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ケイ素の単体と化合物の性質・製法

約 4 分

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単体

工業的製法

ケイ素の単体は天然には存在しないため、ケイ砂(主成分:SiO2)をコークスとともに加熱することにより粗製のケイ素(不純物を含むケイ素)を作り、それを精製することで純度の高いケイ素の単体を得る。

SiO2 + 2C → Si + 2CO

性質

ケイ素の単体に関して覚えておいてほしいのは上の3つ。
順番に説明していこう。

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、組成式で表される。

共有結合結晶の形をとる物質は以下のものに限られるので、ケイ素を含め全て覚えておくようにしよう。

硬く・融点が高い

ケイ素の単体は共有結合結晶であるが故に、(結合が硬くなかなか切れなので)硬く、融点も高い。

非金属だが、金属光沢があり半導体として用いられる

ケイ素の単体は、非金属であるが金蔵光沢をもっており電気伝導性もある程度はもつため、高純度なものは半導体として用いられる。

化合物

酸化物

ケイ素の酸化物として覚えておかなければいけないのは「SiO2」だ。

この酸化物には以下のような特徴がある。

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。

石英・水晶・ケイ砂として天然に存在している

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、より大きく透明な結晶を水晶、砂状になったものをケイ砂という。

酸性酸化物であり、塩基として中和反応する

二酸化ケイ素は非金属の酸化物なので、酸性酸化物である。(酸化物に関して詳しいことは「酸性酸化物・塩基性酸化物・両性酸化物の違いを徹底解説!〜定義からそれぞれの酸・塩基との反応まで〜」を見てね)

従って、塩基と反応する場合がある。

SiO2 + 2NaOH → Na2SiO3 + H2O

ガラスとして用いられる(フッ化水素に溶ける)

二酸化ケイ素を高温で加熱し融解させた後冷やして作られたガラスを、石英ガラスという。

石英ガラスは、水にはとえk内がフッ化水素とは次のように反応し溶解する。

SiO2 + 6HF → H2SiF6 + 2H2O

ケイ素を含む塩として有名なのはケイ酸ナトリウムNa2SiO3

工業的製法

ケイ酸ナトリウムは、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)

SiO2 + Na2CO3 → Na2SiO3 + CO2

性質

ケイ酸ナトリウムは、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。

また、水を加えて加熱することで加水分解し、粘性をもつ水ガラスになる。

オキソ酸

ケイ素を含むオキソ酸として有名なのは、ケイ酸H2SiO3

製法

ケイ酸は、上で出てきた”水ガラス”の水溶液に塩酸HClを反応させることで得られる。

Na2SiO3 + 2HCl → 2NaCl + H2SiO3

Na2SiO3は弱酸を含む塩、HClは強酸なので、この反応は”弱酸遊離反応”の一種と考えることができるね。(弱酸遊離反応に関して詳しいことは「弱酸・弱塩基遊離反応」を見てね)

また、Na2SiO3の沈殿は「白色のゲル状」であるということも押さえておこう。

ケイ酸を脱水したら…

ケイ酸を加熱し脱水したものをシリカゲルSiO2・nH2Oという。

シリカゲルはケイ酸に比べて空洞が多くなっており、気体を吸着しやすい。
従って、乾燥剤や吸着剤として用いられる。

ケイ素の化合物まとめ

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ておこう。

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