猫のトイレに敷く猫砂には、おしっこがかかった所だけが固まり、スコップですくって捨てられるものがあります。乾いた粒が、水を吸うとなぜ塊になるのでしょうか？
鉱物系の猫砂の主な原料は、ベントナイトという粘土です。ベントナイトは水を吸うと膨らみ、粘り気が出ます。おしっこを吸った粒は膨らんで隣の粒とくっつき、その部分だけが塊になるのです。
猫砂が固まるのは、水を吸って膨らんだ粘土が、粒どうしをつなぐからです。
ベントナイトは、膨らむ粘土
ベントナイトは、モンモリロナイトという粘土鉱物を主成分とする岩石です。数百万年から数億年前の火山の噴火で積もった火山灰などが、温度や圧力、熱水の影響で変化してできたと考えられています。日本では、山形や宮城、新潟、島根などで掘られています。
主成分のモンモリロナイトの特徴は、水を吸うと元の体積の何倍にも膨らむ膨潤性（ぼうじゅんせい）です。水に混ぜると、粘り気も出ます。
ベントナイトは猫砂のほか、鋳物や土木工事、化粧品などに使われています。米国地質調査所によると、アメリカでは使いみちの約半分（2025年の推定で48%）がペットのトイレ砂です。
結晶は、薄い板の重なり
モンモリロナイトの結晶は、厚さ約1nm（100万分の1mm）の薄い板です。この板が何枚か重なって、1つの粒子になっています。板1枚は、アルミニウムを含む八面体シートを、ケイ素を含む2枚の四面体シートで挟んだ、サンドイッチのような構造です。
ただし、真ん中のアルミニウムは、一部がマグネシウムに置き換わっています。アルミニウムは3価、マグネシウムは2価の陽イオンです。置き換わった分だけプラスが足りず、板1枚はマイナスの電気を帯びます。
電気のつり合いをとるため、板と板の間にはプラスのイオンが入っています。天然のモンモリロナイトで多いのは、ナトリウム、カルシウム、カリウム、マグネシウムのイオンです。これを層間陽イオンと呼びます。
板の間に水が入り込んで膨らむ
モンモリロナイトが水に触れると、板の間の陽イオンの周りに水の分子が集まります。これを水和（すいわ）と言います。水和が進んで板と板の間に水が入り込み、間隔が広がっていくのが膨潤のしくみです。
膨らみ方は、板の間の陽イオンの種類で変わります。ナトリウムイオンの多いナトリウム型では、板どうしを引きつける電気の力が弱いのが特徴です。水の中では板が1枚ずつに分かれるまで離れ、間隔は4nm以上に広がります。
板の間の陽イオンは、ほかの陽イオンと入れ替えられるのも特徴です。液の中のイオンが、固体の持つイオンと入れ替わる現象を、化学工学ではイオン交換と呼びます。
カルシウム型に炭酸ナトリウムを数%加えると、イオン交換でナトリウム型に近い性質になります。これが活性化ベントナイトです。
膨らんだ粘土が粒をつなぐ
猫砂の粒におしっこがかかると、粒のベントナイトが水を吸って膨らみ、粘り気が出ます。粘り気の出た粒が隣の粒とくっつき、ひとかたまりになるのです。水を吸ったベントナイトが団粒（粒の集まり）を作るこの性質を、粘結性と言います。
化学工学では、粉から扱いやすい粒を作る操作を、造粒と言います。粒どうしをつなぐのは、粒の間にできる液の橋（液架橋）や結合剤（バインダー）、乾いた後に残る固体の橋などです。ベントナイトは、農薬や鉱業などの造粒で使われる結合剤の1つです。
猫砂の中でも、水と膨らんだ粘土が粒の間をつなぎ、造粒とよく似たことが起きています。おしっこがかかった所だけで粒が集まるので、そこだけを塊としてすくい取れます。
猫砂の粒は、水を加えて作る
水を含むとまとまる性質は、猫砂の粒を作る工場でも使われています。クニミネ工業によると、ペレット状の猫砂は、ベントナイトに水を加えてミキサーで混ぜ、造粒機で粒の形にして作ります。ベントナイトは、水を含ませるだけで造粒できるからです。
できた粒は乾燥機で乾かしてから、ふるいにかけて大きさをそろえます。大きさで粒を分けるこの操作が、分級です。長い粒は切ってもう一度ふるいへ、短い粒は原料へ戻す流れです。
ベントナイトは、乾かすと水を放して硬くなり、また水に触れると水を取り込みます。乾かしても性質が失われないので、工場で水を使って作った粒が、トイレでもう一度おしっこを吸って固まるのです。
鋳物の砂型や、土木の工事でも
粒どうしをつなぐ性質は、鋳物の型づくりにも使われています。鋳物は、溶かした金属を型に流し込み、冷やし固めて作る金属製品です。型の材料は、珪砂（けいしゃ）にベントナイトと水を加えて練り合わせた砂です。
水と結びついたベントナイトには、力を加えて変えた形のまま元に戻らない性質（可塑性）があります。砂の表面をベントナイトが覆うので、砂も同じ性質を持ち、押し固めると型の形を保ちます。
土木の工事で使う例の1つが、ベントナイトを混ぜた泥水です。地中にコンクリートの杭を作るために掘った穴をこの泥水（安定液）で満たすと、穴の壁に薄い泥の膜ができます。膜が泥水の地盤へのしみ込みを抑えて、壁が崩れるのを防ぐしくみです。
ため池などの水漏れを防ぐ工事では、ベントナイトを混ぜた土を池の底や周りに締め固め、土の隙間をふさぎます。
まとめ
ベントナイトの主成分モンモリロナイトは、マイナスの電気を帯びた薄い板の間に、プラスのイオンを挟んだ結晶です。水に触れるとイオンの周りに水が集まり、板の間に入り込んで膨らみます。
猫砂が固まるのは、膨らんで粘り気の出た粘土が、粒どうしをつなぐからです。同じ性質は、猫砂の粒を作る造粒や、鋳物の砂型、土木の工事にも生かされています。
