構造
環の上の点を示す図ではありません。占有された各副殻の実際の確率密度|ψ|²をモンテカルロ法でサンプリングしたものです。ドラッグして回転できます。青と紫は波動関数の反対の符号を示しており、それによって結合が可能になります。
測定値
各バーは、その性質についてケイ素が118元素の中でどこに位置するかを示しています。
出典：IUPAC 2021標準原子量 · CRC Handbook of Chemistry and Physics · NIST。~が付いた値は、測定値ではなく予測値です。
縮尺どおりの大きさ
Radius 111 pm — that is 0.111 nm, so about 4505 million of them side by side would span a millimetre.
熱範囲
ケイ素 is liquid over a 1851 K window, from 1687 K to 3538 K.
物語
ケイ素は情報化時代を築き、足元の地面の大部分を構成している元素です。酸素に次いで、地殻に最も豊富に存在する元素であり、岩石、砂、ガラスの骨格を形成しています。しかし、ケイ素の真の革命は、科学者たちがケイ素を99.9999999%まで純化する方法を見いだしたときに始まりました。それによって、あらゆるコンピューター、スマートフォン、デジタル機器を動かす半導体チップが生み出されたのです。シリコンバレーは、1秒間に何十億回も電気を通したり絶縁したりできるこの元素にちなんで名付けられました。古代のガラス窓から現代の太陽光パネルまで、コンピューターチップから乳房インプラントまで、ケイ素は数えきれないほど多くの形で私たちの世界を形作っています。あらゆる浜辺の砂粒はほとんどが二酸化ケイ素でできており、スマートフォンを動かすのと同じ元素から城を作っていることになります。
ケイ素の発見の物語は数千年にわたります。ケイ素化合物を知らずに利用していた古代のガラス職人から、純粋な元素を単離した19世紀の化学者まで、その歩みは現代文明を形づくるデジタル時代を可能にしました。
人類はケイ素化合物を知らないまま、9,000年以上にわたって利用してきました。考古学的証拠から、古代文明が原子論を理解するはるか以前に、ケイ酸塩技術を確立していたことがわかります。
紀元前7000年：中国と中東で、ケイ素を多く含む粘土を使った最初の土器が作られる
紀元前3500年：メソポタミアで、ケイ砂とカリを使ったガラス製造が行われる
紀元前1500年：エジプトの職人が二酸化ケイ素を使って精巧なガラス容器を作る
紀元前500年：ローマのコンクリートに、非晶質シリカを多く含む火山灰（ポッツォラーナ）が使われる
ローマ人は、ベスビオ山のケイ素を多く含む火山灰を使い、知らないうちに歴史上でも特に耐久性の高いコンクリートを作りました。西暦126年に建設されたローマのパンテオンが今日も残っているのは、ケイ素で強化されたコンクリート製ドームによるところもあります。
ケイ素の科学的研究は、化学者たちが鉱物や化合物を体系的に調べ始めた啓蒙時代に始まりました。
フランスの化学者Antoine-Laurent de Lavoisierは、シリカ（SiO₂）が未知の元素を含んでいる可能性を初めて指摘しました。Lavoisierは、革命的な著作である1789年の「化学原論」で、未発見の元素を含むと考えた化合物の中にシリカを挙げ、後の単離の試みへの道を開きました。
ヨーロッパ各地の複数の化学者が純粋なケイ素の単離を競い、10年以上にわたる主張の対立と科学的論争につながりました。
イギリスの化学者Sir Humphry Davy（1778-1829）は、発明したばかりの電池を使い、1808年に初めてケイ素の単離を試みました。Davyはシリカを電気分解しましたが、不純な暗色の粉末を得ることに成功しただけでした。成功には至らなかったものの、ラテン語の「silex」（火打ち石）に、「-on」（carbonやboronに似た接尾辞）を加えて「silicon」という名称を作りました。
フランスの化学者Gay-Lussac（1778-1850）とThénard（1777-1857）は、テトラフッ化ケイ素（SiF₄）とカリウムを加熱してケイ素の単離を試みました。彼らはケイ素だと考えた褐色の粉末を得ましたが、後の分析で、それは純粋な元素ではなく、かなりの量のケイ素化合物を含んでいることが明らかになりました。
スウェーデンの化学者Jöns Jacob Berzelius（1779-1848）は、1824年5月15日に、純粋なケイ素の初めて確認された単離を成し遂げました。体系的な手法と綿密な記録により、彼はケイ素の真の発見者として認められました。
Berzeliusは、鉄製のるつぼでテトラフッ化ケイ素（SiF₄）を金属カリウムとともに加熱しました。
SiF₄ + 4K → Si + 4KF
彼の工夫は、生成物を水で洗ってフッ化カリウムを除去し、次に希塩酸で未反応のカリウムを溶かして、純粋なケイ素を残すことでした。Berzeliusは生成物を「金属光沢をもつ褐色の粉末」と表現しました。
歴史的な引用：「褐色がかった塊を得た。顕微鏡で調べると、金属粒子から成るように見えた……この物質は金属状態のケイ素である。」
ケイ素は、19世紀後半に工業用途が登場するまで、研究室内の珍しい物質にとどまっていました。
フランスの化学者Henri Sainte-Claire Deville（1818-1881）は、高温でシリカをアルミニウム粉末によって還元し、ケイ素の製造法を改良しました。この方法によってケイ素をより大規模に製造できるようになり、初の商業用途が可能になりました。
Edward Goodrich Acheson（1856-1931）は、炭化ケイ素（カーボランダム）と、後には純粋なケイ素を製造する電気炉法を開発しました。彼の会社であるThe Carborundum Companyは、研磨材、さらに後には半導体材料を供給する、初の大手ケイ素生産者となりました。
ケイ素が研究室の目新しい物質から文明を決定づける材料へと変化し始めたのは、レーダー技術が発展した第二次世界大戦中でした。
1940年：Bell LabsのRussell Ohlがケイ素における光起電力効果を発見
1947年：Bardeen、Brattain、Shockleyが初のトランジスタ（ゲルマニウム製）を発明
1954年：Bell Labsが初の実用的なケイ素太陽電池（変換効率6%）を開発
1958年：Jack Kilbyがゲルマニウムを使って集積回路を発明し、Robert Noyceがケイ素で改良
1961年：初の商用ケイ素集積回路の生産が開始
1971年：Intelが4004マイクロプロセッサを発表。チップ上に搭載された初のコンピューター
今日、ケイ素は世界規模の通信、人工知能、再生可能エネルギー、宇宙探査を可能にしています。1824年のBerzeliusの小さな褐色粉末から、トランジスタを何十億個も搭載したプロセッサの動力源に至るまで、ケイ素の歩みは化学における最も革新的な発見の一つを表しています。
Berzeliusの功績：ケイ素を単離したスウェーデンの化学者は、自分の褐色の金属粉末が人類文明最大の技術革命の基盤になるとは、想像もできなかったでしょう。すべてのスマートフォン、コンピューター、太陽電池パネルは、1824年のあの日にBerzeliusが初めて純粋なケイ素を手にした瞬間へと、その系譜をたどることができます。
用途
ケイ素の独自の半導体特性は人類の文明に革命をもたらし、デジタル時代と現代技術を可能にしました。スマートフォンから宇宙船まで、ケイ素を基盤とする機器が相互接続された世界を支えています。
ケイ素は半導体製造の中心であり、すべてのコンピューターチップの95%以上を構成しています。元素の結晶構造と制御可能な電気的性質により、トランジスタ、ダイオード、集積回路の製造に最適です。
ケイ素ウエハー：超高純度のケイ素インゴット（純度99.9999999%）を、直径200～300mm、厚さ0.775mmのウエハーに切り分けます。Intelの最新プロセッサは3nmプロセス技術を使用し、1枚のチップに1,000億個を超えるトランジスタを搭載しています。
ドーピング工程：純粋なケイ素にリン（n型）またはホウ素（p型）をごく微量添加して「ドーピング」し、半導体としての性質を生み出します。この工程では1～200keVのエネルギーでイオン注入を行い、電気伝導率を精密に制御します。
フォトリソグラフィ：ケイ素ウエハーは、波長13.5nmの極端紫外線（EUV）を用いたフォトリソグラフィを受けます。1台$200 millionのASML製EUV装置により、現代のプロセッサに必要な微細なパターン形成が可能になります。
ケイ素太陽電池は、光起電力効果によって太陽光を直接電気に変換します。現代のケイ素太陽光パネルは、商業用途で22～26%の変換効率を達成しています。
ケイ素化合物は、ガラス、コンクリート、セラミックスを通じて現代建設の基盤を形成しています。ケイ酸塩は地殻の90%を構成し、不可欠な建築材料です。
現代の車両には、エンジン、安全システム、インフォテインメントを制御するケイ素系半導体が1,000個以上搭載されています。電気自動車では、効率を高めるために炭化ケイ素（SiC）パワーエレクトロニクスを使用しています。
SiC MOSFET：Tesla Model 3は650Vで動作する炭化ケイ素インバーターを使用し、電力効率を5%高め、充電時間を短縮しています。SiCはケイ素の2kHzに対して10kHzでスイッチングするため、より小型で軽量な部品が可能になります。
センサー用途：ケイ素MEMS（微小電気機械システム）は、エアバッグ作動、安定性制御、タイヤ空気圧監視に用いる加速度計、ジャイロスコープ、圧力センサーを作ります。
ケイ素技術により、GPS航法、衛星通信、宇宙探査が可能になります。耐放射線性を備えたケイ素チップは、宇宙の過酷な環境に耐えます。
ケイ素の生体適合性により、医療用インプラント、診断機器、薬物送達システムが可能になります。ケイ素の不活性な性質は、長期の体内埋め込みに適しています。
ケイ素を利用した技術は、数え切れないほど多くの形で私たちの身の回りに存在しています。目に見えないことが多いものの、常に不可欠な役割を果たしています。朝の目覚ましから就寝前のエンターテインメントまで、ケイ素が現代の生活を可能にしています。
1台のiPhone 13のプロセッサに搭載されたトランジスタ数
2025年までに世界中で接続されるデバイス数
半導体用ケイ素に必要な純度
世界の半導体市場の規模（2022年）
一般的なスマートフォンには、Apollo 11を月まで導いたコンピューターよりも高い計算能力が備わっています。その同じスマートフォンには10億個を超えるトランジスタが搭載されています。もし各トランジスタが1人の人間だとしたら、十分な余裕を残して中国を埋め尽くせるほどの人数になります。
由来
282000 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 99% of elements
ケイ素は地殻中で質量比27.7%を占め、酸素に次いで2番目に存在度の高い元素です。この存在度の高さにより、ケイ素は地球の地質を形づくる基本的な構成要素であり、ケイ素を基盤とするあらゆる技術の基礎となっています。
ケイ素は酸素との反応性が高いため、自然界では純粋な金属として存在することはありません。その代わりに、地球の構造を文字どおり形づくる無数の鉱物や化合物を形成しています。
最も一般的なケイ素鉱物で、地殻の12%を占めます。次の場所で見られます。
主な産地：ブラジルの石英鉱山、アーカンソー州の水晶鉱床、ハーキマー「ダイヤモンド」（ニューヨーク州）
地殻中で最も存在度の高い鉱物族（50～60%）で、次の鉱物を含みます。
形成：火成岩中での高温結晶化
長石に富む岩石が風化してできる生成物です。
経済的重要性：陶器、製紙用コーティング、掘削泥水
苦鉄質岩中に含まれる暗色のケイ酸塩鉱物です。
産状：玄武岩、斑れい岩、火山岩
ケイ素の宇宙での旅は、巨大な恒星の中心部で起こる酸素燃焼とケイ素燃焼の過程から始まりました。太陽の少なくとも8倍の質量を持つ恒星は、寿命の終わりに核融合によってケイ素をつくります。
酸素燃焼（1.5～2 billion K）： ¹⁶O + ¹⁶O → ²⁸Si + ⁴He
ケイ素燃焼（3+ billion K）： ²⁸Si + ⁴He → ³²S + γ
超新星爆発の際、これらのケイ素に富む恒星中心部は銀河全体にまき散らされ、やがて私たちの太陽系のような新しい恒星系の一部になります。あなたのスマートフォンに含まれるケイ素は、何十億年も前に、死を迎えつつある恒星の中心で文字どおりつくられたものです。
ケイ素は、次の過程を通じて惑星の形成に重要な役割を果たしました。
46億年前：太陽系星雲の凝縮により、ケイ素に富む塵の粒子が形成されました
45億年前：ケイ酸塩微惑星が集積しました
44億年前：地球の核とマントルの分化により、ケイ素がマントルに集中しました
40億年前：最初の大陸地殻（ケイ素に富む花こう岩）が結晶化しました
38億年前：ケイ素とアルミニウムの骨格を持つ安定したクラトンが形成されました
ケイ素は天然水中に溶解したケイ酸（H₄SiO₄）として存在し、通常の濃度は1～30 mg/Lです。海水には約3 mg/Lの溶解ケイ素が含まれており、珪藻の成長に不可欠です。
シリコンバレーとの関係：有名な技術拠点の名称は、そこで開発されたケイ素半導体に由来します。ただし皮肉なことに、現在のケイ素の大部分はカリフォルニアではなくアジアから供給されています。
取り扱い
純粋なケイ素および多くの化合物は、通常の条件下では健康へのリスクが最小限です。ただし、特定のケイ素化合物や産業プロセスでは、特に結晶質シリカへの曝露について、慎重な安全対策が必要です。
OSHA PEL： 0.05 mg/m³（吸入性結晶質シリカ、8時間TWA）
主なリスク： 珪肺症 ― 結晶質シリカ粉じんの吸入によって生じる進行性で治癒不能な肺疾患
高リスク活動： サンドブラスト、採鉱、採石、コンクリート切断、陶器製造
症状： 息切れ、持続する咳、疲労、胸痛、呼吸不全（進行例）
進行： 単純珪肺症（15～20年） → 進行性塊状線維症 → 死亡
IARC分類： グループ1発がん性物質（職業性の曝露による結晶質シリカ）
がんの種類： 肺がん、腎疾患および自己免疫疾患の可能性
危険因子： 曝露期間と曝露強度、粒子径、表面反応性
予防： 工学的管理、呼吸用保護具、医学的サーベイランス
眼への接触： ケイ素粉じんは機械的刺激や角膜擦過傷を引き起こす可能性があります
皮膚への接触： 通常は刺激性がありませんが、研磨性の粉じんは切り傷や機械的刺激を引き起こす可能性があります
飲み込み： 大量に摂取すると胃腸を刺激する可能性がありますが、全身毒性はありません
ケイ素ウェハーの取り扱い： 鋭い縁で裂傷を負う可能性があるため、適切な取り扱いツールと耐切創手袋を使用してください
化学物質への曝露： ケイ素の加工ではフッ化水素酸を使用するため、専門的な安全プロトコルが必要です
高温作業： ケイ素の融解（1414°C）には、熱防護具と緊急時の手順が必要です
対応： 直ちに15分間、清浄な水で洗い流してください。簡単に外せる場合はコンタクトレンズを外してください。目をこすらないでください。
医療処置： 刺激が続く場合、または粒子が眼に埋め込まれている場合は、直ちに医療機関を受診してください。
直ちに行うこと： 直ちに新鮮な空気の場所へ移してください。粉じんの曝露源から離してください。
医療対応： 呼吸困難が生じた場合は、酸素を投与し、医療機関へ搬送してください。
記録： 医学的評価と労災補償のため、曝露の詳細を記録してください。
軽度の曝露： 石けんと水で洗ってください。汚染された衣服を脱いでください。
裂傷： 出血を止め、傷を洗浄し、滅菌ドレッシング材を当ててください。鋭利なケイ素片は医療的な除去が必要になる場合があります。
対応： 水で口をすすいでください。医療従事者の指示がない限り、吐かせないでください。
大量摂取： 多量に摂取した場合、または症状が現れた場合は、医療機関を受診してください。
• 家庭用電子機器（携帯電話、コンピューター）に含まれるケイ素は、通常の使用中に健康へのリスクをもたらしません
• ケイ素製の調理器具と食品用シリコーンは、食品との接触に安全です
• ソーラーパネルには封入されたケイ素が含まれており、曝露リスクはありません
• ガラス製品（二酸化ケイ素）は日常使用に安全です
簡単な回答
ケイ素 (symbol Si) is element 14 on the periodic table, a 半金属 in period 3, group 14. The element that turned sand into civilisation's substrate: every processor you have ever used is a slab of ultrapure silicon. At room temperature it is a solid.
[Ne] 3s² 3p², giving 3 occupied shells holding 2, 8, 4 electrons respectively. Its outer shell holds 4 electrons, which is what sets its bonding behaviour.ケイ素 melts at 1687 K (1413.9 °C) and boils at 3538 K (3264.9 °C).
The standard atomic weight of ケイ素 is 28.085 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.
ケイ素 has a density of 2.33 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of ケイ素 is about 2.3× heavier.
ケイ素 has a Pauling electronegativity of 1.9. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). Values in this middle band tend to form covalent rather than strongly ionic bonds.
ケイ素 was discovered in 1824 by Jons Jacob Berzelius. It is named after latin silex, "flint".
ケイ素 makes up about 28.2% of the Earth's crust — one of the most abundant elements there is.