二酸化ケイ素

二酸化ケイ素
	IUPAC名二酸化ケイ素
	別称石英、シリカ、無水ケイ酸
識別情報
CAS登録番号	7631-86-9 (シリカ), 14808-60-7 (石英), 14464-46-1 (クリストバライト), 15468-32-3 (鱗珪石), 112926-00-8 (シリカゲル、沈降シリカ), 60676-86-0 (石英ガラス)
日化辞番号	J43.598H
E番号	E551 (pH調整剤、固化防止剤)
KEGG	C19572 (非晶質); C16459 (石英); D06521 (無水)
特性
化学式	SiO2
モル質量	60.1 g/mol
外観	白色の粉末
密度	2.196 g/cm3 (石英ガラス); 結晶の密度は記事中の結晶構造の表を参照。
融点	1650 °C, 1923 K, 3002 °F (±75℃)
沸点	2230 °C, 2503 K, 4046 °F
水への溶解度	0.012 g/100 mL ( °C)
危険性
安全データシート(外部リンク)	ICSC 0808(石英); ICSC 0809(クリストバライト); ICSC 0807(鱗珪石)結晶質シリカ(石英); 結晶質シリカ (クリストバライト); 結晶質シリカ (トリジマイト); 非晶質シリカ (シリカゲル、沈降シリカ); 非晶質シリカ (石英ガラス)
眼への危険性	場合によっては危険性がある。
NFPA 704	0 0 0
	特記なき場合、データは常温 (25 °C)・常圧 (100 kPa) におけるものである。

二酸化ケイ素（にさんかケイそ、英: silicon dioxide）はケイ素の酸化物で、地殻を形成する物質の一つとして重要である。組成式はSiO₂。シリカ（英: silica）、無水ケイ酸とも呼ばれる。圧力、温度の条件により、石英（英: quartz、水晶）以外にもシリカ鉱物(SiO₂)の多様な結晶相（結晶多形）が存在する。マグマの粘性を左右する物質でもある。

性質

結晶は共有結合結晶であり、ケイ素原子を中心とする正四面体構造が酸素原子を介して無数に連なる構造をしている。

結晶多形

二酸化ケイ素は温度や圧力をかけると結晶構造が変化する（相変態）を起こす。結晶構造などは次の一覧項で説明する。

温度を上昇させた時の相変化

常温常圧下ではα石英が安定だが、二酸化ケイ素は温度変化によって相変化を起こす。

以下に示す温度は常圧での温度であり、溶剤や圧力等により変化する^[4]^[5]。

α-石英― 573℃→β-石英― 870℃→ β‐トリディマイト― 1470℃→ β‐クリストバライト― 1705℃→ 溶解

しかし、β‐トリディマイトは不純物の無いβ-石英からは転移せず、この形態を経由するには添加物を加える必要がある。そうしない場合、1050℃でβ-石英からβ‐クリストバライトに直接相変化する^[6]。

上記の様に説明したが、大抵はβ-石英から1550℃で直接溶融する。これはそれぞれの結晶を構成するSiO₄正四面体が、頂点の酸素を共有して結合して3次元的なネットワークを形成しているが、その結合の仕方が各結晶構造で異なるため簡単に相変化が起きない為である^[7]。

温度を下げた時の相変化

β-トリディマイトを急速に冷却すると、114℃でα-トリディマイトとなる。

β-クリストバライトを急速に冷却すると、270℃でα-クリストバライトとなる。

圧力による相変化

500 ℃から800 ℃、2～3 GPa以上になるとコーサイトに^[8]^[9]、1200 ℃10 GPa以上でスティショバイトに転移する^[10]。

ともに常温・常圧下では準安定状態で、隕石のクレーターから発見されている^[11]^[12]。

コーサイトの生成条件は地球の深度70 km以下に相当し深部まで潜った岩石が上昇してきた超高圧変成岩で見つかっている^[13]^[14]。

マントル遷移層から下部マントル程度の高圧条件下ではスティショバイト構造をとると考えられている^[15]^[16]^[17]。

ザイフェルト石は、既知の多形の中で最も高い圧力40GPaで発見されている。

実験室以外では、月隕石か火星隕石でのみ見つかっている(地球への隕石では大気による減速で、ほとんど40GPaに至らない)^[18]^[19]。

SiO₂の結晶構造^[20]
Form	結晶対称性ピアソン記号, group No.	ρ g/cm³	注釈
α-石英 α-quartz	三方晶系 hP9, P3₁21 No.152^[21]	2.648	鏡像異性体があり、それぞれ左右方向への３回らせん軸対称 573℃でβ-石英に変態
β-石英 β-quartz	六方晶系 hP18, P6₂22, No. 180^[22]	2.533	鏡像異性体があり、それぞれ左右方向への6回らせん軸対称
α-トリディマイト α-tridymite	斜方晶系・単斜晶系^[7] oS24, C222₁, No.20^[23]	2.265	常圧下で準安定状態
β-トリディマイト β-tridymite	六方晶系 hP12, P6₃/mmc, No. 194^[23]		α-トリディマイトと相互に速やかに変態する β-トリディマイトは2010Kでβ-クリストバライトに変態する
α-クリストバライト α-cristobalite	正方晶系 tP12, P4₁2₁2, No. 92^[24]	2.334	常圧下で準安定状態
β-クリストバライト β-cristobalite	立方晶系 cF104, Fd3m, No.227^[25]		α-クリストバライトと相互に速やかに変態する 1978 Kで溶融する
キータイト英: keatite	正方晶系 tP36, P4₁2₁2, No. 92^[26]	3.011	Si₅O₁₀, Si₄O₁₄, Si₈O₁₆ 環ガラス状シリカとアルカリから600-900Kおよび40-400MPaで合成
モガン石英: moganite	単斜晶系 mS46, C2/c, No.15^[27]		Si₄O₈ と Si₆O₁₂の環
コーサイト英: coesite	単斜晶系 mS48, C2/c, No.15^[28]	2.911	Si₄O₈ と Si₈O₁₆環 900 K と3–3.5 GPaで合成
スティショバイト英: stishovite	正方晶系 tP6, P4₂/mnm, No.136^[29]	4.287	シリカの多形体のうち最も密度の高いものの一つルチル型構造 7.5–8.5 GPa
ザイフェルト石英: Seifertite	斜方晶系 oP, Pbcn^[30]	4.294	シリカの多形体のうち最も密度の高いものの一つ 40 GPaで得られる^[31]
メラノフログ石英: melanophlogite	立方晶系 (cP*, P4₂32, No.208)^[32] または正方晶系 (P4₂/nbc)^[33]	2.04	Si₅O₁₀, Si₆O₁₂ 環包摂化合物^[34]（青色はキセノン）高温相のβ-メラノフログ石がある
fibrous W-silica^[35]	斜方晶系 oI12, Ibam, No.72^[36]	1.97	硫化ケイ素の様な鎖状
英: 2D silica^[37]	六方晶系		シート状の2次元構造

利用

シリカ電球: 電球の内側に、眩しさを防ぎ光を拡散させる目的で塗料として塗られる^[38]。

ガラス: 無機ガラスの主成分である。

医薬品・化粧品: 「無水ケイ酸」などと呼ばれ食品添加物や化粧品などに用いられる。これについてはシリカ#食品添加物としての利用およびシリカ#化粧品・医薬品への添加を参照のこと。

加工品

シリカゲル：乾燥剤
シリカエアロゲル：断熱材
フュームドシリカ：樹脂の補強、研磨剤、医薬品添加剤、増粘剤、農薬などの沈殿防止剤^[39]
シリカヒューム（英語版）：フェロシリコンの様な高温プロセスの副産物でヒュームドシリカより純度が低い。セメントに混ぜるポゾラン（英語版）として利用される。
沈降シリカ：タイヤのゴムに、補強充填剤としてシリカが配合される。
メソポーラスシリカ
石英ガラス：フラスコ、光ファイバーなど

その他

陶器などの製造で石英が原材料として使用される^[40]。
シリコンを作る際の原料（炭素還元法： ${\ce {{SiO2}+ 2C -> {Si}+ 2CO}}$ ）^[41]^[42]

反応

二酸化ケイ素はフッ化水素ガス（HF）やフッ化水素酸（HF(aq)）と反応し、それぞれフッ化ケイ素（SiF₄）、ヘキサフルオロケイ酸 (H₂SiF₆)を生ずる。

{\ce {SiO2 + 4HF(gas) -> SiF4 + 2H2O}}

{\ce {SiO2 + 6HF(aq) -> H2SiF6 + 2H2O}}

また、固体の水酸化ナトリウム（NaOH）と熱することによりケイ酸ナトリウム(Na₂SiO₃)が生成する。ケイ酸ナトリウムに水を加えて熱すると水ガラスとなる。

{\ce {SiO2 + 2NaOH -> Na2SiO3 + H2O}}

埋蔵量

二酸化ケイ素（シリカ）は石英、珪砂、珪石などの形で産出する。天然の石英の資源量には限りがあるが、工業的には代わりに人工石英がもちいられる^[43]。珪砂や珪石の資源量は非常に潤沢であり、工業用の純度の高いものも世界中に広く分布する^[44]。

成熟した砂漠の砂にも多く含まれる。

詳細は「砂漠#砂の組成」を参照

危険性

粉体状のものを多量に吸入すると、塵肺の一種である珪肺の原因となる^[45]。ホークス・ネストトンネル災害などが発生し、鉱石採掘現場での労働災害が課題となった。シリカ結晶の粉体は、国際がん研究機関によりグループ1の「ヒトに対する発癌性が認められる」物質に指定されている。微粉末の吸入が問題なのであり、吸入しなければ問題は認められない。例えばある程度大きな結晶を素手で触れたとしても、それ自体は何ら問題ではない。

脚注

[脚注の使い方]

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外部リンク

ケイ素、ケイ素化合物 - 素材情報データベース＜有効性情報＞（国立健康・栄養研究所）

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表話編歴ケイ素の化合物
二元化合物	SiBr₂ 四臭化ケイ素（中国語: 四溴化硅） SiC SiCl₂ SiCl₄ SiF₂ SiF₄ SiH₄ Si₂H₆ SiI₄ Si(N₃)₄ Si₃N₄ SiO SiO₂ SiS SiS₂
三元化合物	H₂SiF₆ H₂SiO₃ H₄SiO₄ Si(CH₃)₄ Si(C₂H₅)₄
カテゴリ

性質

利用

反応

埋蔵量

危険性

脚注

参考文献

関連項目

外部リンク