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シリコンは金属ですか？
Apr 07,2023
ケイ素は周期表で炭素のすぐ隣に位置する元素です。地球の地殻の4分の1強を占め、原子番号は14、元素記号はSiです。ケイ素は14族元素に属し、最外殻電子が4個の元素です。硬くて脆い結晶性固体で、青灰色の金属光沢を持っています。セラミックスやレンガから半導体、太陽電池、コンピューターチップ、防水システム、さらには一般的な鉄鋼合金であるフェロシリコンの製造まで、様々な一般的な製品に使用されています。しかし、金属光沢があるにもかかわらず、ケイ素は金属でも非金属でもありません。
元素の性質の理解
元素の性質を理解することは、それらの独自の特性、分類、用途、健康、および環境への影響を理解するために重要です。
周期表は、元素を電子配置、化学的性質、原子番号で分類した表です。元素は周期と呼ばれる行と族と呼ばれる列に配置されています。原子の最外殻の粒子の数など、同様の電子配置を持つ元素は、基本的に同じ種類の結合を形成します。元素の中には、他の元素よりも価値のあるものがあり、その電子構成は単純な構成に分解できません。
ケイ素の歴史的分類
ケイ素 は、金属光沢と優れた熱伝導率から、発見当初は金属として分類されていました。しかし、延性や展性など、いくつかの元素を金属たらしめる性質が欠けていることが分かりました。また、特定の条件下でのみ電気を通すことも分かりました。そのため、科学者たちは周期表におけるケイ素の分類を見直す必要に迫られました。しかし、原子番号と電子の配置によって決まる族と周期は変わりませんでした。
ケイ素はどこに位置するのか？
ケイ素は周期表の14族元素です。これは炭素族として知られています。炭素の下の行に位置し、どちらもほぼ同じ電子配置を持っています。実際、両者は様々な性質を共有しているため、しばしば混同されます。しかし、ケイ素は半金属であるのに対し、炭素は非金属です。また、炭素はケイ素よりも反応性が高く、多くの化合物を形成します。
半金属とは何か？
ケイ素、アンチモン、ホウ素など、周期表の一部の元素は、金属と非金属の両方の性質を持っています。これらの元素は半金属として知られています。基本的に金属のように見えますが、非金属の化学的挙動を示します。特定の条件下では金属として、他の条件下では非金属として作用します。例えば、ケイ素は特定の状態では絶縁体ですが、他の状態では導体です。一般的に認められている半金属は6つあり、ケイ素、ヒ素、ホウ素、ポロニウム、テルル、アンチモンです。これらは、周期表で非金属と金属を分けるジグザグ線上に位置しています。
周期表で非金属と金属を分けるジグザグ線上に位置しています。
なぜケイ素は半金属なのか？
ケイ素は中間的な性質を持つため、半金属です。室温ではほとんどの金属と同様に硬く、脆く、光沢がありますが、同じ条件下では電気の良導体ではありません。また、金属のように展性や延性もありません。簡単に壊れます。
ケイ素の半金属的性質
前述のように、ケイ素は中間的な性質を持っており、半金属的な特性を与えています。その半金属的性質には以下のようなものがあります。
光沢のある金属光沢
ケイ素の融点は1410℃（2570℉）、沸点は3265℃（5859℉）です。そのため、室温でも硬くて光沢のある状態を保ちます。通常は青灰色です。脆性ケイ素は非金属のように簡単に壊れます。結晶の規則的で繰り返される原子の配列のために、展性や延性はなく、脆い固体です。
そして、そのパターンは一方向に強度を与えますが、他の方向では弱くなります。引っ張りの応力がかかると簡単に壊れます。しかし、脆性は、集積回路を作る際に役立ちます。製造中にトランジスタが損傷するのを防ぎます。
半導体特性
ケイ素は特定の条件下でのみ電気を通します。これは温度や導入された不純物に依存します。後者はドーピングとして知られており、リンやホウ素などのドナーまたはアクセプター不純物を導入することを含みます。しかし、導電率は加熱によっても増加します。温度を上げると価電子が伝導帯に移動し、元素が電気を通すようになります。
化学反応性
ケイ素は電気陽性の化学的挙動を示します。しかし、室温では比較的不活性であり、加熱されると反応し始め、酸素、ハロゲン、リンと容易に結合します。+2と+4の酸化状態をとることができ、後者が最も一般的であり、ほとんどの化合物中で元素が存在する状態です。
ケイ素のポリマーには以下が含まれます
シラン
シランは基本的にケイ素の水素化物です。空気中で非常に反応性が高く、容易に発火します。強力な還元剤です。
ケイ化物
ケイ化物は、構造においてホウ化物や炭化物に似ています。通常、ケイ素がより電気陽性の元素と結合すると形成されます。生成される化学結合は、導電性の金属のような構造からイオン性または共有結合性まで様々です。一般的なケイ化物には、CoSi2、NiSi2、FeSi2、MoSi2などがあります。
シリカ
シリカは二酸化ケイ素（SiO2）であり、地殻中で最も豊富な化合物であり、地殻の質量の約27％を占めています。石英、ガラス、砂などの形で存在します。これらは通常、結晶質または非晶質です。前述のように、前者は光沢があり灰色がかっており、後者は茶色の粉末です。シリカは、ガラス、シリコンチップ、セメント、セラミックスの製造に広く使用されています。また、ゴムやプラスチックの充填剤としても使用されています。
ハロゲン化物
ハロゲン化物は、ケイ素と炭化ケイ素がハロゲンと反応して四ハロゲン化ケイ素を生成することによって形成されます。四ハロゲン化ケイ素は水中で加水分解して、無色の揮発性の液体を形成します。ケイ素ハロゲン化物の例としては、四フッ化ケイ素（SiF4）、四塩化ケイ素（SiCl4）、四臭化ケイ素（SiBr4）などがあります。これらは、プラスチック、シリコーン、半導体の製造など、様々な産業用途で使用されています。
ケイ酸
ケイ酸は、ケイ素が酸素と水素と反応して形成される水和シリカゲルです。通常は無色の弱酸であり、水に溶けることもあります。ケイ酸は、生物鉱化作用において重要な役割を果たしています。
ケイ素の用途
ケイ素の中間的な性質は、電子機器から建築・建設まで、幅広い用途に役立っています。
電子機器におけるケイ素
ケイ素は、温度を上げたり、ドーピング剤を導入したりすることで、電気を通すようにすることができます。そのため、次のような電子機器の用途に役立ちます。
- コンピューターチップ：シリコンはトランジスタを作るために使用されます。これらは論理ゲートの不可欠な構成要素です。これにより、コンピューターは命令を実行し、データを保存し、計算を実行するなどを行うことができます。製造業者は、コンパクトで、費用対効果が高く、効率的なトランジスタの生産のために、シリコンの半導体特性と豊富さを利用しています。例として集積回路があります。これらは基本的に、多数のトランジスタを備えた半導体です。これらはテレビ、コンピューター、スマートフォンに組み込むことができます。
- 太陽電池：これらのデバイスは、自然エネルギーを電気に変換するのに役立ちます。シリコンを使用することで、効率的で手頃な価格の太陽電池を製造できます。
- シリコンはダイオードを作るために使用されます。ダイオードは、電流を特定の方向に流すことを可能にします。これらのデバイスのいくつかの用途は、電源、増幅器、信号処理コンポーネントです。
- LED：ほとんどの現代の家庭では、いくつかのLEDデバイスを見かける可能性があります。そのメカニズムは、電流が流れると異なる強さで照明することです。LED電子機器の例としては、交通信号、懐中電灯、建物で使用される照明などがあります。
合金形成におけるシリコン
シリコンのもう1つの一般的な用途は、合金生産です。シリコンは、融点を下げ、脆性を改善し、耐食性を向上させ、溶解と切断プロセスを容易にする特性を持っています。いくつかのシリコン合金を以下に示します。
- アルミニウムシリコン合金。これらの合金は、良好な展性、低密度、堅牢性などの有益な特性を持っています。アルミニウムシリコン合金は、押出、鋳造、鍛造などの成形プロセスに適しています。
- 銅シリコン合金。これらの合金は、優れた強度、優れた導電性、耐酸化性により、熱交換器、導電体、屋根材などの用途で人気があります。
- 鉄シリコン合金。他のシリコン合金と同様に、これらも展性があり、堅牢で耐久性があり、ステンレス鋼、鋼、鋳鉄を用いたプロセス用途に使用できます。
レンガとセラミックスにおけるシリコン
シリコンポリマーであるシリカは、セラミックスやレンガの製造業者に人気があります。シリカは溶けることなく高温に耐えることができるため、レンガやセラミックスはより耐久性があり、強く、滑らかになり、耐薬品性と耐熱性が向上します。例としては、シリカレンガ、耐火レンガ、釉薬レンガ、磁器などがあります。
ガラス製造におけるシリコン
シリコンはガラス製造にも役立ちます。通常、科学者は砂を溶かしてシリコンを得て、ガラスを作ります。シリコンは熱膨張率が低いため、得られたガラスは温度変化によって形状、体積、密度、面積が変化しません。
シリコンは有害ですか？
シリコンは、元素の状態では一般的に安全です。しかし、大量の二酸化ケイ素を吸入すると、肺に害を及ぼす可能性があります。液体のシリコンも、体内に注入すると危険です。アレルギー反応にも注意してください。アレルギーの既往歴がある場合は、シリコン材料を使用する前に医師に相談してください。
結論
電子機器産業と建設産業では、シリコンとその合金に対する需要が急増しています。シリコンは金属的性質と非金属的性質の両方を持つため、これらおよびその他の用途で役立ちます。Oushi Metalは、世界有数のシリコンおよびシリコン製品の製造業者およびサプライヤーの1つです。
当社は低環境負荷のプロセスを使用してシリコンを生産しており、可能な限り純粋な形で提供いたします。詳細およびプロジェクトに最適なシリコン製品の選択について、お気軽にお問い合わせください。
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