配位子場理論の理解を目的とした色付きセラミックス合成実験教材の開発

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本研究では擬似的な宝石である色付きセラミックスを合成し、物質が色を持つ理論『配位子場理論』を身近にする実験教材の開発を目的とした。始めに、セラミックス母材の酸化アルミニウム(Al_2O_3)の前処理の必要性及び適切な成形条件を調査した。Al_20_3は1200℃程度で仮焼することで焼結しやすくなることが知られているが、本実験では焼結,粒径分布に仮焼有無による大きな違いがなく、前処理が不要であることが確認された。また、成形の際、Al_2O_3 1gに対し水0.3mlを加えることで、成形及び成形器からの取出しが容易となることがわかった。これより水が多少すると成形体取扱の際崩れ易く、学生の器用さにより操作難度に影響が出る。次に、クロムやニッケル等の遷移金属酸化物をAl_2O_3に少量添加し、混合比率を重量比0.1～1.5%の範囲で変化し、ハンドプレスで円盤状に成形、1150℃で2時間焼結させて配位子場理論通りの発色となるか確認した。Al_2O_3結晶のAlの一部が遷移金属に置換され、O^<2->6配位の配位子場による発色を想定した。ニッケルでは、焼結前の緑色から青緑色へ変化し、これは予想された700nm付近の光吸収によるものと一致した。クロムでは、焼結前の深緑色から赤色が増す変化が見られた。予想された400,550nm付近の光吸収による赤色と一致したが、1%より多い添加ではAl_2O_3未置換のCr_2O_3によると考えられる深緑色が強く、赤色が見られなかった。Al_2O_3にCr_2O_3が0.1%程度含まれたものは宝石のルビーと同様の組成であり、ルビーの美しい赤色が再現できる焼結温度・時間条件の検討を今後も続けたい。なお、1種のサンプルならば240分程度で合成出来、本実験は、本校実験時間450分内で十分に完了する。配位子場理論学習上、厳密な波長測定等課題はまだ多いが、学生が身近にする教材開発の第一歩は成功したと言える。