ケイ素
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出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2025/07/07 08:59 UTC 版)
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| 外見 | |||||||||||||||||||||||||||||||
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金属光沢のある暗灰色  ケイ素のスペクトル線 |
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| 一般特性 | |||||||||||||||||||||||||||||||
| 名称, 記号, 番号 | ケイ素, Si, 14 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 分類 | 半金属 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 族, 周期, ブロック | 14, 3, p | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 原子量 | 28.0855(3) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 電子配置 | [Ne] 3s2 3p2 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 電子殻 | 2, 8, 4（画像） | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 物理特性 | |||||||||||||||||||||||||||||||
| 相 | 固体 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 密度（室温付近） | 2.3290 g/cm3 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 融点での液体密度 | 2.57 g/cm3 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 融点 | 1687 K, 1414 °C, 2577 °F | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 沸点 | 2628 K, 2355[1] °C, 4271 °F | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 融解熱 | 50.21 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 蒸発熱 | 359 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 熱容量 | (25 °C) 19.789 J/(mol·K) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 蒸気圧 | |||||||||||||||||||||||||||||||
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| 原子特性 | |||||||||||||||||||||||||||||||
| 酸化数 | 4, 3 , 2 , 1[2] −1, −2, −3, −4 (両性酸化物) |
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| 電気陰性度 | 1.90（ポーリングの値） | ||||||||||||||||||||||||||||||
| イオン化エネルギー | 第1： 786.5 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 第2： 1577.1 kJ/mol | |||||||||||||||||||||||||||||||
| 第3： 3231.6 kJ/mol | |||||||||||||||||||||||||||||||
| 原子半径 | 111 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 共有結合半径 | 111 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||
| ファンデルワールス半径 | 210 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||
| その他 | |||||||||||||||||||||||||||||||
| 結晶構造 | 立方晶系 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 磁性 | 反磁性[3] | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 電気抵抗率 | (20 °C) 103 [4]Ω⋅m | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 熱伝導率 | (300 K) 149 W/(m⋅K) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 熱膨張率 | (25 °C) 2.6 μm/(m⋅K) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 音の伝わる速さ （微細ロッド） |
(20 °C) 8433 m/s | ||||||||||||||||||||||||||||||
| ヤング率 | 185[4] GPa | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 剛性率 | 52[4] GPa | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 体積弾性率 | 100 GPa | ||||||||||||||||||||||||||||||
| ポアソン比 | 0.28[4] | ||||||||||||||||||||||||||||||
| モース硬度 | 7 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| CAS登録番号 | 7440-21-3 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| バンドギャップ energy at 300 K | 1.12 eV | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 主な同位体 | |||||||||||||||||||||||||||||||
| 詳細はケイ素の同位体を参照 | |||||||||||||||||||||||||||||||
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ケイ素（けいそ、珪素、硅素、英: silicon、羅: silicium）は、原子番号14の元素である。元素記号はSi。原子量は28.1。「シリコン」とも呼ばれる。
名称
1787年に、アントワーヌ・ラヴォアジエが「silicon」と名付けた。ラテン語の「silex」「silicis」（燧石）にちなむ。のちに、宇田川榕庵が「舎密開宗」で「珪土」をケイ素（シリコン）の訳語とした。オランダ語のシリコンは「keiaarde」であり、「keisteen-aarde」（火打石の土）の短縮形であるため、玉偏の同音字「珪」（けい、「圭」の異体字）で音写した。のちに「硅」も出現したが、「珪素」が基準となった[要出典]。中国名の「硅」はこの日本の音写由来であると考えられる[注 1]が、発音はguī（グイ）と日本とは異なり[注 2]、また台湾においては旧来[注 3]の「矽」（xī、シー）が21世紀初頭現在においても用いられている[5]。
性質
標準状態で安定な結晶構造はダイヤモンド構造。比重2.33、融点1410 °C（1420 °C）、沸点 2600 °C（ほかに2355 °C、3280 °Cという実験値あり）。ダイヤモンド構造のケイ素は、1.12 eVのバンドギャップ（実験値）をもつ半導体である。これは非金属元素であるが、圧力（静水圧）を加えると、βスズ構造に構造相転移する。このβスズ構造のケイ素は金属である。更にケイ素には、シリセンという、ケイ素原子が環状に6個結びついた同素体がある。周期表において、すぐ上の元素は炭素だが、その常温・常圧での安定相であるグラファイト構造(シリセン)は、ケイ素においては安定な構造として存在できない。
分布
ケイ素は、地球の主要な構成元素のひとつである。地球地殻の質量の74.32 %は酸素（46.60%）とケイ素（27.72%）で占められており[注 4]、石英の成分であるSiO2が地殻の大部分を構成している[7]。地殻の造岩鉱物の92 %はSiO4の四面体を結晶構造の基本単位とするケイ酸塩鉱物である[7]。
歴史
1787年に、アントワーヌ・ラヴォワジエが初めて元素として記載した。しかしラヴォワジエは、燧石そのものを元素だと思っていた。
1800年に、ハンフリー・デービーの研究によって燧石は化合物だったことが判明した。
1811年に、ジョセフ・ルイ・ゲイ＝リュサックとルイ・テナールが、のちのベルセリウスと同様の方法でアモルファスシリコンの分離に成功したと考えられている。
1823年に、イェンス・ベルセリウスが四フッ化ケイ素とカリウムを加熱して単離に成功した。
用途
バンドギャップが常温付近で利用するために適当な大きさであること、ホウ素やリンなどの不純物を微量ドープさせることにより、p型半導体、n型半導体のいずれにもなることなどから、電子工学上重要な元素である。半導体部品として利用するためには高純度である必要があり、このため精製技術が盛んに研究されてきた。現在、ケイ素は99.9999999999999%（15N[注 5]）まで純度を高められる。また、Si(111) 基板はAFMやSTMの標準試料としてよく用いられる。
赤外光学系
ケイ素は赤外域（波長2–6 μm）で高い透過率があり、レンズや窓の素材に用いられる。波長4 μmの屈折率は3.4255[8]。
半導体素子
四塩化ケイ素やトリクロロシランから作られる高純度ケイ素の塊（シリコンウェハー）は、半導体素子に用いられる。また、液晶ディスプレイのTFTやソーラーパネルには、アモルファスシリコンや多結晶シリコンなどが用いられる。ヒ化ガリウムや窒化ガリウムなどの化合物半導体の基板にシリコンを用いれば、大幅な低価格化が可能であり、さまざまな研究や実用化が進められている。
ケイ素含有合金
電気炉における製鉄材料として鉄1トンあたり4 kg前後のケイ素が添加されるほか、ケイ素合金として製鉄の脱酸素剤に用いられる。そのほかに、ケイ素を混ぜた鋼板（ケイ素鋼板）は、うず電流による損失が少なくなるため、変圧器に使われている。アルミニウム工業の分野でもケイ素の合金が使われている。また、鉛レス黄銅にも添加される。
ケイ素含有セラミックス類
ケイ素の酸化物（シリカ）を原料とするガラスは、窓などで使われるほか、繊維状にしたグラスウールは断熱材や吸音材としても用途がある。ゼオライトは、イオン交換体、吸着剤あるいは、有機化学工業における触媒ともなっている。シリカゲルは、非常に利用しやすい乾燥剤になる。
炭化ケイ素は、耐火材や抵抗体として使われたり、高いモース硬度（9.5）を持つために研磨剤として使われたりする。そのほかのケイ素化合物として、アルミノケイ酸塩が粘土に含まれ、陶器やセメント・煉瓦などセラミックスと呼ばれる材料の主成分になっているほか、カルシウム化合物を除去する働きから、水の精製に使われるなどしている。
アボガドロ定数の決定
ケイ素の単結晶は半導体材料として工業上重要であるため、もっとも高純度・低欠陥な結晶が実現されている材料のひとつである。このことから、28Siのほぼ無欠陥な単結晶により真球を作成し、この真球からアボガドロ定数の正確な値と、1 キログラムを構成するのに必要な原子の個数を決定する試みが行われた[9]。2019年5月20日よりアボガドロ定数は6.02214076×1023 mol−1という定義値として施行されることになった。
機械式時計の部品
ケイ素は鉄と違って軽いうえ磁性を帯びないため、機械式時計の部品（ゼンマイ、ガンギ車など）の素材としても用いられるようになっている。最初に実用化に成功したのはスイス・ユリス・ナルダンの『フリーク』（2001年）[10]で、以降スイスの高級時計メーカーで採用が進められている。日本では、2021年にセイコーエプソンがプリンターヘッドの製造技術を応用し、「オリエントスター」ブランドで初めて発売に踏み切った[11]。
ただし、製造にはLIGAやMEMSなど高度な成型技術が必要なうえ、壊れやすいため歩留り率が低いなど、実用化されてから日が浅いため欠点や不明な点が多く、採用しないメーカーも多い。
ケイ酸塩・ケイ素樹脂
前述のように、ケイ酸塩はさまざまな形で地殻上に存在しており、天然に存在するケイ素化合物のほとんどが、二酸化ケイ素およびケイ酸塩である。工業的にも広く用いられ、ガラス、陶磁器、肥料など、枚挙に暇がない。
アスベストは、繊維状のケイ酸塩鉱物であり、耐薬品性や耐火性から以前は建材などに広く用いられたが、中皮腫が問題になったため、使用量は激減している。日本でもアスベストによる健康被害が社会問題となり、労災認定や健康被害を受けた人に対しての補償問題、また、依然として既存建築物に多く残るアスベストの撤去問題を抱える。
有機基を有するケイ素二次元および三次元酸化物は、シリコーンと呼ばれる。このものは、優れた耐熱性、耐薬品性、低い毒性などの有用な性質を示し、油状のものはワックス、熱媒体、消泡剤などに用いられる。三次元シリコーンはゴム弾性を示し、ゴム状のものはホースやチューブ、樹脂状のものは塗料や絶縁材、接着剤など各種の用途に利用される。
製法
原料
工業用ケイ素の主原料は、SiO2からなる二酸化ケイ素（珪石、石英、シリカとも）である。日本国内の埋蔵量は2億トンあるとされるが、アルミニウムと同様、酸化物から還元するには大量の電力を必要とするため、金属シリコンの状態になってから輸入するのが一般的である。
世界の二酸化ケイ素の埋蔵量はきわめて潤沢であり、高純度のものも世界に広く分布する[12]。二酸化ケイ素#埋蔵量を参照。
精製
- 金属グレードシリコン（MG-Si）
- 英語で"metallurgical-grade silicon" (MG-Si)と呼ばれる。直訳で「冶金グレードシリコン」であるが、日本語で金属グレードシリコンや金属シリコンと呼ばれることもある[13]。
- ケイ素の単体はカーボン電極を使用したアーク炉を用いて、二酸化ケイ素を還元して得る。この際、精製されたケイ素は純度99 %程度のものである。
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- 半導体工学
- シリコンバレー
- プラント・オパール
- シリコンフォトニクス
- 多結晶シリコン（ポリシリコン）
外部リンク
- ケイ素 - 素材情報データベース＜有効性情報＞（国立健康・栄養研究所）
- 国際化学物質安全性カード ケイ素 (ICSC:1508) 日本語版(国立医薬品食品衛生研究所による), 英語版
- “安全データシート ケイ素（粉末、無定形のもの）”. 職場の安全サイト. 厚生労働省 (2010年3月). 2018年2月23日閲覧。
- 『ケイ素』 - コトバンク
- けい素のページへのリンク
