シリコン (Z=14): 地球と現代テクノロジーの重要な要素

シリコンの本質的な役割

ザシリコン(記号 Si、原子番号 14) は、地球の地殻に豊富に存在する化学元素であり、ケイ酸塩などの鉱物の主要成分です。これは、多くの現代技術、特に半導体産業において基本的な役割を果たしています。

技術におけるシリコンの貢献

シリコンは、特にコンピューターチップやトランジスタなどのコンポーネントの製造を可能にするその半導体特性のおかげで、現代のエレクトロニクス産業の中心となっています。

発見の歴史

1824年: Jöns Jacob Berzeliusによる最初の断熱材
ケイ素は、1824 年にスウェーデンの化学者ヨンス ヤコブ ベルゼリウスによって初めて単離されました。彼はケイ酸塩中のケイ素の重要性とその独特の分子構造を最初に認識しました。

1854年：半導体との連携
20 世紀にシリコンの半導体特性が実証され、現代の電子回路での使用につながりました。

原子構造

憲法：シリコン原子には 14 個の陽子、14 個の中性子、14 個の電子があり、電子配置は 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p² です。
同位体:

• シリコン-28 (²⁸Si): 天然シリコンの 92.23% に相当する安定同位体。
• Silicon-29 (²⁹Si): 結晶学の研究で使用される安定同位体。
• シリコン-30 (3⁰Si): 地球化学プロセスの研究に使用される安定同位体。

物理的性質

• 室温で結晶性固体。
• モル質量: 28,085 g/mol
• 融点: 1687 K (1414 °C)
• 沸点: 3538 K (3265 °C)
• 密度: ~2.3296 g/cm3 (20°C で)
• 強酸に可溶ですが、水や他の多くの溶剤に対して耐性があります。

化学反応性

• 酸素と反応して、砂や岩の主成分である二酸化ケイ素 (SiO₂) などの酸化ケイ素を形成します。
• ハロゲンおよび金属と化合物を形成して、ケイ酸塩および合金を生成します。
• 室温では酸や塩基と反応しにくく、安定性に優れています。

産業および技術用途

• トランジスタやコンピューターチップなど、エレクトロニクス産業向けの半導体の製造。
• 半導体特性を利用して、ソーラーパネルの製造に使用されます。
• ガラス、セラミック、耐火物の製造に使用されます。
• 金属合金に使用して耐熱性と耐久性を向上させます。

生物学的および生態学的役割

• ケイ素は、植物の成長、特に植物の細胞壁の形成において不可欠な微量元素です。
• 一部の動物では骨形成に重要な役割を果たしていますが、その正確な役割はまだ研究中です。
• 微細な藻類のグループである珪藻は、ケイ素を使用して、海洋生態系の基本的な側面である二酸化ケイ素の殻を形成します。

環境と産業の問題

• シリコンは比較的豊富にありますが、テクノロジー産業で広く使用されており、その抽出と加工に対する需要が高まっています。
• ソーラーパネルや電子機器の製造から出るシリコン廃棄物は、そのリサイクルと管理に関して環境問題を引き起こします。