ケイ素 Si

発見の歴史

シリカ(二酸化ケイ素)は、先史時代から火打ち石の道具として使われ、のちにはガラスや陶器づくりに用いられました。アントワーヌ・ラボアジエは1787年、シリカが未発見の元素の酸化物ではないかと考え、ハンフリー・デービーはこれを分解しようとして失敗しました。

ジョゼフ・ルイ・ゲイ=リュサックとルイ・ジャック・テナールが1811年に不純な非晶質ケイ素をつくっていた可能性もありますが、発見は一般にスウェーデンの化学者 イェンス・ヤコブ・ベルセリウス の功績とされています。彼は 1824年、フルオロケイ酸カリウムをカリウムとともに加熱し、生成物を精製して非晶質ケイ素を得ました。結晶性のケイ素は1854年にアンリ・サント=クレール・ドビーユが初めてつくりました。

ケイ素が現代的な重要性を帯びたのは20世紀半ばからです。大きな単結晶を育てる方法や帯域精製法が開発されたことで、トランジスタの材料はゲルマニウムからケイ素に置き換わり、1960年ごろには最初のシリコン集積回路が登場しました。

名前の由来

名前は火打ち石を意味するラテン語 silex(属格 silicis)に由来します。ベルセリウスは silicium と呼びましたが、スコットランドの化学者トーマス・トムソンが1817年に silicon を提案しました。ホウ素(boron)や炭素(carbon)の語尾「-on」を使い、非金属的な性質を表したのです。元素記号は Si です。ケイ素(シリコン)を、ケイ素・酸素・炭素を含む高分子の一族であるシリコーンと混同しないよう注意しましょう。日本語の「ケイ素」はかつて「珪素」と書かれ、「珪」は石英などの鉱物を表す字です。

主な用途

• 電子工業: チップは純度99.9999999%以上に精製されたシリコンウエハーからつくられます。
• 太陽エネルギー: 太陽光パネルの大部分は結晶シリコンのセルを使っています。
• 合金: フェロシリコンは製鋼で添加され、アルミニウム・ケイ素合金はエンジン部品に鋳造されます。
• 建築とガラス: シリカはガラス、コンクリート、セメント、陶磁器の主原料です。
• シリコーン: ケイ素はシリコーンのシーリング材、潤滑剤、ゴムの出発原料です。

同位体

ケイ素には3つの安定同位体があります。ケイ素28(約92.2%)、ケイ素29(約4.7%)、ケイ素30(約3.1%)です。ケイ素29はガラスや鉱物のNMR研究に使われます。同位体を濃縮したケイ素28のほぼ完全な球が、原子の数を精密に数えてアボガドロ定数を決めるのに使われました。これは2019年のキログラムの再定義を支えた研究の一部です。ケイ素の放射性同位体には広く普及した用途はありません。

身近なところで

砂、石英、花こう岩、粘土はどれもケイ素を多く含み、ケイ素は地殻の質量のおよそ28%を占めています。珪藻や一部の植物は、シリカで骨格や組織をつくります。

採石、石材の切断、サンドブラストなどで細かい結晶質シリカの粉じんを長年吸い込むと、重い肺の病気である じん肺(珪肺) を起こすことがあるため、こうした仕事では粉じん対策が重要です。