Räni ja selle ühendid. Räni looduses. Räni pealekandmine

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

Räni on tehnoloogias ja tööstuses üks nõutumaid elemente. See võlgneb selle oma ebatavalistele omadustele. Tänapäeval on sellest elemendist palju erinevaid ühendeid, mis mängivad olulist rolli tehniliste toodete, nõude, klaasi, seadmete, ehitus- ja viimistlusmaterjalide, ehete ja muude tööstusharude sünteesil ja loomisel.

Räni üldised omadused

Kui arvestada räni asukohta perioodilises süsteemis, võime öelda järgmist:

1. Asub põhialagrupi IV rühmas.
2. Järjearv 14.
3. Aatommass 28, 086.
4. Keemiline sümbol Si.
5. Nimi – räni või ladina keeles – silicium.
6. Väliskihi 4e:2e:8e elektrooniline konfiguratsioon.

Räni kristallvõre on sarnane teemandi omaga. Aatomid paiknevad sõlmedes, selle tüüp on näokeskne kuup. Pikema sideme pikkuse tõttu on räni füüsikalised omadused aga väga erinevad süsiniku allotroopse modifikatsiooni omadest.

Füüsikalised ja keemilised omadused

Seal on kaksselle elemendi allotroopsed modifikatsioonid: amorfsed ja kristalsed. Nad on väga sarnased. Kuid nagu ka teiste ainete puhul, on nende peamine erinevus räni kristallvõres.

Sel juhul on mõlemad modifikatsioonid erinevat värvi pulbrid.

1. Kristalliline räni on tumehall läikiv metallitaoline pulber. Selle struktuur vastab teemandile, kuid omadused on erinevad. Tal on:

• haprus;
• madal kõvadus;
• pooljuhtide omadused;
• sulamistemperatuur 1415⁰C;
• 2,33g/cm³;
• keemistemperatuur 2700⁰C.

Selle keemiline aktiivsus on võrreldes muu allotroopse vormiga madal.

2. Amorfne räni – pruunikaspruun pulber, millel on väga korrastamata teemandi struktuur. Keemiline aktiivsus on üsna kõrge.

Üldiselt tuleb märkida, et ränile ei meeldi reageerida. Selle reageerimiseks vajate temperatuuri vähem alt 400-500⁰C. Nendes tingimustes moodustuvad räni mitmesugused keemilised ühendid. Näiteks:

• oksiidid;
• haliidid;
• silitsiidid;
• nitriidid;
• boriidid;
• karbiidid.

Räni võimalik interaktsioon lämmastikhappe või leelisega, mida nimetatakse söövitusprotsessiks. Räniorgaanilised ühendid on lai alt levinud ja muutuvad tänapäeval üha tavalisemaks.

Looduses viibimine

Räni leidub looduses üsna märkimisväärses koguses. See on levimuse poolest hapniku järel teisel kohal. Selle massiosa on umbes 30%. Ka merevesi sisaldab seda elementi ligikaudse kontsentratsiooniga 3 mg/l. Seetõttu ei saa öelda, et räni on looduses haruldane element.

Vastupidi, on palju erinevaid kivimeid ja mineraale, milles see esineb ja millest seda saab kaevandada. Kõige levinumad looduslikud räniühendid on järgmised:

1. Ränidioksiid. Keemiline valem on SiO₂. Sellel põhinevate mineraalide ja kivimite vorme on üsna palju: liiv, tulekivi, päevakivi, kvarts, mäekristall, ametüst, k altsedon, karneool, opaal, jaspis jt.
2. Silikaadid ja alumosilikaadid. Kaoliin, sparsid, vilgukivi, ränihappe soolad, asbest, talk.

Seega on räni looduses lai alt levinud ning selle ühendid on inimeste seas populaarsed ja nõutud tehniliste rakenduste jaoks.

Räni ja selle ühendid

Kuna kõnealune element ei saa puhtal kujul eksisteerida, on selle erinevad ühendid olulised. Keemilisest seisukohast võib sellel olla kolm oksüdatsiooniastet: +2, +4, -4. Sellest tulenev alt, aga ka oma inertsusest, kuid erilise kristallvõre struktuuri poolest, moodustab see järgmisi põhitüüpe aineid:

• binaarsed ühendid mittemetallidega (silaan, karbiid, nitriid, fosfiid ja nii edasi);
• oksiidid;
• ränihape;
• metallisilikaadid.

Vaatleme lähem alt räni ja selle ühendite tähtsust, mis on inimeste jaoks kõige levinumad ja nõutumad.

Ränioksiidid

Seda ainet on kahte sorti, mis on väljendatud valemitega:

• SiO;
• SiO₂.

Kõige levinum on aga dioksiid. Looduses esineb see väga ilusate poolvääriskivide kujul:

• agate;
• k altsedoon;
• opaal;
• karneool;
• jaspis;
• ametüst;
• rhinestone.

Räni kasutamine sellisel kujul on leidnud oma rakenduse ehete valmistamisel. Nendest pool- ja poolvääriskividest valmivad uskumatult kaunid kullast ja hõbedast ehted.

Veel mõned ränidioksiidi variatsioonid:

• kvarts;
• jõgi ja kvartsliiv;
• kivi;
• päevakivi.

Seda tüüpi räni kasutatakse ehitustöödel, inseneritöös, raadioelektroonikas, keemiatööstuses ja metallurgias. Loetletud oksiidid kuuluvad üheskoos ühele ainele – ränidioksiidile.

Ränikarbiid ja selle rakendused

Räni ja selle ühendid on tuleviku ja oleviku materjalid. Üks neist materjalidest on karborund või selle elemendi karbiid. SiC keemiline valem. Esineb looduslikult mineraalina moissaniit.

Süsiniku ja räni ühend on puhtal kujul ilusläbipaistvad kristallid, mis meenutavad teemantstruktuure. Tehnilistel eesmärkidel kasutatakse aga rohelist ja musta värvi aineid.

Selle aine peamised omadused, mis võimaldavad seda kasutada metallurgias, masinaehituses ja keemiatööstuses, on järgmised:

• laia vahega pooljuht;
• väga tugev (7 Mohsi skaalal);
• kõrgele temperatuurile vastupidav;
• suurepärane elektritakistus ja soojusjuhtivus.

See kõik võimaldab kasutada karborundi abrasiivse materjalina metallurgias ja keemilises sünteesis. Ja ka selle alusel toota laia spektriga LED-e, klaasisulatusahjude osi, otsikuid, taskulampe, ehteid (moissaniiti hinnatakse rohkem kui tsirkooniumoksiidi).

Silan ja selle tähendus

Räni vesinikühendit nimetatakse silaaniks ja seda ei saa saada lähteainetest otsese sünteesi teel. Selle saamiseks kasutatakse erinevate metallide silitsiide, mida töödeldakse hapetega. Selle tulemusena eraldub gaasiline silaan ja moodustub metallisool.

Huvitaval kombel ei teki kõnealust seost kunagi üksi. Alati saadakse reaktsiooni tulemusena mono-, di- ja trisilaani segu, milles räni aatomid on omavahel ahelatena seotud.

Oma omadustelt on need ühendid tugevad redutseerijad. Samal ajal oksüdeeruvad nad ise kergesti hapniku toimel, mõnikord plahvatusega. Halogeenide puhul on reaktsioonid alati ägedad ja suure emissioonigaenergiat.

Siaanide kasutusalad on järgmised:

1. Orgaanilise sünteesi reaktsioonid, mille tulemusena tekivad olulised räniorgaanilised ühendid – silikoonid, kummid, hermeetikud, määrdeained, emulsioonid ja muud.
2. Mikroelektroonika (LCD-kuvarid, integreeritud tehnilised vooluringid jne).
3. Ülipuhta polüräni saamine.
4. Hambaravi proteesimisega.

Seega on silaanide tähtsus tänapäeva maailmas suur.

Ränihape ja silikaadid

Kõnealuse elemendi hüdroksiid on erinevad ränihapped. Esiletõstmine:

• meta;
• orto;
• polüränihape ja muud happed.

Neid kõiki ühendavad ühised omadused – äärmine ebastabiilsus vabas olekus. Need lagunevad kergesti temperatuuri mõjul. Tavatingimustes ei eksisteeri neid kaua, muutudes esm alt sooliks ja seejärel geeliks. Pärast kuivatamist nimetatakse selliseid struktuure silikageelideks. Neid kasutatakse filtrites adsorbentidena.

Tööstuse seisukoh alt on olulised ränihapete soolad – silikaadid. Need on selliste ainete tootmise aluseks nagu:

• klaas;
• betoon;
• tsement;
• tseoliit;
• kaoliin;
• portselan;
• faience;
• kristall;
• keraamika.

Leelismetalli silikaadid lahustuvad, kõik teised mitte. Seetõttu nimetatakse naatrium- ja kaaliumsilikaati vedelaks klaasiks. Tavaline kontoriliim - see on naatriumränihappesool.

Aga kõige huvitavamad ühendid on ikkagi prillid. Ükskõik kui palju selle aine variante nad välja mõtlesid! Täna saavad nad värvilisi, optilisi, matte valikuid. Klaasnõud on silmatorkavad oma hiilguse ja mitmekesisuse poolest. Segule teatud metallide ja mittemetallide oksiidide lisamisega saab toota väga erinevaid klaasitüüpe. Mõnikord põhjustab isegi sama koostis, kuid erinev komponentide protsent aine omaduste erinevust. Näiteks portselan ja fajanss, mille valem on SiO₂AL₂O₃ K 2_O.

Kvartsklaas on väga puhta toote vorm, mille koostist kirjeldatakse ränidioksiidina.

Avastused räniühendites

Viimaste aastate uurimistööga on tõestatud, et räni ja selle ühendid on elusorganismide normaalses seisundis kõige olulisemad osalised. Selle elemendi puudumise või liigusega võivad tekkida sellised haigused nagu:

• vähk;
• tuberkuloos;
• artriit;
• katarakt;
• pidalitõbi;
• düsenteeria;
• reuma;
• hepatiit ja teised.

Vananemisprotsess ise on samuti seotud räni kvantitatiivse sisaldusega. Arvukad katsed imetajatega on tõestanud, et elemendi puudumisel tekivad infarktid, insultid, vähk ja aktiveerub hepatiidiviirus.