多核・多量子NMR分光法による揮発性成分を含むケイ酸塩メルトの構造

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14340163
• Research Institution: OKAYAMA UNIVERSITY
• Principal Investigator: 神崎 正美 岡山大学, 固体地球研究センター, 助教授 (90234153)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 薛 献宇 岡山大学, 固体地球研究センター, 助教授 (70362986)
• Keywords: 多核NMR / ガラス構造 / 含水ガラス / ケイ酸塩メルト / 多量子NMR

Research Abstract

揮発性成分がメルト構造へ及ぼす影響を調べるために,多核NMR分光法で調べた.揮発性成分としては水と硫黄の2種を研究した.試料は内熱式ガス圧装置で最高2kbar,1500Cの条件で保持し,急冷して得た.
水については,MgO-CaO-SiO_2系の組成で実験を行った.^1H MAS NMR,^1H-^<29>Si-CP-MAS NMR,^<29>Si MAS NMR法を使った.その結果^1H MAS NMRのスペクトルにおいてこれまで観察されていない化学シフトをもつピークを見つけた.含水結晶の化学シフトと本研究で行った量子化学計算による結果から,このピークはSiに結合していないfree OHであると同定された.free OHはこれまでその存在が予想はされていたが,実験的に明確に示したのは本研究が初めてである.組成を振った実験からはfree OHの量が重合度や陽イオンの種類によって系統的に変化することが分かった.またNMRスペクトルの解析からSiに結合しているOHについて,その水素結合についての情報も得た.
硫黄を含む系についてはNa_2O-SiO_2系組成で実験を行った.硫黄としてガラスに添加した場合にはガラス構造の重合化が観察された.これは硫黄とガラス中のNaが反応して,Naをネットワーク構造から引きはがすためであると解釈した.硫黄種についてはNMRではよく分からないため,Raman分光法で主に調べた.その結果硫酸塩種とNa_xS種が比較的酸素分圧の高い領域で共存していることが分かった.酸素分圧の低い場合には^<29>Si MAS NMRからSが酸素を置換していることが分かった.
なお本研究の成果は2003年夏に倉敷で開催されたGoldschmidt Conferenceで我々がコンビーナーを務めた「メルトとフルイド」スペシャルセッションで発表された.これらの論文は2004年12月号のGeochim.Cosmochim.Actaの同特集号に印刷される予定である.