ケイ素、硅素、珪素、(多くはシリコン樹脂の意味=silicone)シリコン
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外見 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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暗灰色
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一般特性 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
名称, 記号, 番号 | ケイ素, Si, 14 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
分類 | 半金属 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
族, 周期, ブロック | 14, 3, p | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
原子量 | 28.0855(3) g·mol-1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
電子配置 | [Ne] 3s2 3p2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
電子殻 | 2, 8, 4(画像) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
物理特性 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
相 | 固体 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
密度(室温付近) | 2.3290 g·cm-3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
融点での液体密度 | 2.57 g·cm-3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
融点 | 1687 K, 1414 °C, 2577 °F | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
沸点 | 2628 K, 2355[1] °C, 4271 °F | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
融解熱 | 50.21 kJ·mol-1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
蒸発熱 | 359 kJ·mol-1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
熱容量 | (25 °C) 19.789 J·mol-1·K-1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
蒸気圧 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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原子特性 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
酸化数 | 4, 3 , 2 , 1[2] -1, -2, -3, -4 (両性酸化物) |
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電気陰性度 | 1.90(ポーリングの値) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
イオン化エネルギー (詳細) |
第1: 786.5 kJ·mol-1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
第2: 1577.1 kJ·mol-1 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
第3: 3231.6 kJ·mol-1 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
原子半径 | 111 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
共有結合半径 | 111 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
ファンデルワールス半径 | 210 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
その他 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
結晶構造 | 立方晶系 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
磁性 | 反磁性[3] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
電気抵抗率 | (20 °C) 103 [4]Ω·m | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
熱伝導率 | (300 K) 149 W·m-1·K-1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
熱膨張率 | (25 °C) 2.6 µm·m-1·K-1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
音の伝わる速さ (微細ロッド) |
(20 °C) 8433 m/s | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
ヤング率 | 185[4] GPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
剛性率 | 52[4] GPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
体積弾性率 | 100 GPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
ポアソン比 | 0.28[4] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
モース硬度 | 7 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
CAS登録番号 | 7440-21-3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
バンドギャップ energy at 300 K | 1.12 eV | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
最安定同位体 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
詳細はケイ素の同位体を参照 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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ケイ素(ケイそ、珪素、硅素、英: silicon、羅: silicium)は、原子番号14の元素である。元素記号は Si。「珪素」「硅素」「シリコン」とも表記・呼称される。地球の主要な構成元素のひとつ。半導体部品は非常に重要な用途である。
常温・常圧で安定な結晶構造は、ダイヤモンド構造。比重は2.33、融点1410 °C (1420 °C)、沸点は2600 °C(他に2355 °C、3280 °Cという実験値あり)。ダイヤモンド構造のケイ素は、1.12 eVのバンドギャップ(実験値)をもつ半導体である。これは非金属であるが、圧力(静水圧)を加えるとβスズ構造に構造相転移する。このβスズ構造のケイ素は金属である。周期表においてすぐ上の元素は炭素だが、その常温常圧での安定相であるグラファイト構造は、ケイ素においては安定な構造として存在できない。
1787年にアントワーヌ・ラヴォワジエがはじめて元素として記載し、ラテン語で「燧石」を意味する "silex"・"silicis" にちなみ "silicon" と命名。だがラヴォワジエは燧石そのものを元素だと思っており、1800年になってハンフリー・デービーにより化合物と判明したことからこれは否定された。1823年にイェンス・ベルセリウスが四フッ化ケイ素とカリウムを加熱して単離に成功した。しかし、それ以前の1811年、ジョセフ・ルイ・ゲイ=リュサックとルイ・テナールが同様の方法でアモルファスシリコンの分離に成功したと考えられている。
地殻中に大量に存在するため鉱物の構成要素として重要であり、ケイ酸塩鉱物として大きなグループを形成している。これには Si-O-Si 結合の多様性を反映したさまざまな鉱物が含まれている。しかしながら生物とのかかわりは薄く、知られているのは、放散虫・珪藻・シダ植物・イネ科植物などにおいて二酸化ケイ素のかたちでの骨格への利用に留まる。栄養素としての必要性はあまり判っていない。炭素とケイ素との化学的な類似から、SF などではケイ素を主要な構成物質とするケイ素生物が想定される事がある。
バンドギャップが常温付近で利用するために適当な大きさであること、ホウ素やリンなどの不純物を微量添加させることにより、p型半導体、n型半導体のいずれにもなることなどから、電子工学上重要な元素である。半導体部品として利用するためには高純度である必要があり、このため精製技術が盛んに研究されてきた。現在、ケイ素は99.9999999999999 % (15N[5]) まで純度を高められる。また、Si(111) 基板はAFMやSTMの標準試料としてよく用いられる。
ケイ素は赤外域(波長2-6 μm)で高い透過率があり、レンズや窓の素材に用いられる。波長4 μmの屈折率は3.4255[6]。
最も重要な用途としては、四塩化ケイ素やトリクロロシランなどから作られる高純度ケイ素が半導体作成に用いられることが挙げられる。また、液晶ディスプレイの TFT や太陽電池にはアモルファスシリコンや多結晶シリコンなどが用いられる。ヒ化ガリウムや窒化ガリウムなどの化合物半導体の基板にシリコンを用いれば大幅な低価格化が可能であり、様々な研究が進められている。
電気炉における製鉄材料として鉄1トンあたり4 kg前後のケイ素が添加されるほか、ケイ素合金として製鉄の脱酸素剤に用いられる。そのほかに、ケイ素を混ぜた鋼板(ケイ素鋼板)は、うず電流による損失が少なくなるため、変圧器に使われている。アルミニウム工業の分野でもケイ素の合金が使われている。また、鉛レス黄銅にも添加される。
ケイ素の酸化物(シリカ)を原料とするガラスは、窓その他で使われるほか、繊維状にしたグラスウールは断熱材や吸音材としても用途がある。ゼオライトは、イオン交換体、吸着剤あるいは、有機化学工業における触媒ともなっている。シリカゲルとしては、非常に利用しやすい乾燥剤になる。
炭化ケイ素は、耐火材や抵抗体として使われたり、高いモース硬度 (9.5) を持つために、研磨剤として使われる。その他のケイ素化合物として、アルミノケイ酸塩が粘土に含まれ、陶器やセメント・煉瓦などセラミックスと呼ばれる材料の主成分になっているほか、カルシウム化合物を除去する働きから、水の精製に使われるなどしている。
ケイ酸塩は、さまざまな形で地殻上に存在しており、天然に存在するケイ素化合物のほとんどすべてが二酸化ケイ素およびケイ酸塩である。工業的にも広く用いられ、ガラス、陶磁器など、枚挙に暇がない。アスベストは、繊維状のケイ酸塩鉱物であり、その耐薬品性や耐火性から以前は建材などに広く用いられたが、人体への悪影響が問題になったため、使用量は激減している。日本ではアスベストによる健康被害が社会問題となり、労災認定や健康被害を受けた国民に対しての補償問題、また、依然として多く残るアスベストの撤去に対しての問題を抱える。
有機基を有するケイ素二次元および三次元酸化物はシリコーンと呼ばれる。このものは、優れた耐熱性、耐薬品性、低い毒性などの有用な性質を示し、油状のものはワックス、熱媒体、消泡剤などに用いられる。三次元シリコーンはゴム弾性を示し、ゴム状のものはホースやチューブ、樹脂状のものは塗料や絶縁材、接着剤など各種の用途に利用される。
工業用ケイ素の主原料は SiO2 から成る二酸化ケイ素(珪石、珪砂、シリカとも)である。日本国内の埋蔵量は2億トンあるとされるが、アルミニウムと同様、酸化物から還元するには大量の電力を必要とするため、金属シリコンの状態になってから輸入するのが一般的である。電力の安い国が金属シリコンの供給源となるため、これまで中国、ブラジル、ロシア、南アフリカ、ノルウェーなどが主要な供給国であったが、近年はオーストラリア、マレーシア、ベトナムなども注目されているという[要出典]。
世界の二酸化ケイ素の埋蔵量は極めて潤沢であり、高純度のものも世界に広く分布する[7]。二酸化ケイ素#埋蔵量を参照。
詳細は「ケイ素の同位体」を参照
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ウィキメディア・コモンズには、ケイ素に関連するメディアがあります。 |
ウィクショナリーにケイ素の項目があります。 |
表・話・編・歴
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1 | H | He | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
2 | Li | Be | B | C | N | O | F | Ne | |||||||||||||||||||||||||||||||||||
3 | Na | Mg | Al | Si | P | S | Cl | Ar | |||||||||||||||||||||||||||||||||||
4 | K | Ca | Sc | Ti | V | Cr | Mn | Fe | Co | Ni | Cu | Zn | Ga | Ge | As | Se | Br | Kr | |||||||||||||||||||||||||
5 | Rb | Sr | Y | Zr | Nb | Mo | Tc | Ru | Rh | Pd | Ag | Cd | In | Sn | Sb | Te | I | Xe | |||||||||||||||||||||||||
6 | Cs | Ba | La | Ce | Pr | Nd | Pm | Sm | Eu | Gd | Tb | Dy | Ho | Er | Tm | Yb | Lu | Hf | Ta | W | Re | Os | Ir | Pt | Au | Hg | Tl | Pb | Bi | Po | At | Rn | |||||||||||
7 | Fr | Ra | Ac | Th | Pa | U | Np | Pu | Am | Cm | Bk | Cf | Es | Fm | Md | No | Lr | Rf | Db | Sg | Bh | Hs | Mt | Ds | Rg | Cn | Uut | Fl | Uup | Lv | Uus | Uuo | |||||||||||
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Silicon | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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14Si | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Silicon in the periodic table | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Appearance | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
crystalline, reflective with bluish-tinged faces
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General properties | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Name, symbol, number | silicon, Si, 14 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Pronunciation | /ˈsɪlɨkən/ SIL-ə-kən or /ˈsɪlɨkɒn/ SIL-ə-kon | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Element category | metalloid | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Group, period, block | 14, 3, p | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Standard atomic weight | 28.085(1) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Electron configuration | [Ne] 3s2 3p2 2, 8, 4 |
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Physical properties | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Phase | solid | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Density (near r.t.) | 2.3290 g·cm−3 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Liquid density at m.p. | 2.57 g·cm−3 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Melting point | 1687 K, 1414 °C, 2577 °F | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Boiling point | 3538 K, 3265 °C, 5909 °F | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Heat of fusion | 50.21 kJ·mol−1 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Heat of vaporization | 383 kJ·mol−1 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Molar heat capacity | 19.789 J·mol−1·K−1 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Vapor pressure | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Atomic properties | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Oxidation states | 4, 3, 2, 1[1] -1, -2, -3, -4 (amphoteric oxide) |
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Electronegativity | 1.90 (Pauling scale) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Ionization energies (more) |
1st: 786.5 kJ·mol−1 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
2nd: 1577.1 kJ·mol−1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
3rd: 3231.6 kJ·mol−1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Atomic radius | 111 pm | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Covalent radius | 111 pm | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Van der Waals radius | 210 pm | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Miscellanea | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Crystal structure | diamond cubic | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Magnetic ordering | diamagnetic[2] | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Electrical resistivity | (20 °C) 103[3]Ω·m | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Thermal conductivity | 149 W·m−1·K−1 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Thermal expansion | (25 °C) 2.6 µm·m−1·K−1 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Speed of sound (thin rod) | (20 °C) 8433 m·s−1 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Young's modulus | 130-188[4] GPa | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Shear modulus | 51-80[4] GPa | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Bulk modulus | 97.6[4] GPa | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Poisson ratio | 0.064 - 0.28[4] | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Mohs hardness | 7 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
CAS registry number | 7440-21-3 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Band gap energy at 300 K | 1.12 eV | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
History | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Prediction | Antoine Lavoisier (1787) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Discovery | Jöns Jacob Berzelius[5][6] (1823) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
First isolation | Jöns Jacob Berzelius (1823) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Named by | Thomas Thomson (1817) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Most stable isotopes | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Main article: Isotopes of silicon | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Silicon is a chemical element with the symbol Si and atomic number 14. It is a tetravalent metalloid, less reactive than its chemical analog carbon, the nonmetal directly above it in the periodic table, but more reactive than germanium, the metalloid directly below it in the table. Controversy about silicon's character dates to its discovery; it was first prepared and characterized in pure form in 1823. In 1808, it was given the name silicium (from Latin: silex, hard stone or flint), with an -ium word-ending to suggest a metal, a name which the element retains in several non-English languages. However, its final English name, first suggested in 1817, reflects the more physically similar elements carbon and boron.
Silicon is the eighth most common element in the universe by mass, but very rarely occurs as the pure free element in nature. It is most widely distributed in dusts, sands, planetoids, and planets as various forms of silicon dioxide (silica) or silicates. Over 90% of the Earth's crust is composed of silicate minerals, making silicon the second most abundant element in the Earth's crust (about 28% by mass) after oxygen.[7]
Most silicon is used commercially without being separated, and indeed often with little processing of compounds from nature. These include direct industrial building-use of clays, silica sand and stone. Silica is used in ceramic brick. Silicate goes into Portland cement for mortar and stucco, and when combined with silica sand and gravel, to make concrete. Silicates are also in whiteware ceramics such as porcelain, and in traditional quartz-based soda-lime glass. More modern silicon compounds such as silicon carbide form abrasives and high-strength ceramics. Silicon is the basis of the ubiquitous synthetic silicon-based polymers called silicones.
Elemental silicon also has a large impact on the modern world economy. Although most free silicon is used in the steel refining, aluminium-casting, and fine chemical industries (often to make fumed silica), the relatively small portion of very highly purified silicon that is used in semiconductor electronics (< 10%) is perhaps even more critical. Because of wide use of silicon in integrated circuits, the basis of most computers, a great deal of modern technology depends on it.
Silicon is an essential element in biology, although only tiny traces of it appear to be required by animals.[8] However, various sea sponges as well as microorganisms like diatoms and radiolaria secrete skeletal structures made of silica. Silica is often deposited in plant tissues, such as in the bark and wood of Chrysobalanaceae and the silica cells and silicified trichomes of Cannabis sativa, horsetails and many grasses.[9]
Silicon is a solid at room temperature, with relatively high melting and boiling points of 1414 and 3265 °C, respectively. It has a greater density in a liquid state than a solid state. It does not contract when it freezes like most substances, but expands, similar to how ice is less dense than water. With a relatively high thermal conductivity of 149 W·m−1·K−1, silicon conducts heat well and as a result is not often used to insulate hot objects.
In its crystalline form, pure silicon has a gray color and a metallic luster. Like germanium, silicon is rather strong, very brittle, and prone to chipping. Silicon, like carbon and germanium, crystallizes in a diamond cubic crystal structure, with a lattice spacing of 0.5430710 nm (5.430710 Å).[10]
The outer electron orbital of silicon, like that of carbon, has four valence electrons. The 1s, 2s, 2p and 3s subshells are completely filled while the 3p subshell contains two electrons out of a possible six.
Silicon is a semiconductor. It has a negative temperature coefficient of resistance, since the number of free charge carriers increases with temperature. The electrical resistance of single crystal silicon significantly changes under the application of mechanical stress due to the piezoresistive effect.[11]
Silicon is a metalloid, readily either donating or sharing its four outer electrons, allowing for many forms of chemical bonding. Like carbon, it typically forms four bonds. Unlike carbon, it can accept additional electrons and form five or six bonds in a sometimes more labile silicate form. Tetra-valent silicon is relatively inert, but still reacts with halogens and dilute alkalis, but most acids (except for some hyper-reactive combinations of nitric acid and hydrofluoric acid) have no known effect on it. However, having four bonding electrons gives it, like carbon, many opportunities to combine with other elements or compounds in the right circumstances.
Naturally occurring silicon is composed of three stable isotopes, silicon-28, silicon-29, and silicon-30, with silicon-28 being the most abundant (92% natural abundance).[12] Out of these, only silicon-29 is of use in NMR and EPR spectroscopy.[13] Twenty radioisotopes have been characterized, with the most stable being silicon-32 with a half-life of 170 years, and silicon-31 with a half-life of 157.3 minutes.[12] All of the remaining radioactive isotopes have half-lives that are less than seven seconds, and the majority of these have half-lives that are less than one tenth of a second.[12] Silicon does not have any known nuclear isomers.[12]
The isotopes of silicon range in mass number from 22 to 44.[12] The most common decay mode of six isotopes with mass numbers lower than the most abundant stable isotope, silicon-28, is β+, primarily forming aluminium isotopes (13 protons) as decay products.[12] The most common decay mode(s) for 16 isotopes with mass numbers higher than silicon-28 is β−, primarily forming phosphorus isotopes (15 protons) as decay products.[12]
Measured by mass, silicon makes up 27.7% of the Earth's crust and is the second most abundant element in the crust, with only oxygen having a greater abundance.[14] Silicon is usually found in the form of complex silicate minerals, and less often as silicon dioxide (silica, a major component of common sand). Pure silicon crystals are very rarely found in nature.
The silicate minerals—various minerals containing silicon, oxygen and reactive metals—account for 90% of the mass of the Earth's crust. This is due to the fact that at the high temperatures characteristic of the formation of the inner solar system, silicon and oxygen have a great affinity for each other, forming networks of silicon and oxygen in chemical compounds of very low volatility. Since oxygen and silicon were the most common non-gaseous and non-metallic elements in the debris from supernova dust which formed the protoplanetary disk in the formation and evolution of the Solar System, they formed many complex silicates which accreted into larger rocky planetesimals that formed the terrestrial planets. Here, the reduced silicate mineral matrix entrapped the metals reactive enough to be oxidized (aluminium, calcium, sodium, potassium and magnesium). After loss of volatile gases, as well as carbon and sulfur via reaction with hydrogen, this silicate mixture of elements formed most of the Earth's crust. These silicates were of relatively low density with respect to iron, nickel, and other metals non-reactive to oxygen and thus a residuum of uncombined iron and nickel sank to the planet's core, leaving a thick mantle consisting mostly of magnesium and iron silicates. These are thought to be mostly silicate perovskites, followed in abundance by the magnesium/iron oxide ferropericlase.[15]
Examples of silicate minerals in the crust include those in the pyroxene, amphibole, mica, and feldspar groups. These minerals occur in clay and various types of rock such as granite and sandstone.
Silica occurs in minerals consisting of very pure silicon dioxide in different crystalline forms, quartz, agate amethyst, rock crystal, chalcedony, flint, jasper, and opal. The crystals have the empirical formula of silicon dioxide, but do not consist of separate silicon dioxide molecules in the manner of solid carbon dioxide. Rather, silica is structurally a network-solid consisting of silicon and oxygen in three-dimensional crystals, like diamond. Less pure silica forms the natural glass obsidian. Biogenic silica occurs in the structure of diatoms, radiolaria and siliceous sponges.
Silicon is also a principal component of many meteorites, and is a component of tektites, a silicate mineral of possibly lunar origin, or (if Earth-derived) which has been subjected to unusual temperatures and pressures, possibly from meteorite strike.
Ferrosilicon, an iron-silicon alloy that contains varying ratios of elemental silicon and iron, accounts for about 80% of the world's production of elemental silicon, with China, the leading supplier of elemental silicon, providing 4.6 million tonnes (or 2/3 of the world output) of silicon, most of which is in the form of ferrosilicon. It is followed by Russia (610,000 t), Norway (330,000 t), Brazil (240,000 t) and the United States (170,000 t).[16] Ferrosilicon is primarily used by the steel industry (see below).
Aluminium-silicon alloys (called silumin alloys) are heavily used in the aluminium alloy casting industry, where silicon is the single most important additive to aluminium to improve its casting properties. Since cast aluminium is widely used in the automobile industry, this use of silicon is thus the single largest industrial use (about 55% of the total) of "metallurgical grade" pure silicon (as this purified silicon is added to pure aluminium, whereas ferrosilicon is never purified before being added to steel).[17]
Elemental silicon not alloyed with significant quantities of other elements, and usually > 95%, is often referred to loosely as silicon metal. It makes up about 20% of the world total elemental silicon production, with less than 1 to 2% of total elemental silicon (5–10% of metallurgical grade silicon) ever purified to higher grades for use in electronics. Metallurgical grade silicon is commercially prepared by the reaction of high-purity silica with wood, charcoal, and coal in an electric arc furnace using carbon electrodes. At temperatures over 1,900 °C (3,450 °F), the carbon in the aforementioned materials and the silicon undergo the chemical reaction SiO2 + 2 C → Si + 2 CO. Liquid silicon collects in the bottom of the furnace, which is then drained and cooled. The silicon produced in this manner is called metallurgical grade silicon and is at least 98% pure. Using this method, silicon carbide (SiC) may also form from an excess of carbon in one or both of the following ways: SiO2 + C → SiO + CO or SiO + 2 C → SiC + CO. However, provided the concentration of SiO2 is kept high, the silicon carbide can be eliminated by the chemical reaction 2 SiC + SiO2 → 3 Si + 2 CO.
As noted above, metallurgical grade silicon "metal" has its primary use in the aluminium casting industry to make aluminium-silicon alloy parts. The remainder (about 45%) is used by the chemical industry, where it is primarily employed to make fumed silica, with the rest used in production of other fine chemicals such as silanes and some types of silicones.[18]
As of September 2008, metallurgical grade silicon costs about US$1.45 per pound ($3.20/kg),[19] up from $0.77 per pound ($1.70/kg) in 2005.[20]
The use of silicon in semiconductor devices demands a much greater purity than afforded by metallurgical grade silicon. Very pure silicon (>99.9%) can be extracted directly from solid silica or other silicon compounds by molten salt electrolysis.[21][22] This method, known as early as 1854[23] (see also FFC Cambridge process), has the potential to directly produce solar-grade silicon without any carbon dioxide emission at much lower energy consumption.
Solar grade silicon cannot be used for semiconductors, where purity must be extreme to properly control the process. Bulk silicon wafers used at the beginning of the integrated circuit making process must first be refined to a purity of 99.9999999% often referred to as "9N" for "9 nines", a process which requires repeated applications of refining technology.
The majority of silicon crystals grown for device production are produced by the Czochralski process, (CZ-Si) It was the cheapest method available. However, single crystals grown by the Czochralski process contain impurities because the crucible containing the melt often dissolves. Historically, a number of methods have been used to produce ultra-high-purity silicon.
Early silicon purification techniques were based on the fact that if silicon is melted and re-solidified, the last parts of the mass to solidify contain most of the impurities. The earliest method of silicon purification, first described in 1919 and used on a limited basis to make radar components during World War II, involved crushing metallurgical grade silicon and then partially dissolving the silicon powder in an acid. When crushed, the silicon cracked so that the weaker impurity-rich regions were on the outside of the resulting grains of silicon. As a result, the impurity-rich silicon was the first to be dissolved when treated with acid, leaving behind a more pure product.
In zone melting, also called zone refining, the first silicon purification method to be widely used industrially, rods of metallurgical grade silicon are heated to melt at one end. Then, the heater is slowly moved down the length of the rod, keeping a small length of the rod molten as the silicon cools and re-solidifies behind it. Since most impurities tend to remain in the molten region rather than re-solidify, when the process is complete, most of the impurities in the rod will have been moved into the end that was the last to be melted. This end is then cut off and discarded, and the process repeated if a still higher purity is desired.[24]
At one time, DuPont produced ultra-pure silicon by reacting silicon tetrachloride with high-purity zinc vapors at 950 °C, producing silicon by SiCl4 + 2 Zn → Si + 2 ZnCl2. However, this technique was plagued with practical problems (such as the zinc chloride byproduct solidifying and clogging lines) and was eventually abandoned in favor of the Siemens process. In the Siemens process, high-purity silicon rods are exposed to trichlorosilane at 1150 °C. The trichlorosilane gas decomposes and deposits additional silicon onto the rods, enlarging them because 2 HSiCl3 → Si + 2 HCl + SiCl4. Silicon produced from this and similar processes is called polycrystalline silicon. Polycrystalline silicon typically has impurity levels of less than one part per billion.[25][26][27]
In 2006 REC announced construction of a plant based on fluidized bed (FB) technology using silane: 3 SiCl4 + Si + 2 H2 → 4 HSiCl3, 4 HSiCl3 → 3 SiCl4 + SiH4, SiH4 → Si + 2 H2.[28] The advantage of fluid bed technology is that processes can be run continuously, yielding higher yields than Siemens Process, which is a batch process.
Today, silicon is purified by converting it to a silicon compound that can be more easily purified by distillation than in its original state, and then converting that silicon compound back into pure silicon. Trichlorosilane is the silicon compound most commonly used as the intermediate, although silicon tetrachloride and silane are also used. When these gases are blown over silicon at high temperature, they decompose to high-purity silicon.
In addition, there is the Schumacher process, which utilizes tribromosilane in place of trichlorosilane and fluid bed technology. It requires lower deposition temperatures, lower capital costs to build facilities and operate, no hazardous polymers nor explosive material, and produces no amorphous silicon dust waste, all of which are drawbacks of the Siemens process.[29] However, there are yet to be any major factories built using this process.
Attention was first drawn to silica as the possible oxide of a fundamental chemical element by Antoine Lavoisier, in 1787.[45] After an attempt to isolate silicon in 1808, Sir Humphry Davy proposed the name "silicium" for silicon, from the Latin silex, silicis for flint, flints, and adding the "-ium" ending because he believed it was a metal.[46] In 1811, Gay-Lussac and Thénard are thought to have prepared impure amorphous silicon, through the heating of recently isolated potassium metal with silicon tetrafluoride, but they did not purify and characterize the product, nor identify it as a new element.[47] Silicon was given its present name in 1817 by Scottish chemist Thomas Thomson. He retained part of Davy's name but added "-on" because he believed that silicon was a nonmetal similar to boron and carbon.[48] In 1823, Berzelius prepared amorphous silicon using approximately the same method as Gay-Lussac (potassium metal and potassium fluorosilicate), but purifying the product to a brown powder by repeatedly washing it.[49] As a result he is usually given credit for the element's discovery.[50][51]
Silicon in its more common crystalline form was not prepared until 31 years later, by Deville.[52][53] By electrolyzing impure sodium-aluminium chloride containing approximately 10% silicon, he was able to obtain a slightly impure allotrope of silicon in 1854.[54] Later, more cost-effective methods have been developed to isolate silicon in several allotrope forms, the most recent being silicene.
Because silicon is an important element in semiconductors and high-technology devices, many places in the world bear its name. For example, Silicon Valley in California, bears the element's name since it is the base for a number of computer technology-related industries. Other geographic locations with connections to the industry have since been named after silicon as well. Examples include Silicon Forest in Oregon, Silicon Hills in Austin, Texas, Silicon Saxony in Germany, Silicon Valley in India, Silicon Border in Mexicali, Mexico, Silicon Fen in Cambridge, England, Silicon Roundabout in London, Silicon Glen in Scotland, and Silicon Gorge in Bristol, England.
Most silicon is used industrially without being separated into the element, and indeed often with comparatively little processing from natural occurrence. Over 90% of the Earth's crust is composed of silicate minerals, which are compounds of silicon and oxygen, often with metallic ions when charged silicate anions require cations to balance charge. Many of these have direct commercial uses, such as clays, silica sand and most kinds of building stone. Thus, the vast majority of uses for silicon are as structural compounds, either as the silicate minerals or silica (crude silicon dioxide). For example, silica is an important part of ceramic brick. Silicates are used in making Portland cement which is used in building mortar and stucco, but more importantly combined with silica sand, and gravel (usually containing silicate minerals like granite), to make the concrete that is the basis of most of the very largest industrial building projects of the modern world. [55]
Silicate minerals are also in whiteware ceramics, an important class of products usually containing various types of fired clay (natural aluminium silicate). An example is porcelain which is based on silicate mineral kaolinite. Ceramics include art objects, and domestic, industrial and building products. Traditional quartz-based soda-lime glass also functions in many of the same roles.
Very occasional elemental silicon is found in nature, and also naturally-occurring compounds of silicon and carbon (silicon carbide) or nitrogen (silicon nitride) are found in stardust samples or meteorites in presolar grains, but the oxidizing conditions of the inner planets of the solar system make planetary silicon compounds found there mostly silicates and silica. Free silicon, or compounds of silicon in which the element is covalently attached to hydrogen, boron, or elements other than oxygen, are mostly artificially produced. They are described below.
Silicon compounds of more modern origin function as high-technology abrasives and new high-strength ceramics based upon silicon carbide. Silicon is a component of some superalloys.
Alternating silicon-oxygen chains with hydrogen attached to the remaining silicon bonds form the ubiquitous silicon-based polymeric materials known as silicones. These compounds containing silicon-oxygen and occasionally silicon-carbon bonds have the capability to act as bonding intermediates between glass and organic compounds, and to form polymers with useful properties such as impermeability to water, flexibility and resistance to chemical attack. Silicones are often used in waterproofing treatments, molding compounds, mold-release agents, mechanical seals, high temperature greases and waxes, and caulking compounds. Silicone is also sometimes used in breast implants, contact lenses, explosives and pyrotechnics.[56] Silly Putty was originally made by adding boric acid to silicone oil.[57]
Elemental silicon is added to molten cast iron as ferrosilicon or silicocalcium alloys to improve performance in casting thin sections and to prevent the formation of cementite where exposed to outside air. The presence of elemental silicon in molten iron acts as a sink for oxygen, so that the steel carbon content, which must be kept within narrow limits for each type of steel, can be more closely controlled. Ferrosilicon production and use is a monitor of the steel industry, and although this form of elemental silicon is grossly impure, it accounts for 80% of the world's use of free silicon. Silicon is an important constituent of electrical steel, modifying its resistivity and ferromagnetic properties.
The properties of silicon can be used to modify alloys with metals other than iron. "Metallurgical grade" silicon is silicon of 95–99% purity. About 55% of the world consumption of metallurgical purity silicon goes for production of aluminium-silicon alloys (silumin alloys) for aluminium part casts, mainly for use in the automotive industry. Silicon's importance in aluminium casting is that a significantly high amount (12%) of silicon in aluminium forms a eutectic mixture which solidifies with very little thermal contraction. This greatly reduces tearing and cracks formed from stress as casting alloys cool to solidity. Silicon also significantly improves the hardness and thus wear-resistance of aluminium.[17][18]
Since most elemental silicon produced remains as ferrosilicon alloy, only a relatively small amount (20%) of the elemental silicon produced is refined to metallurgical grade purity (a total of 1.3–1.5 million metric tons/year). The fraction of silicon metal which is further refined to semiconductor purity is estimated at only 15% of the world production of metallurgical grade silicon.[18] However, the economic importance of this small very high-purity fraction (especially the ~ 5% which is processed to monocrystalline silicon for use in integrated circuits) is disproportionately large.
Pure monocrystalline silicon is used to produce silicon wafers used in the semiconductor industry, in electronics and in some high-cost and high-efficiency photovoltaic applications. In terms of charge conduction, pure silicon is an intrinsic semiconductor which means that unlike metals it conducts electron holes and electrons that may be released from atoms within the crystal by heat, and thus increase silicon's electrical conductivity with higher temperatures. Pure silicon has too low a conductivity (i.e., too high a resistivity) to be used as a circuit element in electronics. In practice, pure silicon is doped with small concentrations of certain other elements, a process that greatly increases its conductivity and adjusts its electrical response by controlling the number and charge (positive or negative) of activated carriers. Such control is necessary for transistors, solar cells, semiconductor detectors and other semiconductor devices, which are used in the computer industry and other technical applications. For example, in silicon photonics, silicon can be used as a continuous wave Raman laser medium to produce coherent light, though it is ineffective as an everyday light source.
In common integrated circuits, a wafer of monocrystalline silicon serves as a mechanical support for the circuits, which are created by doping, and insulated from each other by thin layers of silicon oxide, an insulator that is easily produced by exposing the element to oxygen under the proper conditions. Silicon has become the most popular material to build both high power semiconductors and integrated circuits. The reason is that silicon is the semiconductor that can withstand the highest temperatures and electrical powers without becoming dysfunctional due to avalanche breakdown (a process in which an electron avalanche is created by a chain reaction process whereby heat produces free electrons and holes, which in turn produce more current which produces more heat). In addition, the insulating oxide of silicon is not soluble in water, which gives it an advantage over germanium (an element with similar properties which can also be used in semiconductor devices) in certain type of fabrication techniques.[58]
Monocrystalline silicon is expensive to produce, and is usually only justified in production of integrated circuits, where tiny crystal imperfections can interfere with tiny circuit paths. For other uses, other types of pure silicon which do not exist as single crystals may be employed. These include hydrogenated amorphous silicon and upgraded metallurgical-grade silicon (UMG-Si) which are used in the production of low-cost, large-area electronics in applications such as liquid crystal displays, and of large-area, low-cost, thin-film solar cells. Such semiconductor grades of silicon which are either slightly less pure than those used in integrated circuits, or which are produced in polycrystalline rather than monocrystalline form, make up roughly similar amount of silicon as are produced for the monocrystalline silicon semiconductor industry, or 75,000 to 150,000 metric tons per year. However, production of such materials is growing more quickly than silicon for the integrated circuit market. By 2013 polycrystalline silicon production, used mostly in solar cells, is projected to reach 200,000 metric tons per year, while monocrystalline semiconductor silicon production (used in computer microchips) remains below 50,000 tons/year.[18]
Although silicon is readily available in the form of silicates, very few organisms have a use for it. Diatoms, radiolaria and siliceous sponges use biogenic silica as a structural material to construct skeletons. In more advanced plants, the silica phytoliths (opal phytoliths) are rigid microscopic bodies occurring in the cell; some plants, for example rice, need silicon for their growth.[59][60][61] Although silicon was proposed to be an ultra trace nutrient, its exact function in the biology of animals is still under discussion. Higher organisms are only known to use it in very limited occasions in the form of silicic acid and soluble silicates.[citation needed]
Silicon is known to be needed for synthesis of elastin and collagen; the aorta contains the highest quantity of elastin and silicon.[62]
Silicon is currently under consideration for elevation to the status of a "plant beneficial substance by the Association of American Plant Food Control Officials (AAPFCO)."[63][64] Silicon has been shown in university and field studies to improve plant cell wall strength and structural integrity,[65] improve drought and frost resistance, decrease lodging potential and boost the plant's natural pest and disease fighting systems.[66] Silicon has also been shown to improve plant vigor and physiology by improving root mass and density, and increasing above ground plant biomass and crop yields.[65]
Hypothetical silicon-based lifeforms are the subject of silicon biochemistry, by analogy with carbon-based lifeforms. Silicon, being below carbon in the periodic table, is thought to have similar enough properties that would make silicon-based life possible, but much different from life as we know it.
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1 | H | He | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
2 | Li | Be | B | C | N | O | F | Ne | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
3 | Na | Mg | Al | Si | P | S | Cl | Ar | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
4 | K | Ca | Sc | Ti | V | Cr | Mn | Fe | Co | Ni | Cu | Zn | Ga | Ge | As | Se | Br | Kr | ||||||||||||||||||||||||||
5 | Rb | Sr | Y | Zr | Nb | Mo | Tc | Ru | Rh | Pd | Ag | Cd | In | Sn | Sb | Te | I | Xe | ||||||||||||||||||||||||||
6 | Cs | Ba | La | Ce | Pr | Nd | Pm | Sm | Eu | Gd | Tb | Dy | Ho | Er | Tm | Yb | Lu | Hf | Ta | W | Re | Os | Ir | Pt | Au | Hg | Tl | Pb | Bi | Po | At | Rn | ||||||||||||
7 | Fr | Ra | Ac | Th | Pa | U | Np | Pu | Am | Cm | Bk | Cf | Es | Fm | Md | No | Lr | Rf | Db | Sg | Bh | Hs | Mt | Ds | Rg | Cn | 113 | Fl | 115 | Lv | 117 | 118 | ||||||||||||
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