シリコン (Si, Z = 14)：私たちの世界を革命的に変えた元素

シリコンの発見の歴史

シリコンは、シリカ（砂、石英）として自然界に遍在していますが、単離されたのは遅くなりました。 1787年、アントワーヌ・ラヴォアジエ（1743-1794）は、シリカが未知の元素の酸化物であると疑いました。 1808年、ハンフリー・デイビー（1778-1829）は、電気分解によってこの元素を単離しようと試みましたが、成功しませんでした。 1823年、スウェーデンの化学者イェンス・ヤコブ・ベルセリウス（1779-1848）が、四フッ化シリコン（SiF₄）をカリウムで還元することで、非晶質シリコンを得ることに成功しました。 彼はこの元素をシリコン（ラテン語のsilex = 小石）と名付けました。 1854年、アンリ・サンクレール・ドビル（1818-1881）が結晶シリコンを生産し、20世紀に革命をもたらす半導体の性質の研究への道を開きました。

構造と基本的な性質

シリコン（記号Si、原子番号14）は、周期表の第14族に属する半金属で、炭素と同じ列に位置します。 その原子は、14個の陽子、14個の電子、および最も豊富な同位体（\(\,^{28}\mathrm{Si}\)）では通常14個の中性子を持っています。 3つの安定同位体が存在します：シリコン-28（\(\,^{28}\mathrm{Si}\)）、シリコン-29（\(\,^{29}\mathrm{Si}\)）、シリコン-30（\(\,^{30}\mathrm{Si}\)）。
室温では、純粋な結晶シリコンは硬く、脆い固体で、金属的な灰青色（密度≈2.33 g/cm³）をしています。 シリコンの融点：1,687 K（1,414 °C）。 沸点：3,538 K（3,265 °C）。 シリコンはダイヤモンド型の結晶構造を持ち、現代エレクトロニクスに不可欠な半導体の性質を示します。 その電気伝導度は温度とともに増加し、金属とは逆の性質を示します。

シリコンの同位体表

ケイ素の電子配置と電子殻

N.B.:
電子殻: 電子が原子核のまわりに配置されるしくみ （新しいウィンドウ）.

ケイ素は14個の電子を持ち、これらは3つの電子殻に分布しています。ケイ素の完全な電子配置は1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p²、 または簡略化すると[Ne] 3s² 3p²です。この配置はK(2) L(8) M(4)とも表記されます。

電子殻の詳細構造

K殻 (n=1): 1s軌道に2個の電子を含みます。この内側の殻は完全で非常に安定しています。
L殻 (n=2): 2s² 2p⁶として8個の電子が分布しています。この殻も完全で、貴ガス（ネオン）の配置を形成します。
M殻 (n=3): 3s² 3p²として4個の電子が分布しています。3s軌道は完全ですが、3p軌道には6個のうち2個の電子しか含まれていません。このため、この外殻を飽和させるためには4個の電子が不足しています。

価電子と酸化状態

外殻（3s² 3p²）の4個の電子はケイ素の価電子です。この配置はケイ素の化学的性質を説明します：
4個の電子を失うことで、ケイ素はSi⁴⁺イオン（酸化状態+4）を形成し、これはケイ素の最も一般的な酸化状態であり、特に二酸化ケイ素SiO₂やケイ酸塩で見られます。
4個の電子を得ることで、ケイ素は理論的にSi⁴⁻イオン（酸化状態-4）を形成しますが、これは非常に稀な状態であり、一部の金属ケイ化物でのみ観察されます。
ケイ素は+2のような中間酸化状態も示すことがありますが、+4がはるかに最も安定で広く見られる状態です。

ケイ素の電子配置は、価電子殻に4個の電子を含み、周期表の第14族（炭素の真下）に位置付けられます。この構造は、ケイ素に特徴的な性質を与えます：4つの共有結合を形成する能力（価電子を共有することによる）、電子工学における必須の半導体特性、および炭素に似た四面体構造を形成する傾向（ただし、Si-Si結合はC-C結合よりも弱い）。ケイ素は主に酸素と極性共有結合を形成し、多様なケイ酸塩を生成します。これらは地殻の大部分を構成します。炭素とは異なり、ケイ素は長い鎖を形成するよりも、酸素と三次元構造を形成することを好みます。その技術的重要性は非常に大きく、超高純度ケイ素は電子およびコンピュータ産業（チップ、プロセッサ、太陽電池パネル）の基本材料です。一方、天然の化合物（石英、砂）はガラス、セメント、陶器の製造に使用されます。ケイ素は酸素に次いで地殻中で2番目に豊富な元素です。

化学的反応性

純粋なシリコンは、室温では表面に形成されるシリコン酸化物（SiO₂）の層のため、比較的反応性が低いです。 高温では、酸素、ハロゲン、一部の金属と反応します。 シリコンはほとんどの酸とは反応しません（フッ化水素酸はシリカを溶かす例外）が、強塩基には溶けてシリカートを形成します。 主に+IVの酸化状態で化合物を形成し、シリカ（SiO₂）、シリカート、シラン（炭化水素のシリコン類似体）、シリコーン（シリコンの有機ポリマー）などがあります。 シリコンはSi-Si、Si-O、Si-C、Si-H結合を形成し、非常に豊かな有機シリコン化学を生み出します。

シリコンの産業および技術的応用

• 電子チップ、マイクロプロセッサ、集積回路の製造；
• 太陽電池やソーラーパネルの製造；
• トランジスタ、ダイオード、その他の半導体コンポーネント；
• LCDやLEDスクリーンの基材；
• 製鉄における脱酸剤や合金（フェロシリコン）の製造；
• ガラスやセラミックスの製造（シリカを主成分とする）；
• シリコーン（医療、化粧品、シーリング材に使用されるポリマー）の製造；
• 建築材料（レンガ、シリカートを含むコンクリート）；
• 通信用の光ファイバー；
• 研磨材および耐火材料である炭化シリコン（SiC）の製造；
• 核物理学における粒子検出器やセンサー；
• 包装用の乾燥剤（シリカゲル）；
• 特定の有機合成のための微細化学；
• 次世代リチウムイオン電池（シリコンアノード）；
• MEMS（微小電気機械システム）やナノテクノロジーの製造；
• 量子コンピューティング用の材料（シリコン量子ビット）；
• 生体適合性のある医療用インプラント；
• シリコーンベースの保護コーティングや塗料の製造。

シリコンとデジタル革命

シリコンは、20世紀と21世紀の電子およびデジタル革命の基本的な要素です。 その精密なドーピング（不純物の制御された添加）能力により、電気伝導度を調整し、トランジスタや集積回路を作成することができます。 「シリコンバレー」の名前は、この材料に由来し、ムーアの法則に従って電子部品の徐々に進む小型化を可能にしました。 現代のマイクロプロセッサは、超高純度シリコン（99.9999999%の純度）に数十億個のトランジスタを刻むことができます。 シリコンは、コンピュータ、スマートフォン、インターネット、そして現代世界を形作るすべての情報技術を可能にしました。

存在量と抽出

シリコンは、地殻中で2番目に豊富な元素（質量比で約27.7%）であり、酸素に次ぎます。 自然界では純粋な状態では見つからず、常に結合した形で存在し、主にシリカ（SiO₂）として砂、石英、ケイ酸塩岩中に存在します。 ケイ酸塩は、地球の岩石を構成する鉱物の大部分（長石、雲母、粘土）を形成します。 金属用シリコンは、電気アーク炉でシリカを炭素で還元することによって生産されます。 エレクトロニクス用には、超高純度シリコンが必要であり、複雑な精製および結晶成長プロセス（Czochralski法）によって得られます。

天体物理学と惑星地質学における役割

シリコンは、大質量星の深部で酸素と炭素の融合によって合成されます。 II型超新星爆発時、シリコンは星間物質中に放出され、次の世代の星や惑星の化学的進化に貢献します。 分光法は、多くの星や星雲にシリコンが存在することを明らかにしています。 太陽系では、シリコンは地球型惑星（水星、金星、地球、火星）や岩石質の小惑星の主要な構成要素です。 地球上では、シリコンはケイ酸塩として地球のマントルの主要な元素であり、プレートテクトニクスや地球力学において重要な役割を果たしています。

注意：
エレクトロニクスに必要な超高純度シリコンは、人類がこれまでに生産した最も純粋な材料の一つです。 電子チップを製造するためには、シリコンは99.9999999%（小数点以下9つの9）の純度に達する必要があり、これは10億個のシリコン原子に対して1個の不純物原子しか含まないことを意味します。 この驚異的な純度レベルは、化学的精製プロセス、特にトリクロロシランの蒸留と、溶融シリコンの浴からゆっくりと完全な結晶を引き上げるCzochralski法によって達成されます。