スライムに酸や塩基を加えると・・・

質問

中2の理科の実験で、スライムを作りました。
そのスライムに、塩基（重曹水）を入れると消しゴムみたいになり、
酸（酢）を入れると、液状になりました。

どうしてそのようになるのか教えてください。
お願いします。

回答No.11

anthracene

＞ht1914さま
すいません、ゴムの加硫と同じと記したのは、質問者さんが「ホウ素ユニットで分子が束ねられている」ということをイメージしてくれるか不安でしたので、高校や中学の化学（中学では出ないか）で現れる概念で近いものを探した、というだけです。
誤解を招く表現をしてしまい、申し訳ありません。もっと適切なたとえ話が思いつけば良かったのですが・・・

高分子物性については、私も素人なもので正直分かりません。

加水分解については悩ましいところです。
5員環、6員環のホウ酸エステルは加水分解は通常観測されませんが、非環式は不安定ですからね・・・高分子の中にホウ酸エステルユニットがおさまっていれば、加水分解は多少抑制されるとは思いますが。

回答No.10

ht1914

＞硼砂（NaB(OH)4)の成分であるB(OH)4-という化合物が、PVAの水酸基と結合してPVAの分子同士を束ねることで、スライム状に固まるものと考えられます。

興味深く拝見致しました。ゴムの加硫と同じだともあります。

でもまだちょっと納得できていません。含まれている水のことと粘弾性とです。ゴムの加硫と同じイメージだとこの２つはまだ説明できていないと思うのですが。ＰＶＡの余っているＯＨと橋渡しのＢ（ＯＨ）４－とで説明が出来るのでしょうか。

＃４で作り方のＵＲＬを参考に挙げてありますがかなりの水が入っています。市販の洗濯糊自体がかなり水を含んでいます。それを２倍に薄めます。硼砂も飽和溶液を作って混ぜます。この水がそのままスライムの中に含まれているのですがまったくべとつきません。チューインガムのようにあちこちくっつくということはありません。また急に引っ張るとプチンと切れてしまいます。スパッと鮮やかな切れ口です。ゆっくり引っ張るといくらでも伸びてきます。不思議です。

回答No.9

anthracene

すごく専門的な話をしてしまって申し訳ありませんでした。

簡単に説明すると、おそらく
硼砂（NaB(OH)4)の成分であるB(OH)4-という化合物が、PVAの水酸基と結合してPVAの分子同士を束ねることで、スライム状に固まるものと考えられます。
似た話として、ゴムの加硫があります。
あれは、ゴムの分子どうしがS-Sという単位を通してつながり束ねられることで固まります。

酸の効果は、PVAを束ねている結合を加水分解して切断し、PVAをばらけさせて元にもどすことでしょう。

塩基の効果は、最初のスライムの状態ではまだホウ素上にアルコールをくっつけられる反応点があまっていたのですが、塩基を添加することで余っていた反応点にもPVAの水酸基が結合して高分子の束ねの効果がさらに高まり、がんじがらめになって固化するものと考えられます。

回答No.8

anthracene

文献を調べたところ、Tacosanさんの回答が当たりなのでは？という論文がありました。
JCS, Faraday Trans. I 1986, 82, 3407-13.
ホウ砂とポリオールとの反応を扱った論文で、
B(OH)4- + HOCH2CH2OH <> B(OH)2(OCH2CH2O)- <> B(OCH2CH2O)2-
と２段階で環状エステルを形成するそうなのですが、１段階目と２段階目で錯形成定数が３－１０倍違うとのことです。錯形成定数はアルコールによって変化します。
ホウ酸エステルだと加水分解するんじゃ？という懸念がありましたが、この場合（及びPVAの場合も）環状エステルを形成するので、加水分解はおそい（もしくは中性水だとおこらない）と考えられます。

酸の添加の効果は加水分解の促進でしょう。
硫酸だと起こらないというのが謎ですが、これは濃硫酸なのでしょうか？
あるいは溶媒が水じゃない？脱水効果が働いたのかも？

塩基の添加により、２段階目まで反応が進んで架橋が強化されたのではないか、というTacosanさんのお考えは妥当なものと考えられます。
PVAの場合は近傍に多数のヒドロキシ基がありますから、環状構造だけでなく分子間での網目状構造ができ、これによって分子間がしばられていることが考えられるかと。

回答No.7

Tacosan

ちょっと調べたことがあるんですが, この反応はよくわかりません. 「ホウ酸ではダメ」という文言がある一方で「ホウ酸でもできる」という文も見たことがありますし, 「実は (酢酸などではなく) 硫酸だとスライムのままなので酸が問題になるのではない」という文章も見たことがあります. なので, 素人がちょっと考えた, という程度に割引いて読んでください:
ホウ砂は Na2[B4O5(OH)4] だから, 完全に加水分解すると 2NaOH + 4B(OH)3.
今考えている状況におけるホウ酸のエステル化反応は本質的に B(OH)3 + 4ROH → [B(OR)4]^- + 3H2O + H^+ と思ってよい.
つまり, 4個ある B(OH)3 のうち 2個はエステル化 (⇒PVA鎖の架橋) しても発生する H^+ は OH^- で相殺されるが, それ以上エステル化すると H^+ が余る.
ついでに H^+ はエステルの加水分解の触媒にもなる (はず, ですよね?)
ということで,
・H^+ を増やすと加水分解が加速されるので PVA鎖の架橋が壊れる
・OH^- を増やすと (H^+ を増やすために) エステル化が加速されるので PVA鎖の架橋がさらに強くなる
という可能性があるような....

回答No.6

anthracene

確かにht1914さんのコメントにありますように、ホウ砂（テトラヒドロキシボラート）とアルコールから自発的にホウ酸エステルを生じるのは怪しいですね。訂正します。
すると、B(OH)4のヒドロキシ基とPVAのヒドロキシ基間の水素結合によって高分子の繊維が束ねられているのでしょうか。
しかし、酸と塩基の効果がやはり謎ですね。
酸を添加したことで水素結合がきれ、高分子がばらけた、ということはあるかもしれませんが、塩基の効果は・・・うーん、分かりません。
B(OH)4を脱プロトンすることで、より強固な水素結合を形成下のでしょうか・・・?

回答No.5

ht1914

＃４です。訂正です。

＞硼砂の飽和水溶液をかき混ぜながら加えていくのですが入れすぎるとボロボロになります。少ないとしゃぶしゃぶです。

と書いたのですがちょっと違うようです。水の加減が大きいようです。記憶が怪しいです。

回答No.4

ht1914

＃２です。
小学校や中学校ではグニャグニャした面白いものという受け取り方だと思います。本当に面白いです。流れるのに手には付かずに汚れない、急に引っ張るとプチンと切れる、丸めて机の上に落とすと弾む、・・・のです。のりの性質とは違います。高分子で言う「粘弾性」という物性を示します。急激な力を加えると固体として振る舞い、ゆっくりとした力を加えると液体として振る舞うという性質です。私はこれを地学で使いました。岩石も長い時間力が掛かると流れるという説明にです。スライムでこういう物性がどうして生じるのかはわかりませんでした。知りたいと思っていました。

手に入りやすくて危険性の少ないホウ酸ではなくて取り扱いに注意のいる硼砂を使っているというのも理由があるはずです。＃３の解答の中にあるホウ酸エステルは魅力的ですがちょっと違うかも知れないと思います。もっと大きいものをつけたということかも知れません。急激な力に対しては鎖が引っかかって抵抗するがゆっくりした力に対しては流れるという性質が予想できます。ホウ酸はアルコールとエステルを作るというのは辞典に載っていますが四ホウ酸ナトリウムの性質については見あたりません。またスライムを作るときに水もかなり入っています。水が多いときでもエステルになるのかという疑問もあります。

硼砂自体がナトリウム塩で強いアルカリ性だということですから重曹を入れたというのは硼砂の入れすぎと同じ事だろうと思います。硼砂の飽和水溶液をかき混ぜながら加えていくのですが入れすぎるとボロボロになります。少ないとしゃぶしゃぶです。

うまくできるとつるっとした液体感があって濡れないのですから水が全て捕まっていないと駄目です。まるで吸水性高分子に捕まったような感じもします。入れすぎるとボロボロになるということで硼砂の働きだとはわかります。でも硼砂単独では水１０に対して硼砂１の割合ぐらいでしか溶けません。
一体どうなっているのでしょう。

高分子や粘弾性に詳しい方お願いします。

参考URL：

http://www5.plala.or.jp/mkumagai/slime/slime.txt

回答No.3

anthracene

私の推測ですので、ご参考までに。
高分子やゲルなどについては素人同然です。

スライムの中では、ポリビニルアルコールの水酸基とホウ酸が脱水縮合してホウ酸エステル結合ができることで、高分子がより合わさりゲル状になっているのではないかと思います。

これに酸を入れると、エステル結合が加水分解で切ればらばらになってしまうため、元のポリビニルアルコールに戻り液化するのではないでしょうか。ポリビニルアルコールが液体かどうか良く知りませんが、酢を加えたということは水に溶けて水溶液になったのだと思います。

塩基を入れたときの効果についてはもっと根拠薄弱なのですが、ナトリウムイオンが水酸基の配位を受けて、高分子がさらに強固に凝集したのではないでしょうか？スライムの中身では、ホウ酸エステルになっていない水酸基がたくさんありますから、ここに大量の水がトラップされていると思います。ナトリウムイオンが代わりにトラップされ、高分子の束を強く固定したことで固化したのではないでしょうか？

回答No.2

ht1914

かなり前に私も作ったことがあります。多分中学校でやっているのは同じ材料だと思います。

硼砂（四ホウ酸ナトリウム）と洗濯のり（ポリビニルアルコール）です。混合の比率は忘れてしまいました。