ケイ素の単体と化合物の性質・製法

はじめに

【プロ講師解説】このページでは『ケイ素の単体と化合物の性質・製法』について解説しています。

ケイ素の単体

• ケイ素Siの単体の特徴は次の通りである。

❶ 天然に存在しない

• ケイ素Siの単体は、天然に存在しない。
• したがって、酸化物である二酸化ケイ素SiO₂を還元してつくる必要がある。

❷ 工業的製法：ケイ砂をコークスとともに加熱する

• ケイ素の工業的製法では、ケイ砂（主成分：二酸化ケイ素SiO₂）をコークスCとともに加熱する。

\[ \mathrm{SiO_{2} + 2C → Si + 2CO} \]

• このとき得られる粗製のケイ素（不純物を含むケイ素）を精製することで、純度の高いケイ素の単体を得る。

❸ 共有結合結晶

• ケイ素の単体は、繰り返し構造をした共有結合結晶（高分子）であり、組成式Siで表される。

• 高校化学において共有結合結晶の形をとる重要な物質は『Si/SiO₂/SiC/C』の4つである。ケイ素を含め、全て覚えておくようにしよう。

参考：共有結合結晶（例・特徴・性質・組成式・融点・電気伝導性など）

❹ 硬く、融点が高い

• ケイ素の単体は共有結合結晶であり、結合が強く切れにくいので、硬く、融点が高い。

参考：【化学結晶まとめ】構成粒子や結合の強さ、電気陰性度、融点、硬さなど

❺ 非金属だが金属光沢がある

• ケイ素の単体は、非金属だが金属光沢をもつ。

❻ 電気伝導性があり、半導体として用いられる

• ケイ素の単体はわずかだが電気伝導性がある。
• したがって、高純度なものは半導体として、電化製品などに用いられる。

二酸化ケイ素SiO₂

• 二酸化ケイ素SiO₂の特徴は次の通りである。

❶ 単体同様、繰り返し構造をした共有結合結晶で、組成式で表される

• 二酸化ケイ素SiO₂は単体と同様、繰り返し構造をした共有結合結晶として存在し、高分子であるため組成式で表される。

参考：共有結合結晶（例・特徴・性質・組成式・融点・電気伝導性など）

二酸化ケイ素の組成式

• 二酸化ケイ素の組成式はSiO₂だが、ここに疑問を感じる学生がいる。
• 二酸化ケイ素の結晶は、SiO₄の正四面体が基本構造となっている。

• しかし、4個の酸素O原子は2個のケイ素Si原子で共有されており、Si原子1個あたりのO原子は2個と考えることができるため、組成式はSiO₂となる。

❷ 石英/水晶/ケイ砂として天然に存在

• 二酸化ケイ素は主に石英として岩石中に存在している。
• また、石英より大きく透明な結晶を水晶、石英が砂状になったものをケイ砂という。

❸ 酸性酸化物であり、塩基と中和反応する

• 二酸化ケイ素SiO₂は酸性酸化物である。したがって、水酸化ナトリウムNaOHや炭酸ナトリウム Na₂CO₃などの塩基と中和反応をする。

\[ \mathrm{SiO_{2} + 2NaOH → Na_{2}SiO_{3} + H_{2}O}\\
\mathrm{SiO_{2}+ Na_{2}CO_{3}→ Na_{2}SiO_{3}+CO_{2}} \]

• このとき、ケイ素を含む塩であるケイ酸ナトリウムNa₂SiO₃が生じる。

参考：酸性酸化物・塩基性酸化物・両性酸化物（違い・見分け方・一覧・反応など）

❹ ガラスとして用いられる

• 二酸化ケイ素SiO₂は多くのガラスに主成分として含まれる。
• また、二酸化ケイ素を高温で加熱し融解させた後、冷やしてつくられるガラスを石英ガラスという。石英ガラスはSiO₂の純度が極めて高い。

❺ フッ化水素酸に溶解する

• 二酸化ケイ素SiO₂は、共有結合結晶であり、非常に安定しているため、反応性に乏しい。
• しかし、フッ化水素酸HFとは次のような錯イオン形成反応を起こし、溶解する。

\[ \mathrm{SiO_{2} + 6HF → H_{2}SiF_{6} + 2H_{2}O} \]

• この性質から、フッ化水素酸はガラス（主成分：SiO2）の容器に保存できないため、ポリエチレンなどガラス以外の容器に保存する。

参考：化合物の保存・取り扱い方法

ケイ酸ナトリウムNa₂SiO₃

• ケイ酸ナトリウムNa₂SiO₃の特徴は次の通りである。

❶ 繰り返し構造をした高分子化合物で、組成式で表される

• ケイ酸ナトリウムNa₂SiO₃は、繰り返し構造をした高分子化合物で、組成式を用いて表される。

❷ 水を加えて加熱すると加水分解し、粘性をもつ水ガラスになる

• ケイ酸ナトリウムNa₂SiO₃に水を加えて加熱することで加水分解し、粘性をもつ液体になる。この液体を水ガラスという。

水ガラス

• ケイ酸ナトリウムNa₂SiO₃は塩であるにもかかわらず、水への溶解度が低い。これは、SiO₃^2－が長鎖状の分子であり、水中に拡散しにくいためである。

• また、この分子は水中において曲がりくねった状態で存在しており、これが原因で粘性をもった液体となる（水ガラス）。
• 水ガラスを空気中に放置すると、ケイ酸H₂SiO₃が生じる。

\[ \mathrm{Na_{2}SiO_{3}+H_{2}O+CO_{2}→Na_{2}CO_{3}+H_{2}SiO_{3} }\]

• H₂SiO₃は、脱水すると二酸化ケイ素SiO₂となり、固まる。

\[ \mathrm{H_{2}SiO_{3}→H_{2}O+SiO_{2} }\]

• Na₂SiO₃はこの性質を生かし、接着剤や土壌硬化剤として用いられる。

❸ 工業的製法：二酸化ケイ素に炭酸ナトリウムを加えて加熱する

• ケイ酸ナトリウムNa₂SiO₃は、二酸化ケイ素SiO₂に炭酸ナトリウムNa₂CO₃を加えて加熱することで得られる。（中和反応）

\[ \mathrm{SiO_{2} + Na_{2}CO_{3} → Na_{2}SiO_{3} + CO_{2}} \]

ケイ酸H₂SiO₃

• ケイ酸H₂SiO₃の特徴は次の通りである。

❶ 製法：水ガラスの水溶液に塩酸を反応させる

• ケイ酸H₂SiO₃は、水ガラス（ケイ酸ナトリウムNa₂SiO₃）の水溶液に塩酸HClを反応させることで得る。

\[ \mathrm{Na_{2}SiO_{3} + 2HCl → 2NaCl + H_{2}SiO_{3} }\]

• このとき得られるH₂SiO₃は白色のゲル状沈殿である。

❷ 脱水するとシリカゲルになる

• ケイ酸H₂SiO₃を加熱・脱水して得られる固体をシリカゲルSiO₂・nH₂Oという。

• シリカゲルはケイ酸に比べて空洞が多く（多孔質）、また親水基であるヒドロキシ基-OHが豊富なため、水素結合により気体中の水分を吸着しやすい。したがって、乾燥剤や吸着剤として用いられる。
• また、シリカゲルを適度に加熱すると、吸着した水分が取れ、再利用することができる。

ケイ素化合物の関係性

• 最後に、二酸化ケイ素SiO₂・ケイ酸ナトリウムNa₂SiO₃・水ガラス・ケイ酸H₂SiO₃・シリカゲルの関係をまとめると上のようになる。

セラミックス

• 地殻を構成する岩石の多くは、ケイ酸塩を含む。
• ケイ酸塩を利用した工業をケイ酸塩工業（窯業）という。
• ケイ酸塩工業でつくられる工業製品には、ガラス・セメント・陶器・磁器などがあり、これらを総称してセラミックス（窯業製品）という。

ガラス

• 現在最も広く利用されているガラスの1つであるソーダ石灰ガラスは、ケイ砂SiO₂・石灰石CaCO₃・炭酸ナトリウムN a₂CO₃などの粉末を高温で熱してつくられる。

土器・陶器・磁器

• 粘土と水を混ぜて練り、低温で焼いたものを土器、高温で焼いたものを陶器、さらに高温で焼いたものを磁器という。