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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

 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)

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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。

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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。

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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。

 

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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。

 

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Chem-Station代表。早稲田大学理工学術院准教授。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。
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