ケイ素は私たちの生活に欠かせない重要な元素です。 この記事では、ケイ素の基本的な性質や用途について、 10問のクイズを通して詳しく解説します。ケイ素の原子番号、結晶構造、酸化数、バンドギャップ、 鉱物中の配位数など、ケイ素に関する基礎知識を楽しみながら学べるでしょう。また、シリコンと シリコーンの違いや、金属シリコンの製造方法、二酸化ケイ素の性質など、実用面での重要な情報 もお伝えします。ケイ素に関するさまざまな知識が得られる、充実した内容になっています。
Q1 : ケイ素が周期表で属する族（列）はどれか？
ケイ素（Si）は周期表の14族（グループ14、古典的表示ではIV族）に属します。14族には炭素（C）、ケイ素（Si）、ゲルマニウム（Ge）、スズ（Sn）、鉛（Pb）などが含まれ、一般に価電子が4つで共有結合性を示す元素群です。13族はホウ素やアルミニウムが属し、15族や16族は窒素や酸素などが属する別の元素群に相当します。
Q2 : 以下のうち、ケイ素の主要用途として一般的でないものはどれか？
ケイ素の主要用途は半導体デバイス（電子部品、集積回路）、光電変換（太陽電池）、ガラスやセラミックスの原料（SiO2やシリケート）およびシリコーンなど有機ケイ素化合物の原料です。一方、化学肥料の主要成分は窒素、リン、カリウムなどであり、ケイ素は必須主要栄養素ではありません（植物に有益な場合はあるが主要成分ではない）。従って選択肢3が主要用途としては誤りです。
Q3 : 二酸化ケイ素（SiO2）に関する記述で誤っているものはどれか？
二酸化ケイ素（SiO2）は石英や珪藻土、シリカガラスとして地殻に豊富に存在し、アモルファス形のSiO2はガラスの主要成分、シリカゲルは吸着剤・乾燥剤として広く利用されます。いずれも非金属であり、常温常圧で金属光沢を示すことはありません。したがって「金属光沢を示す」という記述が誤りで、選択肢4が正解です。
Q4 : ケイ素が化合物で示すことが多い酸化数はどれか？
ケイ素は化合物中で主に+4の酸化数をとります。例えば二酸化ケイ素（SiO2）や多くのシリケート（SiO4テトラヘドロンが共有される構造）ではケイ素は+4で存在します。+2の酸化数は特殊な錯体や低酸化状態の化合物で稀に見られることがありますが一般的ではなく、-4はシリド（Si4−）のような非常に還元的で特殊な場合を除いて通常見られません。ケイ素の化学は主に+4を中心に展開します。
Q5 : 「シリコン」と「シリコーン」の違いとして正しいものはどれか？
シリコン（silicon）は元素（化学記号Si）で、単体や半導体材料として使われます。一方シリコーン（silicone, シリコーン樹脂、シロキサン高分子）は主にSi–O結合を骨格とする有機ケイ素化合物の高分子で、潤滑剤、シーラント、ゴム材などに使われます。言葉は似ていますが化学組成と用途が大きく異なり、シリコーンは金属でも常温液体でもありません。
Q6 : 室温付近における単結晶シリコンのバンドギャップ（おおよその値）はどれか？
単結晶シリコンの室温（約300K）におけるバンドギャップはおおよそ1.12 eV（間接バンドギャップ）です。これはシリコンが良好な半導体材料として広く用いられる理由の一つであり、電子デバイスや太陽電池設計で重要なパラメータです。0.54 eVはゲルマニウムに近く、1.8–2.5 eV帯は化合物半導体や絶縁体寄りの値であり、シリコンの実際のバンドギャップとは異なります。
Q7 : 工業的に金属級（冶金級）シリコンを得るために一般的に用いられている方法はどれか？
工業的に多く生産される冶金級シリコンは、二酸化ケイ素（SiO2）を炭素で還元して電気炉（通常は高温のアーク炉や抵抗加熱炉）で精錬する方法で得られます。この方法ではSiO2＋C→Si＋COなどの反応でシリコンが得られ、得られた冶金級シリコンは太陽電池用や電子材料用にさらに純化（例えばシラン法やトリクロロシランを用いるプロセス）されます。電解法による直接析出や常温での分解、空気酸化で単体が生ずることは工業的には用いられません。
Q8 : シリケート鉱物におけるケイ素原子の典型的な配位数（周囲の酸素原子の数）は何か？
シリケート鉱物ではケイ素原子は通常、四面体配位（SiO4）で酸素4個に囲まれた四面体ユニットを形成します。このSiO4四面体が共有されて連結することで、単体テトラヘドラ、鎖状、層状、網目状などさまざまなシリケート構造が生じ、地殻の主要鉱物群を構成します。八面体配位は主にアルミニウムや鉄などで見られることが多く、三配位や二配位はシリケートでは標準的ではありません。
Q9 : ケイ素（シリコン）の原子番号は何か？
ケイ素（Si）の原子番号は14です。周期表での原子番号は陽子数を表し、ケイ素は14個の陽子を持ちます。これは元素周期表の第3周期・14族（旧表示でIV族）に位置し、炭素（6）やゲルマニウム（32）と同族で、価電子が4個であることから共有結合を形成しやすく、半導体やケイ酸塩鉱物の構成要素として重要です。その他の選択肢はそれぞれマグネシウム(12)、アルミニウム(13)、リン(15)の原子番号に相当します。
Q10 : ケイ素結晶が常温でとる格子構造はどれか？
単結晶シリコンはダイヤモンド構造（厳密には面心立方格子に2原子を含むダイヤモンド格子）をとります。この構造では各シリコン原子が4つの近接原子と正四面体配位で結合しており、これがシリコンの結晶学的・電子的性質（バンド構造や機械的性質）を決めます。bccやfcc、hcpは他の金属や結晶で見られる格子ですが、シリコンの基本構造はダイヤモンド型です。
まとめ
いかがでしたか？ 今回はケイ素クイズをお送りしました。
皆さんは何問正解できましたか？
今回はケイ素クイズを出題しました。
ぜひ、ほかのクイズにも挑戦してみてください！
次回のクイズもお楽しみに。
