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''' 二酸化ケイ素'''（にさんかケイそ、{{lang-en-short|[[w:silicon dioxide|silicon dioxide]]}}）は[[ケイ素]]の[[酸化物]]で、[[地殻]]を形成する[[物質]]の一つとして重要である。[[組成式]]は'''SiO<sub>2</sub>'''。'''シリカ'''（{{lang-en-short|[[w:silica|silica]]}}）、'''無水ケイ酸'''とも呼ばれる。[[圧力]]、[[温度]]の条件により、[[石英]]（{{lang-en-short|[[w:quartz|quartz]]}}、水晶）以外にも[[シリカ鉱物]]（SiO<sub>2</sub>）の多様な結晶相（結晶[[多形]]）が存在するが発見されている。
== 性質 ==
[[結晶]]は[[共有結合結晶]]であり、ケイ素原子を中心とする正四面体構造が[[酸素]]原子を介して無数に連なる構造をしている。
;結晶多形
二酸化ケイ素は温度や圧力をかけると結晶構造が変化する（相変態）を起こす。結晶構造などは次の一覧項で説明する。
*'''温度を上昇させた時の相変化'''
:常温常圧下ではα石英が安定だが、二酸化ケイ素は温度変化によって相変化を起こす。
:以下に示す温度は常圧での温度であり、溶剤や圧力等により変化する<ref>熱とエネルギーを科学する 171p ISBN 4501419008</ref><ref>[https://www.jstage.jst.go.jp/article/jcersj1950/89/1036/89_1036_637/_pdf ケイ石耐火物におけるトリジマイトからクリストバライトへの転移に及ぼすAl2O3の影響]（窯業協會誌 Vol. 89 (1981) No. 1036 P 637-642）</ref>。
:'''α-石英'''― 575°C→'''β-石英'''― 870°C→ '''β‐[[鱗珪石|トリディマイト]]'''― 1470°C→ '''β‐[[クリストバライト]]'''― 1705°C→ 溶解
:しかし、β‐トリディマイトは不純物の無いβ-石英からは転移せず、この形態を経由するには添加物を加える必要がある。そうしない場合、1050℃でβ-石英からβ‐クリストバライトに直接相変化する<ref>Heaney, P. J. (1994). "Structure and chemistry of the low-pressure silica polymorphs". Reviews in Mineralogy. 29.</ref>。
:上記の様に説明したが、大抵はβ-石英から1550℃で直接溶融する。これはそれぞれの結晶を構成するSiO<sub>4</sub>正四面体が、頂点の酸素を共有して結合して3次元的なネットワークを形成しているが、その結合の仕方が各結晶構造で異なるため簡単に相変化が起きない為である<ref name=keio>[http://koara.lib.keio.ac.jp/xoonips/modules/xoonips/download.php/PDF%C2%A5AN10079809-20090930-0013.pdf?file_id=27808 右水晶と左水晶の区別 ] - 慶應義塾大学学術情報リポジトリ（KOARA）</ref>。
*'''温度を下げた時の相変化'''
:β-トリディマイトを急速に冷却すると、114℃で'''α-トリディマイト'''となる。
:β-クリストバライトを急速に冷却すると、270℃で'''α-クリストバライト'''となる。
*'''圧力による相変化'''
:500 ℃から800 ℃、2～3 G[[パスカル|Pa]]以上になると'''[[コーサイト]]'''に<ref>{{cite journal |last=Coes |first=L. Jr. |date=31 July 1953|title=A New Dense Crystalline Silica |journal=Science |volume=118 |issue=3057 |pages=131–132 |doi=10.1126/science.118.3057.131 |pmid=17835139|bibcode = 1953Sci...118..131C}}</ref><ref>{{cite book|author=Robert M. Hazen|title=The Diamond Makers|url=https://books.google.com/books?id=fNJQok6N9_MC&pg=PA91|accessdate=6 June 2012|date=22 July 1999|publisher=Cambridge University Press|isbn=978-0-521-65474-6|pages=91–}}</ref>、1200 ℃以上、10 GPaで'''[[スティショバイト]]'''に転移する<ref>{{cite journal|doi=10.1016/j.epsl.2007.04.041|title=Inclusions of nanocrystalline hydrous aluminium silicate "Phase Egg" in superdeep diamonds from Juina (Mato Grosso State, Brazil) |year=2007 |last1=Wirth |first1=R|last2=Vollmer|first2=C|last3=Brenker|first3=F|last4=Matsyuk|first4=S|last5=Kaminsky|first5=F|journal=Earth and Planetary Science Letters|volume=259|pages=384 |bibcode=2007E&PSL.259..384W|issue=3–4}}</ref>。
:ともに常温・常圧下では準安定な状態で、[[隕石]]の[[クレーター]]から発見されている<ref name="Fleischer1962">{{cite journal |last1=Fleischer |first1=Michael|year=1962|title=New mineral names |journal=American Mineralogist |volume=47 |issue=2 |pages=172–174 |publisher=Mineralogical Society of America |doi= |url=http://rruff.info/uploads/AM47_805.pdf |accessdate= |format=PDF}}</ref><ref>{{cite journal|doi=10.1126/science.132.3421.220|title=First Natural Occurrence of Coesite|year=1960|last1=Chao|first1=E. C. T.|last2=Shoemaker|first2=E. M.|last3=Madsen|first3=B. M.|journal=Science|volume=132|pages=220–2|pmid=17748937|issue=3421|bibcode=1960Sci...132..220C}}</ref>。
:[[マントル]]遷移層から下部マントル程度の高圧条件下では[[スティショバイト]]構造をとると考えられている<ref>Funamori, N.; Jeanloz, R.; Miyajima N.; Fujino K. (2000). "Mineral assemblages of basalt in the lower mantle". ''J. Geophs. Res. - Solid Earth'' '''105''' (B11): 26037–26043. [http://cat.inist.fr/?aModele=afficheN&cpsidt=826355 要旨]</ref><ref>参考: http://www.geo.arizona.edu/xtal/geos306/fall06-11.htm, http://www.esc.cam.ac.uk/~gbro04/SZ%20processes.html, http://www.suken.co.jp/subject/rika/sc_net/25/Sc25_3.pdf</ref><ref>八木健彦、近藤忠、宮島延吉、亀卦川卓美、"下部マントル深部条件下における高温高圧X線回折実験" , ''PHOTON FACTORY NEWS'' Vol.20 No.3 NOV. 2002 [http://pfwww.kek.jp/publications/pfnews/20_3/yagiweb.pdf PDF]</ref>。<!-- さらに計算と[[ラマンスペクトル]]の比較に基づき、ルチル型のステショバイトから CaCl<sub>2</sub>型 の構造に変化するとも予測されている<ref>Kingma, K. J.; Cohen, R. E.; Hemley, R. J.; Mao, H.-K. (1995). "Transformation of stishovite to a denser phase at lower-mantle pressures". ''Nature'' '''374''': 243–245. {{doi|10.1038/374243a0}}</ref>。 -->
{|class="wikitable"
|+ SiO<sub>2</sub>の結晶構造<ref>Holleman, A. F.; Wiberg, E. (2001), Inorganic Chemistry, San Diego: Academic Press, ISBN 0-12-352651-5</ref>
|-
!Form
!結晶対称性<br/>[[ピアソン記号]], [[:en:List_of_space_groups|group No.]]
!ρ<br />g/cm<sup>3</sup>
!注釈
!構造
|-
|α-石英<br/>α-quartz
|[[三方晶系]] <br/>hP9, P3<sub>1</sub>21 No.152<ref>{{cite journal|journal=[[Journal of Applied Physics]] |year=1982|volume=53|pages=6751–6756|title=Crystal structure and thermal expansion of a-quartz SiO<sub>2</sub> at low temperature|author1=Lager G. A. |author2=Jorgensen J. D. |author3=Rotella F.J. |doi=10.1063/1.330062|issue=10|bibcode = 1982JAP....53.6751L }}</ref>
| 2.648
| [[鏡像異性体]]があり、それぞれ左右方向への３回らせん軸対称
|[[File:a-quartz.png|100px]]
|-
|β-石英<br/>β-quartz
|[[六方晶系]]<br/>hP18, P6<sub>2</sub>22, No. 180<ref>{{cite journal |doi=10.1016/0022-4596(81)90449-7 |title=The structure of quartz at 25 and 590 °C determined by neutron diffraction |year=1981 |last1=Wright |first1=A. F. |last2=Lehmann |first2=M. S. |journal=Journal of Solid State Chemistry |volume=36 |issue=3 |pages=371–80|bibcode = 1981JSSCh..36..371W }}</ref>
| 2.533
| [[キラリティー]]（左右方向）の6回らせん軸対称
|[[File:b-quartz.png|100px]]
|-
|α-トリディマイト<br/>α-tridymite
|[[斜方晶系]]・[[単斜晶系]]<ref name=keio/><br/>oS24, C222<sub>1</sub>, No.20<ref name=trid>{{cite journal |doi=10.1524/zkri.1986.177.1-2.27 |title=Structural change of orthorhombic-Itridymite with temperature: A study based on second-order thermal-vibrational parameters |year=1986 |last1=Kihara |first1=Kuniaki |last2=Matsumoto |first2=Takeo |last3=Imamura |first3=Moritaka |journal=Zeitschrift für Kristallographie |volume=177 |pages=27–38|bibcode = 1986ZK....177...27K }}</ref>
| 2.265
| 常圧下で準安定形態
|[[File:a-tridymite.png|100px]]
|-
|β-トリディマイト
| 六方晶系<br/>hP12, P6<sub>3</sub>/mmc, No. 194<ref name=trid/>
|
| α-トリディマイトと相互に速やかに変態する<br/>β-トリディマイトは2010Kでβ-クリストバライトに変態する
|[[File:b-tridymite.png|100px]]
|-
|α-クリストバライト<br/>α-cristobalite
|[[正方晶系]]<br/>tP12, P4<sub>1</sub>2<sub>1</sub>2, No. 92<ref>{{cite journal|journal=[[American Mineralogist]]|year=1994 |volume=79|pages=9–14|title=The pressure behavior of a cristobalite|url=http://www.geo.arizona.edu/xtal/group/pdf/AM79_9.pdf|author1=Downs R. T. |author2=Palmer D. C. }}</ref>
| 2.334
| 常圧下で準安定形態
|[[File:a-cristobalite.png|100px]]
|-
|β-クリストバライト<br/>β-cristobalite
|[[立方晶系]]<br/>cF104, Fd<u style="text-decoration:overline">3</u>m, No.227<ref>{{cite journal |doi=10.1080/00318087508228690 |title=The structures of the β-cristobalite phases of SiO<sub>2</sub> and AlPO<sub>4</sub> |year=1975 |last1=Wright |first1=A. F. |last2=Leadbetter |first2=A. J. |journal=[[Philosophical Magazine]] |volume=31 |issue=6 |pages=1391–401 |bibcode=1975PMag...31.1391W}}</ref>
|
| α-クリストバライトと相互に速やかに変態する<br/>1978 Kで溶融する
|[[File:b-cristobalite.png|100px]]
|-
|[[キータイト]]<br/>{{lang-en-short|[[w:keatite|keatite]]}}
| 正方晶系<br/>tP36, P4<sub>1</sub>2<sub>1</sub>2, No. 92<ref>{{cite journal |doi=10.1524/zkri.1959.112.1-6.409 |title=The crystal structure of keatite, a new form of silica |year=1959 |last1=Shropshire |first1=Joseph |last2=Keat |first2=Paul P. |last3=Vaughan |first3=Philip A. |journal=Zeitschrift für Kristallographie |volume=112 |pages=409–13|bibcode = 1959ZK....112..409S }}</ref>
| 3.011
| Si<sub>5</sub>O<sub>10</sub>, Si<sub>4</sub>O<sub>14</sub>, Si<sub>8</sub>O<sub>16</sub> 環<br/>ガラス状シリカとアルカリから600-900Kおよび40-400MPaで合成
|[[File:keatite.png|100px]]
|-
|[[モガン石]]<br/>{{lang-en-short|[[w:moganite|moganite]]}}
|単斜晶系<br/>mS46, C2/c, No.15<ref>{{cite journal |journal=European Journal of Mineralogy |year=1992 |volume=4 |issue=4 |pages=693–706 |title=Crystal structure of moganite: a new structure type for silica |first1=Gerhard |last1=Miehe |first2=Heribert |last2=Graetsch |doi=10.1127/ejm/4/4/0693}}</ref>
|
| Si<sub>4</sub>O<sub>8</sub>と Si<sub>6</sub>O<sub>12</sub>の環
|[[File:Moganite.png|100px]]
|-
|コーサイト<br/>{{lang-en-short|[[w:coesite|coesite]]}}
| 単斜晶系<br/>mS48, C2/c, No.15<ref>{{cite journal|journal=[[American Mineralogist]] |year=1981|volume=66|pages=324–333|title=High-pressure crystal structure and compressibility of coesite|url=http://www.minsocam.org/ammin/AM66/AM66_324.pdf|author1=Levien L. |author2=Prewitt C. T. }}</ref>
| 2.911
| Si<sub>4</sub>O<sub>8</sub> と Si<sub>8</sub>O<sub>16</sub> 環<br/> 900 K と3–3.5 GPaで合成
|[[File:coesite.png|100px]]
|-
|スティショバイト<br/>{{lang-en-short|[[w:stishovite|stishovite]]}}
| 正方晶系<br/>tP6, P4<sub>2</sub>/mnm, No.136<ref>{{cite journal|journal=[[American Mineralogist]] |year=1995|volume=80|pages=454–456|title=H in rutile-type compounds: II. Crystal chemistry of Al substitution in H-bearing stishovite |author1=Smyth J. R. |author2=Swope R. J. |author3=Pawley A. R. |url=http://rruff.geo.arizona.edu/doclib/am/vol80/AM80_454.pdf}}</ref>
| 4.287
| シリカの多形体のうち最も密度の高いものの一つ<br/> [[ルチル|ルチル型構造]]<br/> 7.5–8.5 GPa
|[[File:stishovite.png|100px]]
|-
|[[ザイフェルト石]]<br/>{{lang-en-short|[[w:Seifertite|Seifertite]]}}
| 斜方晶系<br/>oP, Pbcn<ref>{{cite journal|author1=Dera P. |author2=Prewitt C. T. |author3=Boctor N. Z. |author4=Hemley R. J. |journal=[[American Mineralogist]] |volume=87|year=2002|page=1018|title=Characterization of a high-pressure phase of silica from the Martian meteorite Shergotty|url=http://rruff.geo.arizona.edu/AMS/authors/Boctor%20N%20Z}}</ref>
| 4.294
| シリカの多形体のうち最も密度の高いものの一つ<br/>40 GPaで得られる<ref>[http://www.mindat.org/min-26715.html Seifertite]. Mindat.org.</ref>
|[[File:SeifertiteStructure.png|100px]]
|-
|メラノフログ石<br/>{{lang-en-short|[[w:melanophlogite|melanophlogite]]}}
| 立方晶系<br/> (cP*, P4<sub>2</sub>32, No.208)<ref name=mel>{{cite journal|journal=[[American Mineralogist]]|year=1963|volume=48|pages=854–867|title=Melanophlogite, a cubic polymorph of silica|author1=Skinner B. J. |author2=Appleman D. E. |url=http://www.minsocam.org/ammin/AM48/AM48_854.pdf}}</ref> <br/>または tetragonal (P4<sub>2</sub>/nbc)<ref>{{cite journal |author1=Nakagawa T. |author2=Kihara K. |author3=Harada K. |journal=[[American Mineralogist]] |volume=86|year=2001|page=1506|title=The crystal structure of low melanophlogite|url=http://rruff.geo.arizona.edu/AMS/minerals/Melanophlogite}}</ref>
| 2.04
| Si<sub>5</sub>O<sub>10</sub>, Si<sub>6</sub>O<sub>12</sub> 環<br/> [[クラスレート]]化合物<ref>{{cite book|author=Rosemarie Szostak|year=1998|title=Molecular sieves: Principles of Synthesis and Identification|publisher=Springer|isbn=0-7514-0480-2|url=https://books.google.com/?id=lteintjA2-MC&printsec=frontcover}}</ref><br/>高温相のβ-メラノフログ石がある
|[[File:MelanophlogiteStucture.png|100px]]
|-
| fibrous<br/> W-silica<ref>Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1984). Chemistry of the Elements. Oxford: Pergamon Press. pp. 393–99. ISBN 0-08-022057-6.</ref>
| 斜方晶系<br/>oI12, Ibam, No.72<ref>{{cite journal |doi=10.1002/zaac.19542760110 |title=Über Siliciumchalkogenide. VI. Zur Kenntnis der faserigen Siliciumdioxyd-Modifikation |year=1954 |last1=Weiss |first1=Alarich |last2=Weiss |first2=Armin |journal=Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie |volume=276 |pages=95–112}}</ref>
| 1.97
| [[硫化ケイ素]]の様な鎖
|[[File:SiS2typeSilica.png|100px]]
|-
| {{lang-en-short|[[w:2D silica|2D silica]]}}<ref>{{cite journal|doi=10.1038/srep03482|pmid=24336488|pmc=3863822|title=Defects in bilayer silica and graphene: common trends in diverse hexagonal two-dimensional systems|journal=Scientific Reports|volume=3|pages=3482|year=2013|author1=Björkman|first1=T|last2=Kurasch|first2=S|last3=Lehtinen|first3=O|last4=Kotakoski|first4=J|last5=Yazyev|first5=O. V.|last6=Srivastava|first6=A|last7=Skakalova|first7=V|last8=Smet|first8=J. H.|last9=Kaiser|first9=U|last10=Krasheninnikov|first10=A. V.|bibcode=2013NatSR...3E3482B}}</ref>
| 六方晶系
|
| シート状の2次元構造
|[[File:2D silica structure.png|100px]]
|}
==利用==
[[電球]]の内側に、眩しさを防ぎ光を拡散させる目的で[[塗料]]として塗られる。また、無機[[ガラス]]、[[石英ガラス]]の主成分である。[[タイヤ]]のゴムに、補強充填剤としてシリカが配合される。
また、「無水ケイ酸」などと呼ばれ[[食品添加物]]や[[化粧品]]などに用いられる。これについては[[シリカ#食品添加物としての利用]]および[[シリカ#化粧品・医薬品への添加]]を参照のこと。
78 ⟶ 184行目:
== 関連項目 ==
{{Commonscat|Silicon
* [[シリカ]]
* [[ケイ酸]]
* [[ケイ酸塩]]
* [[アルミノケイ酸塩]]
* [[衝撃石英]]（{{lang-en-short|[[w:Shocked quartz|Shocked quartz]]}}）
;その他
* [[ゾルゲル法]]
* [[メソポーラスシリカ]]
* [[鉱物]] - [[酸化鉱物
* [[沸石]]（ゼオライト）
* [[石綿]]（アスベスト）
* [[富士シリシア化学]]
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