ケイ(珪)素(読み)けいそ

改訂新版 世界大百科事典 「ケイ(珪)素」の意味・わかりやすい解説

ケイ(珪)素 (けいそ)
silicon

周期表第Ⅳ B族に属する炭素族元素の一つ。シリコンともいう。天然には遊離の状態では存在しないが,酸化物やケイ酸塩として岩石中に多く存在し,地殻形成の主成分となっている。1823年にJ.J.ベルセリウスがケイ化フッ素をカリウムで還元して初めて単離した。siliconの名称は,ラテン語の火打石(二酸化ケイ素SiO2から成る)を意味するsilexに由来している。

ダイヤモンド型構造をもち,モース硬度7。無定形ケイ素(褐色粉末)と結晶性ケイ素(暗黒青色)がある。空気中,常温では安定であるが,無定形ケイ素は空気中で加熱すると二酸化ケイ素SiO2を生ずる。結晶性ケイ素はフッ化水素酸には不溶だが,無定形ケイ素は溶ける。アルカリ溶液には両者とも水素を発生して容易に溶ける。

 Si+2OH⁻+H2O─→SiO32⁻+2H2

1000℃以上では窒素とも反応し,窒化ケイ素SiNを生成する。ハロゲンとは反応しやすく,フッ素とは常温で,塩素や臭素とはそれぞれ430℃および500℃以上で反応し四ハロゲン化ケイ素(SiF4,SiCl4,SiBr4)を生ずる。王水には徐々に侵される。高温では多くの金属酸化物を還元して金属を遊離させる。また,有機ケイ素化合物も多く知られており,アルカン(パラフィン系炭化水素CnH2n+2)に対応するシラン(水素化ケイ素SinH2n+2)およびその誘導体,シロキサン結合-Si-O-Si-O-を有するケイ素樹脂(シリコーンsilicone)などはその代表的なものである。

 エレクトロニクス工業における半導体材料として重要であり,また,ケイ素鋼などの合金元素,金属製錬の際の還元剤,脱酸剤,ケイ素樹脂の製造原料として用いられる。
半導体
執筆者:

工業的な純度のケイ素は,ケイ砂またはケイ石(主成分SiO2)とコークスを混合して,電気炉で高温度で還元して得られる。純度は原料によって異なるが,Si92~98%で,おもな不純物は,鉄,カルシウムアルミニウムなどである。脱酸およびケイ素添加用に用いられるフェロシリコンも同様な方法でつくられる。合金元素としてはこの程度の純度のもので十分であるが,集積回路用半導体としての高純度のものは,この工業用ケイ素を精製してつくられる。その工程は次のとおりである。

 工業用ケイ素に300℃で無水の塩化水素を通じて,三塩化シランSiHCl3をつくる(三塩化シランは沸点31.8℃,融点-127℃で,空気中の水蒸気と激しく反応する)。次いでこの三塩化シランを精留して不純物を除去し,水素還元して多結晶ケイ素を得る。5~6mm角のケイ素棒に通電して1000~1100℃に加熱すると,この棒上で水素還元が行われ,三塩化シランの約1/3がケイ素になり,残りの2/3は四塩化ケイ素SiCl4となる。この多結晶ケイ素は,必要な微量のドープ剤(定められた特性を与えるために添加される不純物)とともに帯域溶融法ゾーンメルティング)あるいは浮遊帯域溶融法によってさらに精製され,単結晶がつくられる(〈結晶成長〉の項参照)。四塩化ケイ素を水素還元する方法,モノシランSiH4を熱分解する方法もあるが,四塩化ケイ素の水素還元法は反応速度が遅く,モノシランの場合には原料モノシランの製造法に問題点があり,工業的には,おもに三塩化シランを用いる。
執筆者:

ケイ素はトクサ目などのシダ類,イネ科・カヤツリグサ科植物の細胞壁に多量に集積しており,またケイ藻の殻をつくるのに必須である。放散虫類の一部やケイ質カイメン類などでは,ケイ酸質の骨格構造が発達している。動物にとっても成育に役割を果たし,このケイ素の欠乏で骨の変形などが起こることがネズミなどで知られている。哺乳類においては,ケイ素は結合組織に最も豊富に見いだされ,ケイ酸のエステル様結合が架橋を構築して結合組織の弾性に寄与しているらしいとの説もある。しかしケイ素の生化学的挙動,生理機能の意義については,よくわかっていない。
執筆者:


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百科事典マイペディア 「ケイ(珪)素」の意味・わかりやすい解説

ケイ(珪)素【ケイそ】

元素記号Si。原子番号14,原子量28.084〜28.086。融点1412℃,沸点3266℃。炭素族元素の一つ。シリコンとも。1823年ベルセリウスが単体を初めて分離。結晶は暗青色正八面体でかたくもろいが,無定形のものは褐色粉末。硬度7。常温空気中で安定。酸素とは400℃以上で反応して二酸化ケイ素SiO2となる。無機酸には安定であるが王水には侵され,水酸化アルカリ水溶液には水素を発生して溶ける。半導体としてトランジスターやダイオードに,合金としてケイ素鋼などに用いられるほか,製鉄の際の脱酸素剤,ケイ素樹脂の原料とされる。天然には遊離で存在しないが,ケイ酸塩あるいは石英として岩石の主成分をなし,地殻中には酸素に次いで多量に存在する(クラーク数25.8)。工業的には天然産のケイ砂を原料とし,電気炉中で炭素で還元してつくる。半導体原料としての純粋なケイ素は四塩化ケイ素SiCl4を亜鉛で還元してつくり,さらにゾーンメルティングを行って精製する。
→関連項目高純度金属シリコン・バレー信越化学工業[株]

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