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ガラス(硝子、オランダ語:glas、英語:glass)という語は、物質のある状態を指す場合と特定の物質の種類を指す場合がある。

# 昇温によりガラス転移現象を示す非晶質固体日本化学会編「化学便覧応用化学編-第6版-第I分冊」丸善 (2002) 13.5 汎用ガラス・ほうろう。そのような固体となる物質。このような固体状態をガラス状態と言う。結晶と同程度の大きな剛性を持ち、粘性は極端に高い。非晶質でもゴム状態のように柔らかいものはガラスとは呼ばない。詳しくは「ガラス転移点」を参照のこと。

# 古代から知られてきたケイ酸塩を主成分とする硬く透明な物質。グラス、玻璃(はり)、硝子(しょうし)とも呼ばれる。「硝子」と書いて「ガラス」と読ませる事もよくある。化学的にはガラス状態となるケイ酸化合物(ケイ酸塩鉱物)である。他の化学成分を主成分とするガラスから区別したい場合はケイ酸ガラスまたはケイ酸塩ガラスと言う。石英ガラスも含まれる。本項目ではこの物質について主に記述する。

# ケイ酸塩以外を主成分とする、ガラス状態となる物質。ケイ酸ガラスと区別するために物質名を付けて○○ガラスと呼んだりガラス質物質と呼んだりする。アクリルガラス、カルコゲンガラス、金属ガラス、有機ガラスなど。

語源的にはケイ酸塩ガラスの固体状態を他の物質が取っている場合をもガラスと呼ぶようになったものである。

日本語のガラスの元になったオランダ語glasの発音は、英語のglass同様グラスに近いが、日本語化した時期が古いため、ガラスとなった。日本語での「グラス」は多くの場合はケイ酸塩ガラスでできたコップの意味になる。

ちなみに「ビードロ」または「びいどろ」とは、ガラスを意味するポルトガル語(vidro)である。吹いて遊ぶガラス製の玩具(びいどろ、ぽっぺん、ぽぴん)についてはぽぴんを参照。

◆ 概説

ガラスの歴史および種類と応用についての詳細は節を改めて述べる。

ガラスには多くの種類があるが、その多くは可視光線に対して透明であり、硬くて薬品にも侵されにくく、表面が滑らかで汚れを落としやすい。このような特性を利用して、窓ガラスや鏡、レンズ、食器(グラス)など市民生活及び産業分野において広く利用されている。近代以前でも装飾品や食器に広く利用されていた。また金属表面にガラス質の膜を作った「琺瑯(ほうろう)」も近代以前から知られてきた。

ガラスの表面に細かな凹凸を付けたすりガラスや内部に細かな多数の空孔を持つ多孔質ガラスは、散乱のために不透明である。遷移金属や重金属の不純物を含むガラスは着色しており、色ガラスと呼ばれる。

2002年の統計によれば日本だけでも建築用に3,900億円、車両用に1,700億円、生活用品に3,000億円、電気製品等に8,300億円分も出荷されている作咲済夫著 『ガラスの本』 日刊工業新聞 2004年7月30日 初版一刷 ISBN 4-526-05310-4。

◆ 組成・製造・構造

ガラスは、主成分となる二酸化ケイ素 (SiO₂) 原料(ケイ砂が多い)と副成分となる種々の金属化合物を粉末として混合し、高温で溶融して液体状態としたものを急冷することで製造される。使用済みのガラス製品を破砕して原料(カレット)として再利用することもできる。

副成分として加えられるのは多くの場合は酸化物であるか高温で酸化物となるものである。主な副成分には、酸化ナトリウム (Na₂O) 、酸化マグネシウム (MgO) 、酸化カルシウム (CaO) 、酸化ホウ素 (B₂O₅) 、酸化リン (P₂O₅) などがある。原料となるこれらの酸化物は役割に応じて大きく次の3つに分類される。

; 網目状酸化物

: それ自身で非晶質化できるもの。網目状のネットワーク構造を形成する。(SiO₂) 、(Al₂O₃) など。

; 修飾酸化物

: それ自身では非晶質化できないが、上記の網目状酸化物の形成するネットワーク構造内では非晶質化が可能(= 網目を修飾する)なもの。(La₂O₃) などの希土類酸化物が中心。

; 中間酸化物

: 網目状酸化物と修飾酸化物の中間的な存在。非晶質化しにくく、網目状酸化物と修飾酸化物との混合によってガラス化する。

上記の溶融法によるガラス製造は古代から知られているが、現在では他の製造法も存在する。CVD法(chemical vapor deposition method, 化学蒸着法)やVAD法(vapor-phase axial deposition method, 気相軸付け法)では、気体のSiCl₄を加熱基板上で反応させて酸化物を堆積し、焼結してガラス化する。ゾル-ゲル法では、例えばテトラエトキシシラン (Si(OCH₂CH₃)₄) などの金属アルコキシドを加水分解し縮重合させてゾルとし、水分を除いて生じたゲルを焼結してガラス化する日本化学会編「化学便覧応用化学編-第6版-第I分冊」丸善 (2002) 13.5 汎用ガラス・ほうろう長倉三郎、他(編)「岩波理化学辞典-第5版」岩波書店 (1998/02)。

ガラスは図に示すように原子の並びが不規則な非晶質である。結晶では固体の中の結晶界面で光が散乱したり方向により光学特性や力学特性が異なったりするが、ガラスは非晶質なので全体が均一で透明であり、特定方向にだけ割れやすいということもない。

Image:SiO2 - Quarz - 2D.png|水晶の分子構造 結晶を形成している。ケイ素原子(黒丸)と酸素原子(白丸)からなる。以下の3点のモデルでは二次元構造を示す。

Image:SiO2 - Glas - 2D.png|アモルファス構造をとった二酸化ケイ素

Image:Kalk-Natron-Glas 2D.png|ガラスの分子構造例 アモルファス構造をとった二酸化ケイ素が骨格となり、ナトリウム・イオン(薄緑色)、カルシウム・イオン(緑色)を含む。桃色はイオン化した酸素。アルミニウム原子(灰色)が安定剤として働いている。

◇ ガラス状態について

ガラスは液体状態を凍結したような状態(粘度が極端に高くなった状態とも言える)であり、それは準安定状態にあると言える。従って、非常に長時間を経過するとガラスは安定状態である結晶化すると考えられるが、それに対しては異論もある。また、ガラスは固体ではあるが、過冷却およびガラス転移により粘度が非常に高くなった液体であるという捉え方もある。そのため、例えば古い建物の窓ガラスは、上部のガラスが下の方に垂れたような形になっている。

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