[スポンサーリンク]

元素

ケイ素 Silicon 電子機器発達の立役者。半導体や光ファイバーに利用

[スポンサーリンク]

 地殻で酸素についで多いケイ素。身近なところでも、ガラスや半導体など、多くのケイ素化合物製品が使われています。ケイ素がなかったら、今日の電子機器の発達はなかったかもしれません。

 

ケイ素の基本物性データ

分類 半金属・半導体
原子番号・原子量 14 (28.0855)
電子配置 3s23p2
密度 2330kg/m3
融点 1410℃
沸点 2355℃
硬度 6.5
色・形状 暗灰色
存在度 地球26万7700ppm、宇宙 1.00 x 106
クラーク数  25.8%(2位)
発見者 イェンス・ヤコブ・ベルセリウス(1823年)
主な同位体 28Si (92.223%), 29Si(4.685%)、30Si(3.087%)
用途例 ガラス、ゼオライト、研磨剤(炭化ケイ素)、アスベスト、シリコーン、半導体、セメント、太陽電池、ワックス、ソフトコンタクトレンズ
前後の元素 アルミニウムーケイ素ーリン

酸素の次に多く存在する元素

ケイ素は地殻中に非常に多く存在する元素ですが、その多くは石英や水晶、雲母などに二酸化ケイ素(SiO2)や珪酸塩として存在しています。

珪酸塩鉱物(橄欖石・輝石・角閃石・雲母・長石・石英など)

珪酸塩鉱物(橄欖石・輝石・角閃石・雲母・長石・石英など)

1823年にスウェーデンの化学者であるベルセリウスが、珪酸塩のひとつであるフッ化ケイ素(SiF4)を金属カリウムで還元することによって単体のケイ素を単離しました。

 

イェンス・ヤコブ・ベルセリウス(Jöns Jacob Berzelius)

2016-07-16_11-41-25

1779-1848年。スウェーデンの化学者。アルファベットを使った新しい元素記号の表記法を提案し、ケイ素、セレン、トリウム、セリウムを発見した。近代化学の父といわれる。弟子には現代有機化学の祖であるフリードリヒ・ヴェーラーなどがいる。

 

シリコンとシリコーン

ケイ素の英語名はsiliconであり、シリコンとカタカナ表記します。シリコーンといわれるものもありますが、これは言い方の違いでなく、シリコンsiliconとは別の物質であり、英語名もsiliconeです。語尾にeがついているだけですが、その意味は異なります。

シリコンが元素や半導体(高純度のケイ素の結晶)を表すのに対し、シリコーンはケイ素に炭素鎖と酸素が結合したものをいいます。シリコーンオイルやシリコーンゴムなどの素材に利用されています。

2016-07-22_23-00-49

シリコンとシリコーン

 

ガラスや珪藻土の主成分である二酸化ケイ素

ケイ素の酸化物である二酸化ケイ素は、地殻を構成する主成分で、非常に多く含まれています。乾燥剤として使われるシリカゲルも二酸化ケイ素です。二酸化ケイ素を水酸化ナトリウムで熱するとケイ酸ナトリウムとなり(Na2SiO3)、さらに水を加えて熱すると水ガラスになります。水ガラスは接着剤の原料や耐火塗料として使われています。

炭酸ナトリウムや炭酸カリウムを加えて熱し、冷やすとガラスになります。水晶なども、二酸化ケイ素がある圧力下で結晶となったものです。

2016-07-22_23-18-28

二酸化ケイ素からの化学反応

 

また、太古の昔からある珪藻と呼ばれる藻類の化石からできた岩や土のことを珪藻土といいますが、これも二酸化ケイ素が主成分です。七輪の素材や、最近では耐火性や断熱性を高めるため住宅の壁に使われています。最も有名なものは、ダイナマイトでしょう。ノーベルはニトログリセリンの爆発性を抑えるため、珪藻土にそれを吸収させ安定性を高めました。さらに、発がん性があると話題になった石綿(アスベスト)も二酸化ケイ素が主成分です。

といっても二酸化ケイ素自体に害があるわけでなく、その形状が細かい繊維状であるため、肺に突き刺さって肺がんや中皮腫をもたらすと言われています。

 

コンピューターや太陽電池などの半導体材料

ケイ素は代表的な半導体材料です。半導体とは、電気を通す導体や通さない絶縁体に対して、それらの中間的な性質を示す物質のことで、その性質を利用してコンピュータ、トランジスタ、半導体レーザーといった電子素子に多く使われています。ちなみに俗にいう「シリコンバレー」とは、サンフランシスコのベイエリアに位置している半導体やハイテク企業が密集する地帯のことをいい、ここで多くの半導体に関する研究が行われています。

シリコンバレー

シリコンバレー

 

炭化ケイ素ー新型新幹線にも活躍

炭化ケイ素(Silicon carbide, SiC)は、炭素(C)とケイ素(Si)が1対1で結合した共有結合性の化合物。硬度が高く(ダイアモンド、炭化ホウ素に続く)、耐久性に優れており、研磨剤や耐火材などに用いられています。半導体としても注目されており、ケイ素の限界を超えるパワーデバイス材料として期待されています。今後の利用で特に注目されているのは新型新幹線「N700S」(2020年頃登場)の駆動システム。SiC素子をもちいることで、現状の約20%の軽量化、小型化も可能となるといわれています。

 

2016-07-25_12-52-53

 

多重結合を持つケイ素

炭素とケイ素は周期律表で同じ第14族に属しているため、性質が似ているようにも思えますが、実はかなり異なります。構造的に最も異なる点は、安定な多重結合体*が存在しないということです。炭素は炭素同士で二重結合、三重結合をつくります。それに対して、ケイ素ーケイ素二重結合は天然には存在しません。

しかし、1981年アメリカのウェスト(Robert West)らによってケイ素の二重結合化合物であるジシレンが初めて人工的に作られました。普通は安定に存在しないジシレンを、二重結合の周りを立体的に嵩高くすることによってこの結合を保護し、合成したのです。

さらに、2004年、筑波大の関口章教授らが、ケイ素の三重結合化合物であるジシリンの合成に成功しました。炭素ー炭素三重結合は直線形であるのに対して、ケイ素ーケイ素三重結合は傾いているのも特徴です。これらは製品として実用化することは難しいですが、はじめてケイ素の多重結合をつくり性質を調べたとして教科書に必ず掲載される優れた基礎研究です。

 

2016-07-22_23-56-20

ケイ素に関連するケムステ記事

関連書籍

[amazonjs asin=”4759814124″ locale=”JP” title=”現代ケイ素化学: 体系的な基礎概念と応用に向けて (DOJIN ACADEMIC SERIES)”][amazonjs asin=”4526075019″ locale=”JP” title=”シリコーン大全 (技術大全シリーズ)”]
Avatar photo

webmaster

投稿者の記事一覧

Chem-Station代表。早稲田大学理工学術院教授。専門は有機化学。主に有機合成化学。分子レベルでモノを自由自在につくる、最小の構造物設計の匠となるため分子設計化学を確立したいと考えている。趣味は旅行(日本は全県制覇、海外はまだ20カ国ほど)、ドライブ、そしてすべての化学情報をインターネットで発信できるポータルサイトを作ること。

関連記事

  1. 森田浩介 Kosuke Morita
  2. 元素のふしぎ展に行ってきました
  3. リチウム Lithium -リチウム電池から医薬品まで
  4. 元素に恋して: マンガで出会う不思議なelementsの世界
  5. NHKアニメ『エレメントハンター』 2009年7月スタート!
  6. 炭素 Carbon -生物の基本骨格、多様な同素体
  7. 元素の和名わかりますか?
  8. 元素周期表:文科省の無料配布用、思わぬ人気 10万枚増刷、100…

注目情報

ピックアップ記事

  1. 緑色蛍光タンパク質を真似してRNAを光らせる
  2. 第25回 溶媒の要らない固体中の化学変換 – Len MacGillivray教授
  3. SciFinder Future Leaders in Chemistry 2015に参加しよう!
  4. 嬉野温泉で論文執筆缶詰め旅行をしてみた【化学者が行く温泉巡りの旅】
  5. ヒノキチオール (hinokitiol)
  6. 第21回「有機化学で生命現象を理解し、生体反応を制御する」深瀬 浩一 教授
  7. 株式会社メカノクロス – メカノケミストリーの社会実装に向けた企業の設立
  8. 花王の多彩な研究成果・研究支援が発表
  9. ベンジル位アセタールを選択的に酸素酸化する不均一系触媒
  10. 個性あるTOCその③

関連商品

ケムステYoutube

ケムステSlack

月別アーカイブ

2016年7月
 123
45678910
11121314151617
18192021222324
25262728293031

注目情報

最新記事

異方的成長による量子ニードルの合成を実現

第693回のスポットライトリサーチは、東京大学大学院理学系研究科(佃研究室)の髙野慎二郎 助教にお願…

miHub®で叶える、研究開発現場でのデータ活用と人材育成のヒント

参加申し込みする開催概要多くの化学・素材メーカー様でMI導入が進む一…

医薬品容器・包装材市場について調査結果を発表

この程、TPCマーケティングリサーチ株式会社(本社=大阪市西区、代表取締役社長=松本竜馬)は、医…

X 線回折の基礎知識【原理 · 基礎知識編】

X 線回折 (X-ray diffraction) は、原子の配列に関する情報を得るために使われる分…

有機合成化学協会誌2026年1月号:エナミンの極性転換・2-メチル-6-ニトロ安息香酸無水物(MNBA)・細胞内有機化学反応・データ駆動型マルチパラメータスクリーニング・位置選択的重水素化法

有機合成化学協会が発行する有機合成化学協会誌、2026年1月号がオンラインで公開されています。…

偶然と観察と探求の成果:中毒解毒剤から窒素酸化物を窒素分子へ変換する分子へ!

第692回のスポットライトリサーチは、同志社大学大学院理工学研究科(小寺・北岸研究室)博士後期課程3…

嬉野温泉で論文執筆缶詰め旅行をしてみた【化学者が行く温泉巡りの旅】

論文を書かなきゃ!でもせっかくの休暇なのでお出かけしたい! そうだ!人里離れた温泉地で缶詰めして一気…

光の強さで分子集合を巧みに制御!様々な形を持つ非平衡超分子集合体の作り分けを実現

第691回のスポットライトリサーチは、千葉大学大学院 融合理工学府 分子集合体化学研究室(矢貝研究室…

化学系研究職の転職は難しいのか?求人動向と転職を成功させる考え方

化学系研究職の転職の難点は「専門性のニッチさ」と考えられることが多いですが、企業が求めるのは研究プロ…

\課題に対してマイクロ波を試してみたい方へ/オンライン個別相談会

プロセスの脱炭素化及び効率化のキーテクノロジーである”マイクロ波”について、今回は、適用を検討してみ…

実験器具・用品を試してみたシリーズ

スポットライトリサーチムービー

PAGE TOP