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素朴な疑問ですが、なぜカルシウムやナトリウムは金属であって、珪素 Si は金属ではないのでしょうか?共有結合やイオン結合のところを習っていて疑問に思いました。

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A 回答 (9件)

#3です。



失礼な書き込みをしてしまいましたが、私の質問にお答えくださってありがとうございます。おかげさまで、勉強になりました(たぶん質問者の方よりも (苦笑 )
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多分学校で珪素のサンプルを見せてもらったか、半導体材料のシリコンウエハーの写真を見たからではないでしょうか。



高等学校で習う金属の特徴から考えます。
金属の特徴は自由電子による結合です。
この結合の特徴から
電気を良く伝える、
熱を良く伝える、
金属光沢を示す、
薄膜にしても不透明(アルミ箔レベルで考えます。極端に薄くして薄膜に穴が開いた状態になれば光が通ります。)
延性、展性を示す
陽性(正のイオンになる)、
が出てきます。

動きやすい電子があるということとその電子が取れやすいということはつながってきます。電子配置で言うと安定な配置にちょっと余分の電子があるというものです。周期表の左側、下側です。左上から右下に斜めに引いた線の下側です。この区切りが教科書の周期表には階段状の線で示されているはずです。元素の数でいうと全体の2/3が金属です。右上には非金属があります。境界線に近い所にある金属は両性元素です。非金属側で境界線に近い所にある元素に半導体、半金属と呼ばれる特徴を示すものがあります。
半導体と呼ばれているものは電気的な特徴での分類です。電気は流れますが伝導度で言うと金属と絶縁体の間にあります。金属の中でも伝導度には差がありますが半導体の伝導度は桁違いに小さいです。半導体を配線に使うことは出来ません。抵抗が大きすぎるからです。延性、展性を示さないものがほとんどです。鉛筆の芯は電気を流しますがポキッと折れてしまいます。鉱物標本の黄鉄鉱や黄銅鉱でも金属用の光沢を持っています。いくらか電気も流れます。かなづちで叩いたら粉々になります。
金属光沢は伝導電子によるものと考えていいでしょうから金属でも半導体でも観察できます。抵抗の大小にはあまり関係がないでしょう。
金属と半導体を区別する特徴の1つに電気抵抗の温度依存性があります。温度を上げると金属では抵抗が大きくなるのに半導体では抵抗が小さくなるというものです。電気伝導の仕組みが異なるからです。
金属様の光沢と電気が流れるというだけでは金属だとは言えないのです。
半導体の電気伝導性は不純物の影響を大きく受けますので見かけも大きく影響を受ける可能性があります。

炭素と珪素が同じダイヤモンド構造をとっているということですが見掛けが全く違うのは不思議なことですね。テンナインの珪素で金属様の光沢を持っているのですからダイヤモンドとはかなり違います。珪素のダイヤモンド構造が切れやすいものだということかもしれません。シリコンウエハーの切り出しができるというのはそれほど強い結合ではないということですから。

高校の化学では半導体、、半金属はほとんど扱いません。化合物の半導体も扱いません。高等学校レベルで説明の出来ないものがほとんどです。金属が錆びれば電気が流れなくなるということは一般的な知識としては扱います。化合物半導体はこれに対する例外です。
同じMO型の金属酸化物が絶縁体であったり半導体であったりするというのは簡単に説明できることではないからです。
理化学辞典で半導体を調べると「電気伝導度が10^3~10^(-10)S/cmの範囲にある物質」となっています。伝導度に10^13の幅があるのですから「電気伝導性がある」と言ってもかなりのあいまいさがあるということになります。
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普通は、珪素と呼ばれるものは、珪砂をイメージするガラスのような


透明なものと印象が有りますが、半導体に使うものは、あめ色・黒色の
金属シリコンと呼ばれるものから、作り出します。純度的には、
99%無いかもしれないけど、それを高温にして色々な物を添加配合して、合成しシリコン樹脂を作り出します。
私が作るのは、金属シリコンを直接反応させるので、反応がリアルです
そのため、高額な商品になりますけどね。
金属シリコンを高温で溶かして、精製すれば、ウエハーが出来ると思うけど、私はしたことが無いのでね。

金属的性質を持つ珪素もあるという言い方が良いのでは。
あまり回答になってなかったらゴメンネ。
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半導体に使う純度99.99999999%の珪素は常温ではもろいが、750℃以上では金属のように延性を示すが電気伝導度は低い。


とても金属とは呼べない。

参考URL:http://www.j-tokkyo.com/2000/C30B/JP2000-044382. …
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#2 ではないですが (苦笑), 半導体材料としての「シリコン」はほぼ純粋なケイ素です>#3.


常温常圧での最安定相はダイヤモンド構造のはずですが, 確かに単結晶シリコンは金属光沢をもってるんですよね....
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素朴というより『意味のない』質問です。



たとえば、
「30歳や40歳は大人であって、18歳は大人でないのでしょうか?」
と同じ質問でする。
 電車に乗るときは大人扱いですし、お酒を飲むときは子ども扱いされる。

 ICに使用される単結晶シリコンは、かくかくしかじかの条件のときは、(金属のような)導体の性質を示さないのはなぜか?
 単結晶シリコンに圧力を加えると構造転移を起こして、導電性など金属のような性質を示すが、そのときの外殻電子はどのようなエネルギー順位にあるのか?
というような具体的な質問にしてください。
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すいません、回答者間の質問はまずいと思うんですが、#2さんがお詳しいようなので、お聞きしたいことがあります。



1、半導体チップなどに用いられる単結晶は炭化珪素だと思いましたが違いますか?

2、私の理解では珪素は常温常圧では非金属で、圧をかけると構造相転移して金属に近い性質を持つと考えていましたが違いますか?


興味があるので、もしよろしければお願いします orz
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半導体チップ(超LSIなど)を切り出すケイ素単結晶は共有結合は持たずイオン性も持たず明らかに金属です。


周期表に載っている「半金属」とか「非金属」の表示を鵜呑みにするのは非常に危険です。
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すいませんが、なぜカルシウムやナトリウムと比べてSiを金属だと思うのかがわかりませんので補足にお願いします。

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●分子結晶
分子からなる物質の結晶。
●共有結合の結晶
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結晶全体を1つの大きな分子(巨大分子)とみることもできる。

堅苦しい説明で言うと、こうなりますね(^^;
確かにこの2つの違いは文章で説明されても分かりにくいと思います。

>共有結合の結晶は原子で出来ている
先ほども書いたように「原子で出来ている」わけではなく、
「原子が共有結合で結びついて配列」しているのです。
ですから二酸化ケイ素SiO2の場合も
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共有結合の物質というものをつくっているのです。
参考書の表現が少しまずかったのですね。
tomasinoさんの言うとおり、二酸化ケイ素も共有結合の結晶の1つです。

下に共有結合の結晶として有名なものを挙げておきます。

●ダイヤモンドC
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正四面体状に次々と結合した立体構造を持つのです。
●黒鉛C
C原子の4個の価電子のうち3個が次々に他のC原子と共有結合して
正六角形の網目状平面構造をつくり、それが重なり合っています。
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共有結合の結晶は特徴と例を覚えておけば大丈夫ですよ。
頑張って下さいね♪

●分子結晶
分子からなる物質の結晶。
●共有結合の結晶
結晶をつくっている原子が共有結合で結びつき、
立体的に規則正しく配列した固体。
結晶全体を1つの大きな分子(巨大分子)とみることもできる。

堅苦しい説明で言うと、こうなりますね(^^;
確かにこの2つの違いは文章で説明されても分かりにくいと思います。

>共有結合の結晶は原子で出来ている
先ほども書いたように「原子で出来ている」わけではなく、
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 h = 6.626*10^-34[J・s]
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 E≒1240/λ[eV]
となります。

>例えば540nmでは2.33eVになると論文には書いてあるのですが
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★回答
・最初に『回帰分析』をここで説明するのは少し大変なので『E』のみ説明します。
・回答者 No.1 ~ No.3 さんと同じく『指数表記』の『Exponent』ですよ。
・『指数』って分かりますか?
・10→1.0E+1(1.0×10の1乗)→×10倍
・100→1.0E+2(1.0×10の2乗)→×100倍
・1000→1.0E+3(1.0×10の3乗)→×1000倍
・0.1→1.0E-1(1.0×1/10の1乗)→×1/10倍→÷10
・0.01→1.0E-2(1.0×1/10の2乗)→×1/100倍→÷100
・0.001→1.0E-3(1.0×1/10の3乗)→×1/1000倍→÷1000
・になります。ようするに 10 を n 乗すると元の数字になるための指数表記のことですよ。
・よって、『2.43E-19』とは?
 2.43×1/(10の19乗)で、
 2.43×1/10000000000000000000となり、
 2.43×0.0000000000000000001だから、
 0.000000000000000000243という数値を意味します。

補足:
・E+数値は 10、100、1000 という大きい数を表します。
・E-数値は 0.1、0.01、0.001 という小さい数を表します。
・数学では『2.43×10』の次に、小さい数字で上に『19』と表示します。→http://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%8C%87%E6%95%B0%E8%A1%A8%E8%A8%98
・最後に『回帰分析』とは何?下の『参考URL』をどうぞ。→『数学』カテゴリで質問してみては?

参考URL:http://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%9B%9E%E5%B8%B0%E5%88%86%E6%9E%90

★回答
・最初に『回帰分析』をここで説明するのは少し大変なので『E』のみ説明します。
・回答者 No.1 ~ No.3 さんと同じく『指数表記』の『Exponent』ですよ。
・『指数』って分かりますか?
・10→1.0E+1(1.0×10の1乗)→×10倍
・100→1.0E+2(1.0×10の2乗)→×100倍
・1000→1.0E+3(1.0×10の3乗)→×1000倍
・0.1→1.0E-1(1.0×1/10の1乗)→×1/10倍→÷10
・0.01→1.0E-2(1.0×1/10の2乗)→×1/100倍→÷100
・0.001→1.0E-3(1.0×1/10の3乗)→×1/1000倍→÷1000
・になります。ようするに 10 を n 乗すると元の数字になるた...続きを読む


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