事を探求しようとする好奇心は絶えないんですよ！

そもそも結晶化ガラスは偶然の産物だった！？

ぱりとん君

え？どういう事？僕ってたまたま生まれたの？

博士

以前の基礎知識　結晶化ガラス建材とは？で結晶化ガラスは元々食器メーカーが作ったって教えたのは覚えているかのぉ？

ぱりとん君

覚えてまーす。

？？？

素晴らしい！

ぱりとん君

！？

博士

おぉ！パーチェス先生じゃないか！

パーチェス先生

お久しぶりです。博士。
以前の学会では大変お世話になりました。博士が発表していた「三次相転移クラウド型ゼロ膨張・・・

ぱりとん君

はいはい。そーゆーやり取りいらないんで！この「ぱりとん君の豆知識」はそこのパーチェス先生が教えてくれるのね！！
ちゃっちゃと始めましょう

博士

・・・

パーチェス先生

・・・はい

パーチェス先生

では、改めて・・・食器メーカーが作ったと聞いてますね？

ぱりとん君

うん。アメリカの耐熱ガラス等を作っているメーカーですよね？

パーチェス先生

すばらしい。1950年代にコーニング社のストーキー博士が世界で初めて製造した代物なんですよ。

ぱりとん君

それが何で偶然の産物なんですか？

パーチェス先生

実は・・・たまたま加熱しすぎて、たまたま落としたら、硬い音を立てただけで割れなかったって話なんですよ。それで「なんだこれは？」って研究をしたようなんですよ。

ぱりとん君

それって落とさなかったら、ただの失敗作として捨てられて終わりだったんじゃ・・・

パーチェス先生

あり得ますね。そもそもガラスの結晶化はタブーとされていましたからね。

ぱりとん君

へ？何で？

パーチェス先生

制御されずに形成される結晶は、強度の低下、表面欠陥の原因にもなり、何としてでも避けなければいけなかった現象なんですよ。

ぱりとん君

カンタンに言えば、脆くなるってこと？

パーチェス先生

そういうことですね。熱処理器の故障も相まって、たまたまいい温度で加熱しすぎたのが、結果として制御できるモノになった。
ってわけですね。

ぱりとん君

まさに偶然の産物（汗

パーチェス先生

繰り返しになりますが、その後日本のメーカーが建材に転換をして「結晶化ガラス建材」となったわけですね。

ぱりとん君

わかりましたー！
次回はどんな事教えてくれるんですか？

パーチェス先生

予定は、「未だ解明されていないガラス液体説の謎！」「結局どっちが強い！？モース硬度と鉛筆硬度」「強化ガラスの自爆現象」この辺りを教えて差し上げます。

ぱりとん君

よろしくお願いしま～す。

参考文献
20世紀に名を残すガラス技術　結晶化ガラスの開発と応用　リンダＲ.ピンクニー・ジョージＨ．ビール　小野　俊彦（訳）