なぜシリコンは半金属なのでしょうか? (+ 他に知っておくべき 3 つのこと)

はい、シリコンは半金属とみなされます。シリコンは金属と非金属の両方の特性を示すため、半金属として分類されます。これは、適度な導電性を有する半導体であるなどの金属的な特性を備えている一方で、脆い、光沢のある外観などの非金属特性も示します。

まあ、それは単純な答えでした。ただし、このトピックについては、コンセプトを明確にするために知っておくべきことがいくつかあります。

それでは早速本題に入りましょう。

説明: なぜシリコンは半金属なのでしょうか?

シリコンは金属と非金属の両方の特性を示すため、半金属として分類されることがよくあります。半金属とは、金属と非金属の中間の性質を持つ元素です。

シリコンが半金属とみなされる理由は次のとおりです。

• 導電率:シリコンは半導体であり、その導電率は金属と非金属の中間であることを意味します。特定の条件下では電気を通すことができますが、ほとんどの金属ほど効率的ではありません。
• 化学反応性:シリコンは、化学反応性の点で非金属といくつかの類似点があります。炭素などの非金属と同様に、他の元素と共有結合を容易に形成します。
• 構造:シリコンは金属と似た結晶構造を持っています。金属の特徴である規則的な原子ネットワークを形成します。ただし、そのネットワークは純粋な金属のネットワークほどコンパクトではありません。
• 物理的特性:シリコンは金属光沢を持ち、室温では固体であり、金属の典型的な特性です。ただし、ほとんどの金属のように可鍛性や延性があるのではなく、非金属のように脆いです。

シリコンは他の半金属とどう違うのですか?

シリコンはいくつかの点で他の半金属とは異なります。シリコンは、ゲルマニウムやヒ素などの他の半金属といくつかの類似点を共有していますが、それを際立たせる明確な違いがあります。シリコンと他の半金属の違いは次のとおりです。

• 豊富さと存在:ケイ素は地球の地殻で 2 番目に豊富な元素であり、重量でその組成の約 28% を占めています。広く分布しており、石英やケイ酸塩などの鉱物によく含まれています。対照的に、ゲルマニウムやヒ素などの他の半金属は、比較すると比較的まれです。
• 半導体としての応用:シリコンは主に、半導体材料としてエレクトロニクス産業で広く使用されていることで知られています。その独特の電気的特性と、その豊富さと製造容易性により、コンピュータチップやその他の電子機器の製造に最適な材料となっています。この用途ではシリコンを他の半金属と区別します。
• 結晶構造:シリコンは、他の半金属の構造とは異なる、ダイヤモンドのような結晶構造を持っています。この構造は半導体特性に貢献し、集積回路製造の重要な構成要素となっています。
• 生物学的役割:ケイ素は、特定の種類の植物や珪藻 (単細胞藻類) など、特定の生物の成長と発達に不可欠です。シリコンは生物学的プロセスに関与しているため、一般に生体において重要な役割を果たさない他の半金属とは区別されます。
• 酸化状態:シリコンは通常、二酸化ケイ素 (シリカ) など、+4 の酸化状態の化合物を形成します。対照的に、ヒ素やアンチモンなどの他の半金属は、正の状態と負の状態の両方を含む幅広い酸化状態を示すことができます。

半金属の特性に基づくシリコンの用途

シリコンは半金属として、多くの用途にとって価値のある特性を持っています。半金属の特性に基づいたシリコンの用途をいくつか紹介します。

• 半導体産業:シリコンの最も重要な用途は半導体産業です。完全な導体でも絶縁体でもなく、半導体として機能するため、コンピューターチップ、トランジスタ、太陽電池、その他の電子部品の製造に最適です。シリコンウェーハは、集積回路やマイクロチップを製造するための基板として使用されます。
• 太陽エネルギー:シリコンは、ソーラー パネルに使用される太陽電池 (PV) セルの製造における重要な要素です。これらのセルは太陽光を電気に変換します。シリコンの半導体特性により、光子を効率的に吸収し、電流を生成できます。太陽エネルギーシステムにおけるシリコンの普及は、再生可能エネルギー源の成長に貢献しています。
• ガラスとセラミック:一般にシリカまたは石英として知られる二酸化ケイ素は、ガラスとセラミックの主成分です。シリカはガラス製品に強度、耐熱性、透明性を与えます。窓、レンズ、光ファイバー、実験用ガラス器具など、さまざまな品目の製造に使用されています。シリコンの化合物である炭化ケイ素は、高温セラミックス、研磨材、耐火物にも使用されます。
• 化学産業:シリコンベースの化合物は化学産業でさまざまな用途に使用されます。たとえば、シリコンと水素からなる化合物であるシランは、シリコン、潤滑剤、撥水剤の製造において前駆体として使用されます。シリカの多孔質形態であるシリカゲルは、湿気を吸収する乾燥剤として広く使用されています。
• 建設材料:シリコンベースの材料は建設に応用されています。シリコンから得られるシリコーンは、その柔軟性、安定性、および極端な温度に対する耐性により、シーラント、接着剤、防水剤として使用されます。シリコーンは電気絶縁材、自動車部品、医療機器にも使用されています。
• 農業:シリコンは農業に有益であることが証明されています。植物の健康と害虫、病気、干ばつなどのストレス要因に対する抵抗力を向上させることができます。ケイ素肥料や土壌改良剤は、植物に利用可能なケイ素を供給するために使用され、それによって植物の成長と回復力が向上します。

これらは、半金属の特性に基づいたシリコンの使用例のほんの数例です。シリコンは、電気的、化学的、物理的特性のユニークな組み合わせにより、あらゆる業界に広く応用できる多用途の材料となっています。

参考文献

硫黄は金属ですか？
アルミニウムは遷移金属ですか?
アルミニウムは金属、非金属、または半金属ですか?
鉛は遷移金属ですか?
亜鉛は遷移金属ですか?