ケイ素

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。

アルミニウム ← ケイ素 → リン C ↑ Si ↓ Ge 14Si 周期表
外見
暗灰色 ケイ素のスペクトル線
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 °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
圧力 (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k 温度 (K) 1908 2102 2339 2636 3021 3537
原子特性
酸化数	4, 3 , 2 , 1 -1, -2, -3, -4 (両性酸化物)
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
電気抵抗率	(20 °C) 103 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 GPa
剛性率	52 GPa
体積弾性率	100 GPa
ポアソン比	0.28
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
同位体 NA 半減期 DM DE (MeV) DP 28Si 92.23 % 中性子14個で安定 29Si 4.67 % 中性子15個で安定 30Si 3.1 % 中性子16個で安定 32Si syn 170 y β− 13.020 32P

「シリコン」とも呼ばれる。

名称

1787年に、アントワーヌ・ラヴォワジエが「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、「珪素」が基準となった。

性質

地球の主要な構成元素のひとつ。半導体部品は非常に重要な用途である。

最外殻電子が４つ（四価）のケイ素とシリシウムで形成された結晶構造の図。黒い部分がケイ素で、白い部分がシリシウム。図から見ても分かるように、ダイヤモンド構造で形成されている

常温・常圧で安定な結晶構造はダイヤモンド構造。比重2.33、融点1,410°C（1,420°C）、沸点 2,600°C（ほかに2,355°C、3,280°Cという実験値あり）。ダイヤモンド構造のケイ素は、1.12eV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。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は、ケイ素においては安定な構造として存在できない。

歴史

地殻中に大量に存在するため、鉱物の構成要素として重要である。Si-O-Si結合の多様性を反映したさまざまな鉱物が、ケイ酸塩鉱物という大きなグループにまとめられている。

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添加させることにより、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パーセント（15N）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。

ケイ素の単結晶

赤外光学系

ケイ素は赤外域（波長2 - 6μm）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4μmの屈折率は3.4255。

半導体

もっとも重要な用途としては、四塩化ケイ素やトリクロロシランなどから作られる高純度ケイ素の塊（ウェハー）が半導体作成に用いられることが挙げられる。また、液晶ディスプレイのTFTや太陽電池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キロ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。

アボガドロ数の決定

「アボガドロ数」も参照

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、この真球に含まれる原子数を数えることによってアボガドロ数を決定する試みが行われている。

ケイ酸塩・ケイ素樹脂

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すべて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、その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、人体への悪影響が問題になったため、使用量は激減している。日本では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国民に対しての補償問題、また、依然として多く残るアスベストの撤去に対しての問題を抱える。

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、珪砂、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。二酸化ケイ素#埋蔵量を参照。

精製

金属グレード（MG）シリコン

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パーセント程度のものである。

${\ce {SiO2 + C -> Si + CO2}}$

${\ce {SiO2 + 2C -> Si + 2CO}}$

高純度ポリシリコン

さらに純度を高めるには、塩素と反応させ四塩化ケイ素とし（ガス化）、これを蒸留して純度の高い製品を得る。

${\ce {Si + 2Cl2 -> SiCl4}}$

${\ce {SiCl4 + 2H2 -> Si + 4HCl}}$

半導体グレード（SEG）シリコン

集積回路など半導体素子に使用する超高純度のケイ素（純度11N以上）は、上記の高純度シリコンからさらにFZ（フローティングゾーン）法などのゾーンメルティングやCz（チョクラルスキー）法などの単結晶成長法による析出工程を経ることで製造される。

ゾーンメルト法では融解帯に不純物が濃縮する過程を繰り返すことで高純度のケイ素を得る。Cz法においては偏析を利用して高純度化するため、原料であるポリシリコン（多結晶珪素）には非常に純度の高いものが要求される。半導体に利用するには基本的に結晶欠陥（転位）のない単結晶が必要とされ、FZ法（フローティングゾーン）においてもCz法（チョクラルスキー）においても単結晶を回転させながらいったん細くし、転位を外に追い出した段階で結晶の径を大きくすることにより、所定の大きさの結晶を得る。FZ法は大口径化に向かないため、産業用に使用されているシリコンウェーハの大部分はCz法によって製造されている。現在製品化されているシリコンウェーハの径は直径300ミリまでである。

太陽電池グレード（SOG）シリコン

再生エネルギー発電の需要増大が起きる前の太陽電池の製造および需要事情は、半導体グレード（SEG）ほどの需要に応えられるような超高純度は必要なく、7N程度の純度で済み、また多結晶でも充分目的が果たせられる。このため上記の単結晶シリコンインゴットの端材などが原料に利用されてきた。

しかし、再生エネルギー発電の需要増大にともない、専用の太陽電池グレード（ソーラーグレード）シリコンの生産法が開発されている。手順としては上記の半導体グレード（SEG）の精製工程を簡略化した方法のほか、下記のような手法が用いられる。半導体グレード（SEG）に比べ、使用するエネルギーや製造費用が数分の1以下になるとされる手法が多い（ソーラーグレードシリコンを参照）。

• 流動床炉（FBR）法：種結晶を気流で巻き上げながら、表面にシリコンを析出させる。
• 冶金法：金属グレードシリコンから冶金学的手法によって直接ソーラーグレードシリコンを製造する。
• 水ガラス化法：珪石（SiO₂）を水ガラス化した状態で高純度化してから還元する。
• NEDO溶融精製法：金属グレードシリコンを電子ビームやプラズマで溶融させて特定の不純物を除いたあと、一方向凝固させる。

ソーラーグレードシリコンは2006年（平成18年）ごろには高純度シリコン市場の約半分を占め、今後もその割合は拡大すると見られている。今後はソーラーグレードが高純度シリコン生産量の大部分を占め、半導体級は特殊品になっていくと予測されている。また太陽電池用シリコン原料は2008年（平成20年）までは供給の逼迫で価格が高止まりしていたが、2009年（平成21年）からは価格の低下が予測されている。

ケイ素化合物

• 一酸化ケイ素（SiO）
• 二酸化ケイ素（SiO₂） - 石英など
• ケイ酸
• 窒化ケイ素（Si₃N₄）
• 炭化ケイ素（SiC）
• ケイ酸塩（MgSiO₃など）
• 四塩化ケイ素（SiCl₄） - 煙幕
• シラン（SiH₄）
• シリコーン
• ケイ素樹脂
• 環状シロキサン（D3、D4など）
• 有機ケイ素化合物 - トリメチルシリル基（-Si(CH₃)₃）などを有する有機化合物。保護基や脱離基として有機合成に汎用されている。

同位体

詳細は「ケイ素の同位体」を参照

生物

生物とのかかわりは薄く、知られているのは、放散虫・珪藻・シダ植物・イネ科植物などにおいて二酸化ケイ素のかたちでの骨格への利用に留まる。栄養素としての必要性は詳しく分かっていない。炭素とケイ素との化学的な類似から、SF などではケイ素を主要な構成物質とするケイ素生物が想定されることがある。

• 珪藻はケイ素を外部から取り込み細胞壁に利用している。珪藻の堆積物は珪藻土と呼ばれる。
• 一部の植物ではケイ素の量と成長との間に関連がある。また病原体への抵抗力とも関連している（植物について詳しくは栄養素_(植物)#ケイ素参照）。
• ラットでは、骨と結合組織（皮膚、爪、髪、気管、腱、大動脈)にケイ素が多い。
• ヒトの体内には平均1グラムのケイ素が含まれる。

摂取

摂取基準

安全性に関するデータが十分ではなく、日本や米国でも摂取基準などは定められていない。

推定摂取量

ヒトの推定摂取量を次に示す（表）。

ケイ素の推定摂取量

西側諸国	20 - 50mg/日
インド	143 - 204mg/日
中国	139mg/日

以下はイギリスでの食品中のケイ素の量を計測したデータ。ケイ素を比較的多く含む食品を抜粋した。

食品中のケイ素含量 

食品中のケイ素含量（イギリス）

食品	1食分（g）	ケイ素含量 （mg/1食分）	ケイ素含量 （mg/100g）
グラノーラ （シリアル）	60	7.35	12.25
ミューズリー （スイススタイル）	50	2.80	5.59
オートブラン	14	3.27	23.36
スパゲティ （茹で）	220	1.45	0.66
コメ（玄米） （茹で）	120	4.51	3.76
コメ（短粒種） （茹で）	120	1.18	0.98
小麦ふすま	14	1.54	10.98
バナナ （生）	100	4.77	4.77
マンゴー （生）	150	3.0-4.7	2.0-3.15
パイナップル （生）	80	3.14	3.93
豆腐	60	1.78	2.96
サヤインゲン （茹で）	90	7.86	8.73
ホウレンソウ （茹で）	80	4.10	5.12
水道水	200	0.50	0.25
ラガービール （缶）	333	5.46	1.64

安全性

• 健康な腎機能を有する人では、通常の食物からの摂取量では問題が起こることはないと考えられている。
• 医薬品やサプリメントなどによるケイ素を含む化合物の長期の摂取では腎結石、腎障害などを起こす可能性がある。
• ケイ素が172mg Si/L含まれる湧水の摂取によると考えられる腎結石の報告がある 。十分に管理されていない湧水や井戸水、鉱泉などの天然水には高濃度のケイ素が含まれることがある。
• ケイ素を含む粉体の吸入により珪肺など呼吸器系の障害を起こすことがある。

参考文献

• SOG 製法
  • 山田興一・小宮山宏「太陽光発電工学」ISBN 4-8222-8148-5
  • 小長井誠「薄膜太陽電池の基礎と応用」ISBN 4-274-94263-5
• SEG 製法 シリコンウェーハ
  • 志村史夫「半導体シリコン結晶工学」ISBN 4-621-03876-1

• 『シリコンの物語　エレクトロニクスと情報革命を担う』フレデリック・サイツ著　堂山 昌男・北田 正弘訳 内田老鶴圃　2000年発行 ISBN 4-7536-6131-8

関連項目

• 半導体工学
• シリコンバレー
• 珪藻
• プラント・オパール
• ケイ素生物
• シリコンフォトニクス

外部リンク

• ケイ素 - 「健康食品」の安全性・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 日本語版 - 国立医薬品食品衛生研究所 (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。