二酸化ケイ素
二酸化ケイ素（にさんかけいそ、英：Silicon dioxide）は、化学式SiO2で表されるケイ素の酸化物で、地殻を形成する物質の一つとして重要である。シリカ（英: silica[4]）、無水ケイ酸、ケイ酸、酸化シリコンとも呼ばれる。純粋な二酸化ケイ素は無色透明であるが、自然界には不純物を含む有色のものも存在する。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）が存在し、自然界では長石類に次いで産出量が多い。マグマの粘性を左右する物質でもある。鉱物として存在するほか、生体内にも微量ながら含まれている。
| 二酸化ケイ素 | |
|---|---|
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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)[1], 14464-46-1 (クリストバライト)[2], 15468-32-3 (鱗珪石)[2], 112926-00-8 (シリカゲル、沈降シリカ)[2], 60676-86-0 (石英ガラス)[3] |
| 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)[3] 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。 | |
性質
二酸化ケイ素は圧力や温度などの条件により、様々な形（結晶多形）をとる。これにより二酸化ケイ素は石英などの結晶性二酸化ケイ素と、シリカゲル・未焼成の珪藻土や生物中に存在する非結晶性二酸化ケイ素の2つに大別される。結晶性二酸化ケイ素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[5][6]。
- 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[7]。
- 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[8]。
- 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[9][10]、1200 ℃10 GPa以上でスティショバイトに転移する[11]。
- ザイフェルト石は、既知の多形の中で最も高い圧力40 GPaで発見されている。
自然界におけるシリカ
自然界ではケイ素は多くの場合、シリカの形をとっている。最も一般的な形状は石英である。また、砂の主成分であり、ガラスの原料となる珪砂もシリカからなる。地殻内にはシリカが大量に含まれており、地球の表層の約6割がシリカを含む鉱物によって構成されている。
生物学上のシリカ
生物の中には、二酸化ケイ素の形でガラス質の骨格や殻を形成するものがあり、一部のシダ植物、イネ科の植物、コケ植物などのプラント・オパールや、ケイソウ類、放散虫などの骨格、枯草菌が作る芽胞などに利用されている。また、植物一般において成長促進や環境ストレスの低減、病害虫への耐性向上の効果がある。（植物について詳しくは栄養素_(植物)#ケイ素参照）
人体中のシリカ
人体においてシリカはほとんど吸収されず、肝臓や腎臓への蓄積もほとんど行われない。水が付加したオルトケイ酸が血中に約1μg/mlの割合で吸収されるが、タンパク質とは反応せず、大部分が尿中に排泄される。[21]
結晶構造
| 相 | 結晶対称性 ピアソン記号, group No. | 密度, ρ g/cm3 | 注釈 | 構造 |
|---|---|---|---|---|
| α-石英 α-quartz | 三方晶系 hP9, P3121 No.152[23] | 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[24] | 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 | 直方晶系・単斜晶系[8] oS24, C2221, No.20[25] | 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[25] | 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[26] | 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[27] | 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 | 正方晶系 tP36, P41212, No. 92[28] | 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 | 単斜晶系 mS46, C2/c, No.15[29] | Si4O8 と Si6O12の環 |  | |
| コーサイト | 単斜晶系 mS48, C2/c, No.15[30] | 2.911 | Si4O8 と Si8O16環 900 K と3–3.5 GPaで合成 |  |
| スティショバイト | 正方晶系 tP6, P42/mnm, No.136[31] | 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 | 直方晶系 oP, Pbcn[32] | 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[33] |  |
| メラノフログ石 | 立方晶系 (cP*, P4232, No.208)[34] または 正方晶系 (P42/nbc)[35] | 2.04 | Si5O10, Si6O12 環 包摂化合物[36]（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[37] | 直方晶系 oI12, Ibam, No.72[38] | 1.97 | 硫化ケイ素の様な鎖状 |  |
| 英: 2D silica[39] | 六方晶系 | シート状の2次元構造 |  |
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、それぞれ四フッ化ケイ素（SiF4）、ヘキサフルオロケイ酸 (H2SiF6)を生ずる。
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。
利用
工業分野での利用
工業生産される二酸化ケイ素でも特に代表的なものはケイ酸をゲル化したシリカゲル（SiO2純度99.5%以上）であり、乾燥剤として食品や半導体の精密機械の保存から、消臭剤、農業肥料、建築用調湿剤などに使われる。電子材料基板やシリコンウェハーなどの研磨材などに使用されるコロイダルシリカや、耐熱器具、実験器具や光ファイバーの原料として用いられる珪砂、珪石などを溶融した後冷却し、ガラス化させた石英ガラス、樹脂の補強、研磨材、医薬品添加剤、増粘剤、農薬などの沈殿防止剤などに用いられるフュームドシリカ[40]、断熱材として用いられるシリカエアロゲルの他、エナメル、シリカセメント、陶磁器、タイヤの原料、液体クロマトグラフィー担体、電球やCRTディスプレイの表面などの表面処理剤、新聞紙の印刷インクの浸透防止など様々な分野において利用されている。陶器などの製造で石英が原材料として使用される[41]。タイヤの原料としては、沈降シリカがゴムに補強充填剤として配合される。電球に用いられる場合には、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[42]。
フェロシリコンの様な高温プロセスの副産物として得られるシリカヒュームはヒュームドシリカより純度が低いものの、セメントに混ぜるポゾランとして利用される。また特殊な利用法として、戦車などの複合装甲として、セラミックの形で金属の間に挟んだものがある。
金属シリコンを作る際の原料としても用いられる。（炭素還元法：
化粧品・医薬品への添加
微粒二酸化ケイ素は一般的な粉体と比べた場合、吸水性が低い。これを利用して、アイシャドーやファウンデーションといった化粧品において湿気による固形化を防ぐ役割として使用されるほか、安定化などの目的でクリームや乳液に使用される。また硬度が高いことを利用し、歯磨き粉に研磨成分として用いられることもある。さらに医薬品においては、打錠用粉末の流動性を高めたり、錠剤の強度を高めるためのコーティング剤、軟膏・乳液の安定化のために使用されることもある。
食品添加物としての利用
食品添加物は、その吸着性を利用して、ビールや清酒、みりんといった醸造物や食用油、醤油、ソースなどのろ過工程に使われるほか、砂糖、缶詰などの製造工程にも用いられている。微粒二酸化ケイ素は吸湿・乾燥材としても使用される。とくにふりかけ等の粉形食品には、湿気による“ダマ”を防ぐ目的で添加されることがある。ただし、厚生労働省の告示の中で「母乳代替食品及び離乳食に使用してはならない」と使用基準が示されている[45]。
食品添加物として利用される非結晶性の二酸化ケイ素は、体内で消化吸収されず、その大部分が便中に排出されるため身体に影響はない。人体には約1.8gの微量のケイ素が存在し、こうしたケイ素はケイ酸など水溶性の化合物として食物から吸収される。一方で、特定の効能をうたうケイ素を含む飲料、健康食品等がみられるが、ケイ素がもたらす人体への有効性については確認されていない[46]。
ろ過助剤
二酸化ケイ素の持つ多孔質や吸着能力などを利用して、ろ過用の食品添加物として使用されている。ビールをはじめとした酒類の混濁防止や調味液などのオリ下げ、ビールの泡持ち改善として使用される。こうしたろ過助剤としての二酸化ケイ素は不溶性であるためろ過過程で除去される。
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[47]。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[48]。
成熟した砂漠の砂にも多く含まれる。
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[49]。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。不溶性の結晶性二酸化ケイ素の一種であるクリストバライトの粉塵に関しては、国際がん研究機関(IARC)より発がん性があるとの指摘がされていたが[50]、1997年および2012年よりヒトに対する発がん性が認められるグループ1に分類されている[51][52]。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。
なお、食品添加物や顔料、健康食品、飲料水として使用されている二酸化ケイ素は非結晶性のものであり、ヒトに対する発がん性を分類できないグループ3に分類されている[51]。
脚注
参考文献
- 黒田吉益、諏訪兼位「4.1 SiO2 鉱物 (Silica minerals)」『偏光顕微鏡と岩石鉱物 第2版』共立出版、1983年、66-72頁。ISBN 4-320-04578-5。
- 森本信男「10 シリカ鉱物」『造岩鉱物学』東京大学出版会、1989年、191-199頁。ISBN 4-13-062123-8。
- Kaufmann, Klaus, D.Sc. (1998). Silica: The Amazing Gel: An Essential Mineral for Radiant Health Recovery and Rejuvenation. Alive Books, New York, NY
- 木村修一・小林修平 翻訳監修 訳『最新栄養学〔第９版〕―専門領域の最新情報―』建帛社、2007年。
- 篠原也寸志、神山宣彦 (2001). “シリカの物理化学的性質と作業環境測定方法”. エアロゾル研究 16 (4): 269-274. doi:10.11203/jar.16.269.
関連項目
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）