二酸化ケイ素 二酸化ケイ素の試料
物質名 識別情報 ECHA InfoCard 100.028.678 E番号 E551(pH調整剤、固化防止剤) KEGG 性質 SiO2 モル質量 60.1 g/mol 外観 白色の粉末 密度 2.648 (α-石英), 2.196 (アモルファス) g·cm−3 [ 3] 融点 1,713 °C (3,115 °F; 1,986 K) アモルファス[ 3] (p4.88) 沸点 2,950 °C (5,340 °F; 3,220 K)[ 3] 0.012 g/100 mL ( °C) 磁化率 −29.6·10−6 cm3 /mol 熱伝導率 12 (|| c-axis), 6.8 (⊥ c-axis), 1.4 (am.) W/(m⋅K)[ 3] (p12.213) 屈折率 (n D )1.544 (o ), 1.553 (e)[ 3] (p4.143) 危険性 NFPA 704 NIOSH TWA 20 mppcf (80 mg/m3 /%SiO2 ) (amorphous)[ 4] TWA 6 mg/m3 (アモルファス)[ 4] 3 [ 5] 3000 mg/m3 (アモルファス)[ 4] 3 (クリストバライト, 鱗珪石); 50 mg/m3 (石英)][ 5] 特記無き場合、データは
標準状態 (25 °C [77 °F], 100 kPa) におけるものである。
二酸化ケイ素 （にさんかけいそ、英語 :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 （英語 :silica [ 6] 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。代表的なシリカ鉱物は石英 （英語 :quartz 圧力 、温度 の条件等の違いにより多様な結晶相（結晶多形 ）が生成され、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 以外では植物 (イネ・スギナ・サトウキビなど) にも含有され、生体内にも微量ながら含まれている。
二酸化ケイ素は石英 などの鉱物に代表される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 (アモルファス ) 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おり、圧力や温度などの生成条件の違いにより様々な形（結晶多形）をとる。
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。
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[ 7] [ 8] α–石英 (573℃) →β–石英 (870℃) →β–トリディマイト (1470℃) →β–クリストバライト (1705℃) → 溶解 β–石英は高純度であればβ–トリディマイトを経由せずにβ–クリストバライトに直接相転移 する[ 9] 実際にはβ–石英を870℃以上に加熱しても、通常トリディマイトやクリストバライトに変化せず、準安定状態 を保ったまま最終的に融解する[ 10] 活性化エネルギー が高いためである[ 注 1] 上記の理由で工業的にもβ–石英の融解温度は転移温度以上に設定するが、融点未満とすることが多い (例：1550℃)。これは工業原料は粘土 やアルカリといった不純物が含まれており、これらが石英の融解を補助するためである。 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。 500℃から800℃、2～3 GPa 以上になるとコーサイト [ 11] [ 12] スティショバイト [ 13] いずれも常温・常圧下では準安定状態 で、隕石 のクレーター から発見されている[ 14] [ 15] コーサイトの生成条件は地球の深度70 km以下に相当し、実際に深部まで潜った岩石が上昇してきた超高圧変成岩 で見つかっている[ 16] [ 17] マントル 遷移層から下部マントル程度の高圧条件下ではスティショバイト 構造が安定だと考えられている[ 18] [ 19] [ 20] ザイフェルト石 （英語版 ） 実験室以外では、月隕石 か火星隕石 でのみ見つかっている (地球への隕石では大気による減速で、ほとんど40 GPaに至らない)[ 21] [ 22] 自然界ではケイ素 は多くの場合シリカとして存在し、最も一般的に見られるのは石英である。また、砂 の主成分であり、ガラス の原料となる珪砂 や珪石 もシリカからなる[ 23] 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[要出典 。
天然水や水道水にも含まれており、含有量は湧水や地下水は多く、雨の混じるダム水や河川水は少ない傾向にある。また、水の味にも影響し含有量が多いほうが美味しくないと感じる傾向にある[ 24]
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[ 25]
食品からの摂取が困難なことから、体内のシリカ濃度は年齢を重ねると減少していく。
体内のシリカ濃度は、30代になると生まれた時に比べ半分以下になることから、シリカが加齢に関わっていると考えられている[ 26]
SiO2 の結晶構造[ 27] 相 結晶対称性ピアソン記号 ,group No. 密度, ρ3 注釈 構造 α-石英 三方晶系 1 21 No.152[ 28] 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β-石英 六方晶系 2 22, No. 180[ 29] 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 直方晶系 ・単斜晶系 [ 10] 1 , No.20[ 30] 2.265 常圧下で準安定状態 β-トリディマイト 六方晶系3 /mmc, No. 194[ 30] α-トリディマイトと相互に速やかに変態する α-クリストバライト 正方晶系 1 21 2, No. 92[ 31] 2.334 常圧下で準安定状態 β-クリストバライト 立方晶系 3 m, No.227[ 32] α-クリストバライトと相互に速やかに変態する キータイト （英語版 ） 正方晶系1 21 2, No. 92[ 33] 3.011 Si5 O10 , Si4 O14 , Si8 O16 環 モガン石 単斜晶系[ 34] Si4 O8 とSi6 O12 の環コーサイト 単斜晶系[ 35] 2.911 Si4 O8 とSi8 O16 環スティショバイト 正方晶系2 /mnm, No.136[ 36] 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 ザイフェルト石 （英語版 ） 直方晶系[ 37] 4.294 シリカの多形体のうち最も密度の高いものの一つ[ 38] メラノフログ石 （英語版 ） 立方晶系2 32, No.208)[ 39] 2 /nbc)[ 40] 2.04 Si5 O10 ,Si6 O12 環包摂化合物 [ 41] キセノン ）fibrous[ 42] 直方晶系[ 43] 1.97 硫化ケイ素 の様な鎖状英 :2D silica [ 44] 六方晶系 シート状の2次元構造
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 (H2 SiF6 )を生ずる。
SiO 2 + 4 HF ( gas ) ⟶ SiF 4 + 2 H 2 O {\displaystyle {\ce {SiO2 + 4HF(gas) -> SiF4 + 2H2O}}} SiO 2 + 6 HF ( aq ) ⟶ H 2 SiF 6 + 2 H 2 O {\displaystyle {\ce {SiO2 + 6HF(aq) -> H2SiF6 + 2H2O}}} 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 (Na2 SiO3 )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。
SiO 2 + 2 NaOH ⟶ Na 2 SiO 3 + H 2 O {\displaystyle {\ce {SiO2 + 2NaOH -> Na2SiO3 + H2O}}} 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 [ 45] 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[ 46] 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[ 47]
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 （英語版 ） ポゾラン （英語版 ） 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：SiO 2 + 2 C ⟶ Si + 2 CO {\displaystyle {\ce {{SiO2}+ 2C -> {Si}+ 2CO}}} [ 48] [ 49]
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 などの濾過 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[ 50]
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が、高濃度を長期摂取した場合は有害性が示唆されている[ 51] [ 52] ケイ酸 など水溶性の化合物として食物から吸収される。
ケイ素は必須元素 ではなくヒトを含め多くの動物の体内には殆ど蓄積しないがラットや鳥など一部の動物には必要とされ体内に蓄積される[ 53] [ 54] [ 55] [ 56]
二酸化ケイ素の持つ多孔質や吸着能力などを利用して、濾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。こうした濾過助剤としての二酸化ケイ素は不溶性であるため濾過過程で除去される。
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[ 57] [ 58]
成熟した砂漠の砂にも多く含まれる。
日本国内で年間200万トン以上、世界では年間1億トン以上が排出されているが、これまで未利用資源として産業廃棄物として処理されていた現状がある。最近では、SDGsの観点・グリーンケミストリーの流れから、植物で最も多くシリカを含有する籾殻より効率的にシリカを抽出し、バイオ燃料・LED・サプリメント原料・スキンケア原料・ヘアケア原料として活用する研究もなされている。
鉱物由来に代表される結晶質シリカは、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[ 59] ホークス・ネストトンネル災害 が挙げられる。石英とは別の結晶多形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[ 60] [ 61] [ 62] [ 注 2]
シリカは体に有害な影響を及ぼすことがあり慢性腎臓病（CKD）など引き起こすことが示唆されている。摂取量として100mg/L以上を長期的に摂取した場合、シリカの酸化ストレスにより持続的DNA損傷により細胞死(MTTアッセイ)を誘発する、一方で80mg/L以下では体の細胞内毒素クリアランス（除去）機能により除去されたことで毒性が予防される[ 51] [ 52]
低濃度では人体へ有害な影響は無いと考えられ、2004年に欧州食品安全機関（EFSA）において、食品から摂取されるケイ素化合物（二酸化ケイ素及びケイ酸塩 類）について、人に対して有害影響を及ぼさない上限値は算定できないとしつつも、ケイ素換算で一日1人（60 kg 体重）当たり20～50 mgの摂取ならばヒトに対して有害影響を示さないと結論付けている[ 52] [ 63] [ 64]
非晶質シリカの発がん性については発がん性に関する実験動物などヒトへの影響に関する証拠が不十分として、発がん性を分類できない「グループ3」に分類されている[ 61] [ 65]
非晶質シリカは人工的に合成されるケースが多いが、自然界由来であっても植物に含まれるシリカは非晶質である。
^ いずれの結晶もSiO4 四面体が酸素原子を共有して3次元ネットワーク構造を形成しているが、その連結方法が結晶多形ごとに異なり、構造の組み替えが容易に起こらない ^ 例えば、鉱石などの大きな結晶を素手で触れることは問題にはならない。 ^ 国際化学物質安全性カード 二酸化ケイ素 ICSC番号:0808 (日本語版) 国立医薬品食品衛生研究所 , https://chemicalsafety.ilo.org/dyn/icsc/showcard.display?p_card_id=0808&p_version=2&p_lang=ja ^a b c “シリカ(結晶質、非晶質を包含した二酸化ケイ素) ”. 職場の安全サイト . 厚生労働省 (2016年3月). 2018年2月20日閲覧。 ^a b c d e f Haynes, William M., ed (2011). CRC Handbook of Chemistry and Physics CRC Press . ISBN 1439855110 ^a b c NIOSH Pocket Guide to Chemical Hazards 0552 ^a b NIOSH Pocket Guide to Chemical Hazards 0682 ^ 文部省 編『学術用語集 海洋学編』日本学術振興会 、1981年。ISBN 4-8181-8154-4 。http://sciterm.nii.ac.jp/cgi-bin/reference.cgi 。 ^ 熱とエネルギーを科学する 171pISBN 4501419008 ^ 鈴木隆夫、荒堀忠久、「ケイ石耐火物におけるトリジマイトからクリストバライトへの転移に及ぼすAl2 O3 の影響 」『窯業協會誌』 89巻 (1981) 1036号 p.637-642,doi :10.2109/jcersj1950.89.1036_637 ^ Heaney, Peter J. (01 1994). “Structure and chemistry of the low-pressure silica polymorphs” . 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