Räni: kasutusala, keemilised ja füüsikalised omadused

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2023-12-17 05:24

Üks looduses levinumaid elemente on räni ehk räni. Selline lai levik räägib selle aine tähtsusest ja tähtsusest. Sellest said kiiresti aru ja võtsid omaks inimesed, kes õppisid räni oma eesmärkidel õigesti kasutama. Selle rakendus põhineb eriomadustel, millest räägime hiljem.

Räni on keemiline element

Kui iseloomustame antud elementi perioodilise süsteemi positsiooni järgi, saame tuvastada järgmised olulised punktid:

1. Järjearv – 14.
2. Periood on kolmas väike.
3. Rühm – IV.
4. Alarühm – põhi.
5. Välise elektronkihi struktuur on väljendatud valemiga 3s²3p².
6. Elementi räni tähistatakse keemilise sümboliga Si, mida hääldatakse "räni".
7. Sellel ilmnevad oksüdatsiooniastmed: -4; +2; +4.
8. Aatomi valents on IV.
9. Räni aatommass on 28,086.
10. Looduses on selle elemendi kolm stabiilset isotoopi massinumbritega 28, 29 ja 30.

Nii siis aatomKeemilisest vaatenurgast on räni hästi uuritud element, paljusid selle erinevaid omadusi on kirjeldatud.

Avastuste ajalugu

Kuna just vaadeldava elemendi erinevad ühendid on looduses väga populaarsed ja massiliselt sisaldusega, kasutasid ja teadsid inimesed iidsetest aegadest vaid paljude nende omadusi. Puhas räni jäi keemias pikka aega väljaspool inimteadmisi.

Iidsete kultuuride rahvaste (egiptlaste, roomlaste, hiinlaste, venelaste, pärslaste jt) populaarseimad ühendid, mida igapäevaelus ja tööstuses kasutasid, olid ränioksiidil põhinevad vääris- ja dekoratiivkivid. Nende hulka kuuluvad:

• opaal;
• rhinestone;
• topaz;
• krüsopraas;
• onüks;
• k altsedoon ja teised.

Samuti on iidsetest aegadest olnud tavaks ehituses kasutada kvartsi ja kvartsliiva. Elementaarne räni ise jäi aga avastamata kuni 19. sajandini, kuigi paljud teadlased püüdsid seda tulutult isoleerida erinevatest ühenditest, kasutades selleks katalüsaatoreid, kõrgeid temperatuure ja isegi elektrivoolu. Need on helged pead nagu:

• Karl Scheele;
• Gay-Lussac;
• Tenar;
• Humphry Davy;
• Antoine Lavoisier.

Jens Jacobs Berzeliusel õnnestus 1823. aastal eduk alt saada puhast räni. Selleks viis ta läbi ränifluoriidi ja metallilise kaaliumi aurude liitmise katse. Selle tulemusena sai ta kõnealuse elemendi amorfse modifikatsiooni. Sama teadlane pakkus avastatud aatomile välja ladinakeelse nime.

Veidi hiljem, 1855. aastal, õnnestus teisel teadlasel – Saint Clair-Deville’il – sünteesida veel üks allotroopne sort – kristalne räni. Sellest ajast alates hakkasid teadmised selle elemendi ja selle omaduste kohta väga kiiresti kasvama. Inimesed mõistsid, et sellel on ainulaadsed omadused, mida saab väga aruk alt kasutada nende enda vajaduste rahuldamiseks. Seetõttu on tänapäeval elektroonikas ja tehnoloogias üks nõutumaid elemente räni. Selle kasutamine ainult laiendab selle piire igal aastal.

Aatomile venekeelse nime andis teadlane Hess 1831. aastal. See on jäänud tänaseni.

Looduses sisalduv

Räni on hapniku järel looduses suuruselt teine. Selle protsent võrreldes teiste aatomitega maakoore koostises on 29,5%. Lisaks on süsinik ja räni kaks erilist elementi, mis võivad üksteisega ühendades ahelaid moodustada. Seetõttu on viimaste kohta teada enam kui 400 erinevat looduslikku mineraali, milles see sisaldub litosfääris, hüdrosfääris ja biomassis.

Kus täpselt räni leitakse?

1. Mulla sügavates kihtides.
2. Kivimites, ladestudes ja massiivides.
3. Veekogude põhjas, eriti meredes ja ookeanides.
4. Loomariigi taimedes ja mereelus.
5. Inimestel ja maismaaloomadel.

Võimalik on nimetada mitmeid levinumaid mineraale ja kivimeid, mis sisaldavad suures kogusesräni. Nende keemia on selline, et puhta elemendi massisisaldus neis ulatub 75% -ni. Konkreetne näitaja sõltub aga materjali tüübist. Niisiis, räni sisaldavad kivimid ja mineraalid:

• päevakivi;
• vilgukivi;
• amfiboolid;
• opaalid;
• k altsedoon;
• silikaadid;
• liivakivid;
• alumosilikaadid;
• savi ja muud.

Mereloomade kestadesse ja välisskelettidesse kogunev räni moodustab lõpuks veekogude põhjas võimsaid ränidioksiidi ladestusi. See on üks selle elemendi looduslikest allikatest.

Lisaks leiti, et räni võib eksisteerida puhtal looduslikul kujul – kristallidena. Kuid sellised hoiused on väga haruldased.

Räni füüsikalised omadused

Kui iseloomustada vaadeldavat elementi füüsikaliste ja keemiliste omaduste kogumiga, siis kõigepe alt tuleks ära näidata füüsikalised parameetrid. Siin on mõned olulisemad:

1. Esineb kahe allotroopse modifikatsioonina – amorfse ja kristallilise, mis erinevad kõigi omaduste poolest.
2. Kristallvõre on väga sarnane teemandi omaga, sest süsinik ja räni on selles osas peaaegu samad. Aatomite vaheline kaugus on aga erinev (räni on rohkem), seega on teemant palju kõvem ja tugevam. Võre tüüp – kuupkujuline näokeskne.
3. Aine on väga rabe, muutub kõrgel temperatuuril plastiliseks.
4. Sulamistemperatuur on 1415˚C.
5. Temperatuurkeemistemperatuur - 3250˚С.
6. Aine tihedus - 2,33 g/cm³.
7. Ühenduse värvus on hõbehall, iseloomuliku metallilise läikega.
8. Omab häid pooljuhtomadusi, mis võivad teatud ainete lisamisel muutuda.
9. Vees, orgaanilistes lahustites ja hapetes lahustumatu.
10. Eriliselt leelistes lahustuv.

Räni määratud füüsikalised omadused võimaldavad inimestel seda kontrollida ja kasutada seda erinevate toodete loomiseks. Näiteks puhta räni kasutamine elektroonikas põhineb pooljuhtivuse omadustel.

Keemilised omadused

Räni keemilised omadused sõltuvad suuresti reaktsioonitingimustest. Kui me räägime puhtast ainest standardparameetrite juures, siis peame määrama väga madala aktiivsuse. Nii kristalne kui ka amorfne räni on väga inertsed. Ärge suhtlege tugevate oksüdeerivate ainetega (va fluor) ega tugevate redutseerivate ainetega.

Selle põhjuseks on asjaolu, et aine pinnale moodustub koheselt oksiidkile SiO₂, mis takistab edasisi koostoimeid. See võib tekkida vee, õhu, aurude mõjul.

Kui muudate standardtingimusi ja soojendate räni temperatuurini üle 400˚С, suureneb selle keemiline aktiivsus oluliselt. Sel juhul reageerib see järgmiselt:

• hapnik;
• igasugused halogeenid;
• vesinik.

Temperatuuri edasise tõusuga on toodete moodustumine võimalikinteraktsioon boori, lämmastiku ja süsinikuga. Eriti oluline on karborund – SiC, kuna see on hea abrasiivne materjal.

Samuti on räni keemilised omadused selgelt näha reaktsioonides metallidega. Nendega seoses on see oksüdeeriv aine, seetõttu nimetatakse tooteid silitsiidideks. Sarnased ühendid on tuntud:

• leeliseline;
• leelismuld;
• siirdemetallid.

Ebatavalistel omadustel on ühend, mis saadakse raua ja räni sulatamisel. Seda nimetatakse ferrosilikoonkeraamikaks ja seda on eduk alt kasutatud tööstuses.

Räni ei interakteeru keeruliste ainetega, seetõttu lahustub see kõigist nende sortidest ainult:

• kuninglik viin (lämmastik- ja vesinikkloriidhappe segu);
• leelised.

Sellisel juhul peaks lahuse temperatuur olema vähem alt 60˚С. Kõik see kinnitab veel kord aine füüsikalist alust – teemanditaolist stabiilset kristallvõre, mis annab sellele tugevuse ja inertsuse.

Saamismeetodid

Puhta räni hankimine on majanduslikult üsna kulukas protsess. Lisaks annab mis tahes meetod oma omaduste tõttu ainult 90-99% puhtust, samas kui metallide ja süsiniku kujul esinevad lisandid jäävad samaks. Nii et ainult aine hankimisest ei piisa. Samuti tuleks see kvalitatiivselt puhastada võõrkehadest.

Üldiselt toimub räni tootmine peamiselt kahel viisil:

1. Valgest liivastmis on puhas ränioksiid SiO₂. Kui seda k altsineeritakse aktiivsete metallidega (kõige sagedamini magneesiumiga), moodustub vaba element amorfse modifikatsiooni kujul. Selle meetodi puhtus on kõrge, saadus saadakse 99,9% saagisega.
2. Tööstuslikus mastaabis laialdasem alt levinud meetod on sulaliiva paagutamine koksiga spetsiaalsetes termoahjudes. Selle meetodi töötas välja vene teadlane Beketov N. N.

Edasine töötlemine seisneb toodete allutamises puhastusmeetoditele. Selleks kasutatakse happeid või halogeene (kloor, fluor).

Amorfne räni

Räni iseloomustus on puudulik, kui me ei käsitle selle allotroopseid modifikatsioone eraldi. Esimene neist on amorfne. Selles olekus on aine, mida me kaalume, pruunikaspruuni peeneks hajutatud pulbrina. Sellel on kõrge hügroskoopsus, kuumutamisel on sellel piisav alt kõrge keemiline aktiivsus. Standardtingimustes saab see suhelda ainult tugevaima oksüdeeriva ainega – fluoriga.

Ei ole täiesti õige nimetada amorfset räni mitmesuguseks kristalliliseks räniks. Selle võre näitab, et see aine on vaid peeneks hajutatud räni vorm, mis eksisteerib kristallidena. Seetõttu on need modifikatsioonid samasugused.

Nende omadused on aga erinevad, seetõttu on kombeks rääkida allotroopiast. Iseenesest on amorfsel ränilkõrge valguse neeldumisvõime. Lisaks on teatud tingimustel see indikaator mitu korda kõrgem kui kristallilise vormi näitaja. Seetõttu kasutatakse seda tehnilistel eesmärkidel. Vaadeldaval kujul (pulbrina) kantakse segu kergesti igale pinnale, olgu see siis plastik või klaas. Seetõttu on nii mugav kasutada just amorfset räni. Rakendus põhineb erineva suurusega päikesepaneelide valmistamisel.

Kuigi seda tüüpi akude kulumine on üsna kiire, mis on seotud aine õhukese kihi hõõrdumisega, siis kasutus ja nõudlus ainult kasvavad. Tõepoolest, isegi lühikese kasutusea jooksul on amorfsel ränil põhinevad päikesepatareid võimelised varustama energiat tervetele ettevõtetele. Lisaks on sellise aine tootmine jäätmevaba, mis teeb selle väga ökonoomseks.

Saage see modifikatsioon, redutseerides ühendeid aktiivsete metallidega, nagu naatrium või magneesium.

Kristallräni

Kõnealuse elemendi hõbehall läikiv modifikatsioon. Just see vorm on kõige levinum ja kõige nõudlikum. Selle põhjuseks on selle aine kvalitatiivsed omadused.

Kristallvõrega räni omadused hõlmavad selle tüüpide klassifikatsiooni, kuna neid on mitu:

1. Elektrooniline kvaliteet – puhtaim ja kõrgeim kvaliteet. Just seda tüüpi kasutatakse elektroonikas eriti tundlike seadmete loomiseks.
2. Päikeseline kvaliteet. Nimi isemäärab kasutusala. Samuti on tegemist ülipuhta räniga, mille kasutamine on vajalik kvaliteetsete ja kauakestvate päikesepatareide loomiseks. Kristallilise struktuuri alusel loodud fotogalvaanilised muundurid on kvaliteetsemad ja vastupidavamad kui need, mis on loodud amorfse modifikatsiooni abil, sadestades erinevat tüüpi substraatidele.
3. Tehniline räni. See sort hõlmab neid aine proove, mis sisaldavad umbes 98% puhast elementi. Kõik muu läheb mitmesuguste lisanditega:

• boor;
• alumiinium;
• kloor;
• süsinik;
• fosfor ja teised.

Kõnealuse aine viimast sorti kasutatakse räni polükristallide saamiseks. Selleks viiakse läbi ümberkristallimisprotsessid. Selle tulemusel saadakse puhtuse osas tooteid, mida saab omistada päikese- ja elektroonikakvaliteedi rühmadele.

Polüräni on oma olemuselt vaheprodukt amorfse ja kristalse modifikatsiooni vahel. Selle valikuga on lihtsam töötada, seda on parem taaskasutada ning fluori ja klooriga puhastada.

Saadud tooteid saab liigitada järgmiselt:

• multiilicon;
• monokristalliline;
• profileeritud kristallid;
• ränijäägid;
• tehniline räni;
• tootmisjäätmed ainekildude ja -jääkide kujul.

Igaüks neist leiab rakendust tööstuses ja seda kasutatakseinimene täielikult. Seetõttu peetakse räni kasutavaid tootmisprotsesse jäätmevabaks. See vähendab oluliselt selle majanduskulusid, ilma kvaliteeti mõjutamata.

Puhta räni kasutamine

Räni tootmine tööstuses on üsna hästi välja kujunenud ja selle ulatus on üsna mahukas. See on tingitud asjaolust, et see element, nii puhas kui ka erinevate ühendite kujul, on lai alt levinud ja nõutud erinevates teaduse ja tehnika valdkondades.

Kus kasutatakse puhast kristallilist ja amorfset räni?

1. Metallurgias legeeriva lisandina, mis on võimeline muutma metallide ja nende sulamite omadusi. Seega kasutatakse seda terase ja raua sulatamisel.
2. Puhtama versiooni valmistamiseks kasutatakse erinevat tüüpi aineid – polüräni.
3. Räni ühendid orgaaniliste ainetega – see on terve keemiatööstus, mis on tänapäeval erilise populaarsuse saavutanud. Silikoonmaterjale kasutatakse meditsiinis, nõude, tööriistade ja palju muu valmistamisel.
4. Erinevate päikesepaneelide tootmine. See energia hankimise viis on tulevikus üks paljutõotavamaid. Keskkonnasõbralik, kuluefektiivne ja vastupidav – sellise elektritootmise peamised eelised.
5. Räni on tulemasinates kasutatud väga pikka aega. Juba iidsetel aegadel kasutati tulekiviga tule süütamisel sädemeid. See põhimõte on erinevate tulemasinate tootmise aluseks. Tänapäeval on liike, millestulekivi asendatakse kindla koostisega sulamiga, mis annab veelgi kiirema tulemuse (sädemete tekke).
6. Elektroonika ja päikeseenergia.
7. Gaasilaserseadmete peeglite tootmine.

Seega on puhtal ränil palju kasulikke ja erilisi omadusi, mis võimaldavad seda kasutada oluliste ja vajalike toodete loomiseks.

Räniühendite kasutamine

Lihtainele lisaks kasutatakse ka erinevaid räniühendeid ja seda väga laialdaselt. Seal on terve tööstusharu, mida nimetatakse silikaadiks. Just tema põhineb erinevate ainete kasutamisel, mis sisaldavad seda hämmastavat elementi. Mis need ühendid on ja mida need toodavad?

1. Kvarts ehk jõeliiv – SiO₂. Seda kasutatakse ehitus- ja dekoratiivmaterjalide (nt tsemendi ja klaasi) valmistamiseks. Kus neid materjale kasutatakse, teavad kõik. Ükski konstruktsioon pole täielik ilma nende komponentideta, mis kinnitab räniühendite tähtsust.
2. Silikaatkeraamika, mis hõlmab selliseid materjale nagu fajanss, portselan, tellis ja nende baasil valmistatud tooted. Neid komponente kasutatakse meditsiinis, nõude, dekoratiivkaunistuste, majapidamistarvete valmistamisel, ehituses ja muudes inimtegevusega seotud majapidamisvaldkondades.
3. Silikooniühendid – silikoonid, silikageelid, silikoonõlid.
4. Silikaatliim – kasutatakse kirjatarvetena, pürotehnikas ja ehituses.

Räni, mille hind on maailmaturul erinev, kuid ei ristuül alt alla Vene Föderatsiooni mark 100 rubla kilogrammi kohta (kristalli kohta) on nõutud ja väärtuslik aine. Loomulikult on selle elemendi ühendid samuti lai alt levinud ja kasutatavad.

Räni bioloogiline roll

Keha jaoks olulise tähtsuse seisukoh alt on räni oluline. Selle sisu ja jaotus kudedes on järgmine:

• 0, 002% – lihaseline;
• 0, 000017% – luu;
• veri – 3,9 mg/l.

Iga päev peaks sisse sattuma umbes üks gramm räni, muidu hakkavad haigused arenema. Nende hulgas pole ühtegi surmavat, kuid pikaajaline räni nälg põhjustab:

• juuste väljalangemine;
• akne ja vistrike ilmumine;
• luude haprus ja haprus;
• lihtne kapillaaride läbilaskvus;
• väsimus ja peavalud;
• arvukate verevalumite ja verevalumite ilmnemine.

Taimede jaoks on räni oluline normaalseks kasvuks ja arenguks vajalik mikroelement. Loomkatsed on näidanud, et inimesed, kes tarbivad igapäevaselt piisav alt räni, kasvavad kõige paremini.