地球と気象･地震を考える

【地球のしくみ】８～“岩石星”であるとともに、“水の星”でもある地球にしか存在しえない「粘土」～

　岩石と同様に地球表面に多く存在するのが、「粘土」です。
前回の岩石・鉱物に引き続き、今回は「粘土」を扱っていきたいと思います。

　
　粘土といえば、水を加えるとどんどん柔らかくなり、色んな形に変形する。また陶器などに代表されるように、焼くと非常に硬くなるというがぱっと思いつく特徴です。
　
？それではそんな粘土とは、いったいどのような物質なのでしょうか？　
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◆　◆　◆　粘土とは非常に微細な粒子の集合体
　
　粘土とは、大きさ0.002mmの粒子の集合体です。これほどまで小さな粒子は、どのような作用で作り出されるのでしょうか。
　
　前回の投稿にもあるように岩石は、岩石⇒石⇒砂とその粒子サイズはどんどんと小さくなっていきます。岩石が川や海の水に流されぶつかり合うことで、物理的な衝撃を受け小さくなっていくのです。
　
　しかし最も小さな砂でも、その粒子サイズは2mm～1/16mm程度。粘土粒子はその約1000分の１の大きさであり、実はその間の大きさの粒子は無いのです。
つまり一気に大きさが1000分の１に変化しているのです。
　
　？どうやって一気に1000分の１まで粒子サイズが小さくなるのでしょうか？
　
　
◆　◆　◆　粘土粒子は「水和」で1000分の１まで粒子サイズが小さくなる　
　
　砂から粘土になるためには、上記のような物理的な作用だけでなく、化学的な作用が起こっています。
　
　その作用は「水和」という作用です。
　鉱物は、共有結合している二酸化ケイ素がイオン結合をし、巨大な結晶を形作っています。
　
　「水和」とは、水分子が長い時間かけて、鉱物と化学反応を起こし、間の金属のイオン結合を、切り離していくという化学反応です。
　実は水とは、強い溶解力を持ち、金属をイオン化し、どんどんと自らに溶かし込んでいく（＝鉱物から切り離していく）力を持っているのです。
　
【参考】るいネット：実在しない「純水な水」・・・強い溶解力を持つ「水」という物質（リンク）
　　
以下にカリ長石の事例を示します

　
　このように金属のイオン結合が切り離され、二酸化ケイ素単体の結晶に分解されていくのです。
　
　そうやって分解された、二酸化ケイ素は以下のような平べったい結晶を作ります。このような形では、巨大な結晶になることができないので、粒子の大きさは小さくなるのです。

　
？ではその小さな粒子は、どのような力で「集合」しているのでしょうか？
　
　
◆　◆　◆　粒子同士は電気の力（＝クーロン力）で引合っている　
　
　
　粘土は渇くと非常に細かい粒子ですが、ひとたび水を含むと粘り気を帯び、粘土独特のいろいろな形に変化する「あの感じ」になります。
　これは個々の微細な粘土粒子が、水を加えられることで、お互い引っ張り合うからです。ではこの「粒子同士が引っ張り合う」力とは、どのような力なのでしょうか？
　
　それが「電気の力＝クーロン力」です。
　　
　上記の粘土粒子は、その構造を見るとわかるように、外側に酸素原子が来ています。よって粘土粒子の表面は、電気的にマイナスに帯電しています。
　その物質に水が含まれるとどうなるか？それをあらわしたのが以下の図です。
　
　

　
　このようにマイナスに帯電した粒子の表面に、プラスに帯電した水素イオン、もしくは水に溶け込んだ金属イオンが引き付けられ、さらにそこに別の粒子が引き付けられるということの繰り返しで、お互いの粒子同士がプラスとマイナスで引合うのです。
　
　こうやって水を含んだ粘土は、「電気の力＝クーロン力」によって、あの独特の粘りを持つのです。
　
？ではそんな粘土を焼くと固まるのはなんでなのでしょうか？
　　
◆　◆　◆　粘土は熱により、再びイオン結合で結ばれ固まる　
　
　粘土を加熱すると、どうなって行くのでしょうか？
　粘土を加熱すると、500℃までに粘土中に含まれる水分が完全の蒸発します。
　
　そして800℃前後になると、粘土分子から水H2Oが失われます。上記のカオリン：Al2Si2O5(OH)4を例にとると、H2Oが失われ、AL2O3・2SiO2になります。この段階で、粘土は一度結晶状態から非結晶状態となります。
　
　さらに1000℃前後まで加熱が進むと、上記のAL2O3・2SiO2は再び結晶化します。（この物質をムライト、ムル石といいます）
　この段階では共有結合で結ばれた二酸化ケイ素を、金属がイオン結合で結んで巨大な結晶を作ります。
　このように粘土は、熱によりその分子構造を変化させ、別の物質になることで固まるのです。
　
　そしてそのまま加熱していくとどうなるのでしょうか・・・
　
　1500℃以上に加熱していくと、二酸化ケイ素が結晶状態から解き放たれ、ランダムに共有結合を行う非結晶状態（アモルファス）になります。そしてこれを冷却したものがガラスなのです。
　
　これらの一連の流れをイメージ図に表したものが以下です。

◆　◆　◆　粘土とは水なしでは存在しえない物質
こうやって見てみると岩石は水の力により分解（水和）され粘土となり、そして粘土は水を含むことによりその特性を発揮し、水を失うことで元の岩石に戻っていくのです。
　つまり粘土とは水が無ければ存在しえないのです。太陽系において唯一水が存在する星が地球です。
　粘土とは、地球にしか存在しえない物質なのです。
◆　◆　◆　まとめ
　
１．粘土とは、微細な粒子の集合体であり、その粒子サイズは実に砂の1000分の１以下である。
２．鉱物は、水によってイオン結合が切り離され、二酸化ケイ素単体の結晶に分解されて粘土粒子となる。
３．粘土粒子同士は、水を含むと帯電し、クーロン力で互いに引合う。
４．粘土粒子は、熱を加えると、再び金属とイオン結合で結ばれ、岩石状態に戻る。さらに加熱すると、二酸化ケイ素がランダムに共有結合で結ばれる非結晶状態となり、これを冷却するとガラスになる。
５．粘土は水の星である地球にしか存在しえない　
　では次回は、そんな粘土を作り出す「水」が、なぜ地球にしか存在しないのかについて扱っていきたいと思います。

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List　   投稿者 daichi ｜ 2012-06-09 ｜ Posted in D.地球のメカニズム, D01.地球史 ｜ 1 Comment »　

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