Räni

Allikas: Vikipeedia
Disambig gray.svg  See artikkel räägib keemilisest elemendist; Eesti küla kohta vaata artiklit Räni küla.

14




4
8
2
Si
28,086
Räni
räni

Räni on keemiline element, mille sümboliks on Si ja aatomnumbriks 14. Ta on neljavalentne mittemetall, mille reaktsioonivõime on väiksem kui mittemetallist süsinikul, mis asetseb perioodilisustabelis tema kohal, kuid ta on suurema reaktsioonivõimega kui poolmetallist germaanium, mis on perioodilisustabelis tema all.

Vaidlus räni nimetuse üle inglise keeles sai alguse tema avastamisega. Räni eraldati puhta vormina 1824. aastal ning talle pandi nimeks silicium (Ladina keelest: silicis, flints, ränikivi), kus –ium sõnalõpp viitab metallile. 1831. aastal otsustati nimetust muuta, et see näitaks seost temaga füüsikaliselt sarnaste keemiliste elementidega nagu süsinik (carbon) ja boor (boron). Massiprotsendi järgi on räni kaheksas kõige levinum element universumis, aga looduses esineb ta väga harva lihtainena. Teda võib leida ränioksiidi või silikaatide näol tolmu, liiva, planetoidide ja planeetide koostisosana. Üle 90% maakoorest koosneb räni mineraalidest, tõstes ta levimuse poolest maakoores teisele kohale (umbes 28 % maakoorest) pärast hapnikku.[1] Suurem osa ränist kasutatakse kaubanduses ilma suurema töötluseta. Savi, kvartsliiva ja –kivi kasutatakse vahetult ehitusmaterjalidena. Kvartsliiv on samuti keraamiliste telliste koostisosa. Silikaati lisatakse portlanditsementi, mis omakorda kombineeritakse kvartsliiva ja kruusaga, et valmistada betooni. Silikaate leidub veel portselanis ja klaasides. Kaasaegsed räni ühendid nagu ränikarbiidid moodustavad abrasiivseid ja ülitugevaid keraamilisi aineid. Laialtlevinud sünteetilisi räni polümeere nimetatakse silikoonideks.

Räni lihtainena avaldab suurt mõju tänapäeva maailma majandusele. Suurem osa sellest kasutatakse terase rafineerimisel, alumiiniumi valamisel ja kõrgkvaliteetses keemiatööstuses (tihti kuumutatud ränioksiidi valmistamiseks). Suuremat tähtsust omab siiski väike hulk räni, mida kasutatakse pooljuhtidena elektroonikas (<10%), arvuti süsteemides ning teistes laialtlevinud tehnoloogiates.

Kuigi loomadel eluks vajalik räni kogus on kaduvväike, on ta siiski bioloogias väga oluline element. Näiteks mitmed meres elavad käsnloomad vajavad seda oma struktuuri ehitamiseks ning samuti on tal suur tähtsus taimede metabolismis. Taimedest leidub räni rohkem kõrreliste vartes, lisaks on teda ka ainuraksete kodades, sulgedes ja villas.

Omadused[muuda | redigeeri lähteteksti]

Füüsikalised omadused[muuda | redigeeri lähteteksti]

Ränile iseloomulik teemantiga sarnane kristallstruktuur

Räni on toatemperatuuril tahke, suhteliselt kõrge sulamis- ja keemistemperatuuriga (vastavalt 1400 ja 2800 kraadi Celsiust) keemiline element. Räni tihedus on vedelas olekus suurem, kui tahkes olekus. Seetõttu ei tõmbu räni külma käes kokku, nagu enamik aineid, vaid selle ruumala hoopis suureneb. Selline olukord on sarnane olukorraga, kus vesi külmunud olekus on hõredam ja omab väiksemat massi ruumalaühiku kohta kui näiteks toatemperatuuril olev vedeliku vormis vesi. Räni suhteliselt kõrge soojusjuhtivuse (149 W/m•K) tulemusena juhib räni hästi soojust ning ei ole seetõttu sobiv isolatsioonimaterjal.

Lihtainena on räni halli värvi ja metallilise läikega kristalne aine. Ta on üpriski tugev, väga habras ja kergesti mõranev nagu ka tema analoog germaanium. Süsinikule ja germaaniumile sarnaselt moodustuvad räni kristalliseerumisel teemandile sarnased kristallstruktuurid, kus võre laius on ligikaudu 0,5430710 nm (5,430710 Å). Nagu ka süsinikul, on ränil valentskihis neli elektroni. 1s ja 2s alakihid on täidetud ning 2p alakihis, kuhu mahuks kokku mahuks kuus, on vaid kaks elektroni.[2]

Andmed[muuda | redigeeri lähteteksti]

Keemilised omadused[muuda | redigeeri lähteteksti]

Räni on pooljuht, mis tähendab, et ta on võimeline kergesti kas loovutama või jagama oma elektronkatte välimise kihi nelja elektroni. Selline elektronkatte väliskihi ehitus võimaldab ränil sobivate tingimuste olemasolul moodustada erinevaid keemilisi sidemeid ja -ühendeid. Kuigi räni on näiliselt sarnane ühe teise, suhteliselt inertse elemendi, süsinikuga (millel on samuti neli vaba elektroni keemiliste sidemete moodustamiseks) on räni omapäraks see, et räni on võimeline reageerima halogeenide- ja lahjendatud leelistega, olles samas immuunne enamik hapete suhtes (välja arvatud teatud hüperaktiivsed segud lämmastikhappest ning vesinikfloriidhappest). Madalal temperatuuril on räni keemiliselt passiivne mittemetall. Toatemperatuuril reageerib räni ainult fluoriga. Leelisega reageerimisel tekivad silikaadid ja eraldub vesinik. Kõrgematel temperatuuridel reageerib ta hapnikuga (→SiO2), halogeenidega (→SiHal4), väävliga (→SiS2), lämmastikuga (→Si3N4), fosforiga (→SiP), arseeniga (→As2Si ja AsSi), süsinikuga (→SiC) ja enamik metallidega (→silitsiidid).

Isotoobid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Stabiilseid isotoope on 3, massiarvudega 28, 29 ja 30.

Lihtaine saamine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Räni saadakse puhta kvartsliiva ja söe (teise nimena koksi) segu kuumutamisel kaarleekahjus, kus temperatuur on ligikaudu 1800°C :

                                             SiO2 + 2C → Si + 2CO 

Pärast happetöötlust saadakse kuni 99,9%-lise ränisisaldusega produkt, kuid tihti ei ole see piisavalt puhas. Sellisel juhul viiakse räni üle halogeniidiks SiCl4 või SiHCl3, mis puhastatakse erinevate meetoditega ning redukseeritakse ülipuhta vesinikuga 1200 -1300°C juures.

                                             SiHCl3 + H2 → Si + 3HCl

Ülalpool kirjeldatud on kõige levinumad meetodid, kuid neid leidub veel teisigi.

Ühendid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Räni moodustab paljude metallidega binaarseid ühendeid, mida nimetatakse silitsiidideks ning mille omadused varieeruvad suuresti. Nagu näiteks hea reaktsioonivõimega magneesiumsilikaat (Mg2Si) või molübteendisilikaat (MoSi2), mis on kõrge sulamistemperatuuriga tulekindel ühend.

Ränikarbiid (SiC) on kõva, kõrge sulamistemperatuuriga tahke aine ning samuti laialdaselt tuntud abrasiiv. Kuumpressimisega on võimalik muuta see ülitugevaks keraamiliseks aineks, mida kasutatakse lahinguvarustuses.

Silaan (SiH4) on pürofoorne gaas, millel on sarnane tetraeedriline molekulkuju nagu metaanil (CH4). Puhta gaasi korral ei toimu reaktsiooni veega ega lahjendatud hapetega, kuid isegi väike kogus leeliselisi lisandeid kutsub esile tormilise hüdrolüüsi. Silaanide korral on homogeensete ahelate ehk ränivesinike (SinH2n+2, kus n = 2–8) tekkimine võimalik analoogselt alkaanidele. Kuid nad on väga kiiresti hüdrolüüsuvad ning ebastabiilsed, eriti suurema molekulmassiga ühendid.[3] Disilaanides on kahe räni vahel kaksikside (analoogselt alkeenidele) ning suure reageerimisvõime tõttu on neis ühendites stabiliseerimiseks vaja suuri asendusrühmi. Aastal 2004 eraldati ka disilaan, kus ränide vahel leiti olevat kolmikside, kuid kuna ühend ei ole lineaarne, siis ei saanud neid võrrelda alküünidega.[4]

Räni ühendid halogeenidega nimetatakse ränihalogeniidideks (SiX4). Näiteks ränitetrakloriid reageerib veega, mida tema analoog süsinik tertrakloriid ei tee. Dihalogeene, mis on äärmiselt reageerimisaldid, valmistatakse halogeeni ja räni vahelisel reaktsioonil kõrgel temperatuuril. Ränidifloriid kondenseerimisel saadakse polümeer (SiF2)n.

Ränidioksiid on kõrge sulamistemperatuuriga tahke aine, millel on mitmeid erinevaid kristallstruktuure. Tähtsaimad teisendid on kvarts, kristobaliit ja tridümiit. Neist kuulsaim on kvarts. Kvartsi kristallis on iga räni aatom ümbritsetud nelja hapniku aatomiga, mis on sillaks järgmise räni aatomini, moodustades kolmemõõtelise võre. Oksiid on kõrgel temperatuuril vees lahustuv, kus ta muundub ortoränihapeteks Si(OH)4.

Sobivatel tingimustel võib ortoränihape kergesti polümeriseeruda, moodustades veel keerulisemaid ränihappeid. Lihtsaimaks saaduseks võimalikest reaktsioonidest on kondensatsioonist tekkinud diränihape (H6Si2O7). Keerulisemad on aga polüränihapped, mida tähistatakse {Six(OH)4–2x}n, mille puhul on palju erinevaid struktuure ja omadusi.

Teiste elementide oksiidide ning ränidioksiidi vahelistel reaktsioonidel kõrgel temperatuuridel on võimalik valmistada mitmesuguseid erinevate omadustega klaase. Näiteks kvartsklaasi, boorsilikaatklaasi ja kristallist klaasi.

Biotoime[muuda | redigeeri lähteteksti]

Räni esineb vähesel määral taimsetes ja loomsetes organismides. Loomades esinevad räniühendid neerukoes, pankreases, luudes, ja hammastes jm. Räni leidub sellistes kudedes, millel on toestav ja tugevdav funktsioon, nagu näiteks kõõlused, hambaemail nahk jm. Inimorganismi vananemisel ränisisaldus väheneb. Kuigi räni täpne bioloogiline toime ei ole teada, arvatakse, et inimene vajab seda ööpäevas umber 10 mg. Räni funktsiooni loomorganismides seostatakse glükoosaminoglükaanide ja nende valgukompleksidega, milles Si on oluline struktuurielement. Räniühendite üleküllus keskkonnas, eriti tolmuna, põhjustab aga raskeid haigusi nagu silikoos ja asbestoos.

Vaata ka[muuda | redigeeri lähteteksti]

Viited[muuda | redigeeri lähteteksti]

  1. Abundances of the Elements in the Earth's Crust Nave, R., Georgia State University
  2. O'Mara, William C. (1990). Handbook of Semiconductor Silicon Technology. William Andrew Inc., 349–352. ISBN 0815512376. Vaadatud 2008-02-24. 
  3. Holleman, Arnold F. (2007). Lehrbuch der anorganischen Chemie, 102, de Gruyter. ISBN 3110177706. 
  4. F. G. Stone, Robert West, Multiply Bonded Main Group Metals and Metalloids, Academic Press, 1996, ISBN 0120311399 p. 255

Kasutatud kirjandus[muuda | redigeeri lähteteksti]

  • Hergi Karik, Kalle Truus. 2003. "Elementide keemia"

Välislingid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Keemiliste elementide perioodilisussüsteem
Metallid Poolmetallid Väärisgaasid Mittemetallid Leelismetallid Leelismuldmetallid Lantanoidid Aktinoidid
Vesinik - Boor - Süsinik - Lämmastik - Hapnik - Fluor - Räni - Fosfor - Väävel - Kloor - Seleen - Broom - Jood