ケイ素

地球の主要な構成元素のひとつ。半導体部品の非常に重要な物質である。 常温・常圧で安定な結晶構造はダイヤモンド構造。比重2.33、融点1,410°C（1,420°C）、沸点 2,600°C（ほかに2,355°C、3,280°Cという実験値あり）。ダイヤモンド構造のケイ素は、1.12eVのバンドギャップ（実験値）をもつ半導体である。これは非金属であるが、圧力（静水圧）を加えると、βスズ構造に構造相転移する。このβスズ構造のケイ素は金属である。更にケイ素には、シリセンという、ケイ素原子が環状に6個結びついた同素体がある。周期表において、すぐ上の元素は炭素だが、その常温常圧での安定相であるグラファイト構造は、ケイ素においては安定な構造として存在できない。

ケイ素は、宇宙で7番目に豊富な元素であり、水素、ヘリウム、炭素、窒素、酸素、ネオンの後に位置します。これらの豊富さは、太陽系の形成中に元素が大規模に分離されたため、地球上ではあまり再現されません。ケイ素は地殻の27.2%を占め、酸素45.5%に次いで2番目に多く、常に自然界では酸素と結びついています。惑星分化による地球形成でさらに分別が行われ、地球の質量の31.5%を占める地球の核はFe25Ni2Co0.1S3の構成比率を持ちます。地球の質量の68.1%を占めるマントルは、主に密度の高い酸化物およびケイ酸塩（例：かんらん石(Mg,Fe)2SiO4）で構成されます。一方、軽いケイ質鉱物（例えばアルミノケイ酸塩）は地殻まで上昇し、地球の質量の0.4%を形成します。マグマからの火成岩の結晶化は、マグマの化学組成、冷却速度、および形成される個々の鉱物の特性（結晶格子エネルギー、融点、結晶構造の複雑さ）などの要因に依存します。マグマが冷却されると、最初にかんらん石が現れ、次に輝石、角閃石、黒雲母、正長石、白雲母、石英、沸石、そして最後に熱水鉱物が現れます。この順序は冷却によってより複雑なケイ酸塩ユニットへの傾向と、酸化物に加えて水酸化物およびフッ化物陰イオンの導入を示します。多くの金属はケイ素と置換することができます。これらの火成岩が風化、輸送、堆積を経て、粘土、頁岩、砂岩等の堆積岩が形成されます。変成作用はまた、高温高圧下で発生し、さらに広範な鉱物の種類を創り出します。海へのケイ素フラックスの4つの供給源は、大陸岩石の化学風化、河川輸送、大陸性起源のシリケートの溶解、および海底玄武岩と熱水の間の反応を含み、これにより溶解ケイ素が放出されます。これら4つのフラックスはすべて、地殻の風化から初期形成されたため、海洋の生地球化学サイクルで相互に関連しています。毎年約300-900メガトンのエオリアンダストが世界の海に堆積します。そのうちの80-240メガトンは粒子状ケイ素の形で存在します。海への粒子状ケイ素の堆積の総量は、河川輸送による海へのケイ素流入量よりも少ないです。北大西洋と西太平洋への粒子状地質ケイ素のエオリアン入力は、それぞれサハラ砂漠とゴビ砂漠からのダストによるものです。河川輸送は沿岸地域における海へのケイ素流入の主要源であり、開かれた海におけるケイ素の堆積はエオリアンダストの沈降に大きく影響されます。

バンドギャップが常温付近で利用するために適当な大きさであること、ホウ素やリンなどの不純物を微量添加させることにより、p型半導体、n型半導体のいずれにもなることなどから、電子工学上重要な元素である。半導体部品として利用するためには高純度である必要があり、このため精製技術が盛んに研究されてきた。現在、ケイ素は99.9999999999999パーセント（15N）まで純度を高められる。また、Si(111) 基板はAFMやSTMの標準試料としてよく用いられる。

地球地殻の質量の74.32パーセントは酸素（46.60パーセント）とケイ素（27.72パーセント）で占められており、石英の成分であるSiO2が地殻の大部分を構成している。地殻の造岩鉱物の92パーセントはSiO4の四面体を結晶構造の基本単位とする珪酸塩鉱物である。

1787年に、アントワーヌ・ラヴォワジエが「silicon」と名付けた。ラテン語の「silex」「silicis」（燧石）にちなむ。のちに、宇田川榕庵が「舎密開宗」で「珪土」をケイ素（シリコン）の訳語とした。オランダ語のシリコンは「keiaarde」であり、「keisteen-aarde」（火打石の土）の短縮形であるため、玉偏の同音字「珪」（けい、「圭」の異体字）で音写した。のちに「硅」も出現した、「珪素」が基準となった。中国名の「硅」はこの日本の音写由来であるが、発音はguī（グイ）と日本とは異なる。