Räni: omadused, omadused ja rakendused

Sõltumatu keemilise elemendina sai räni inimkonnale teada alles 1825. aastal. Mis muidugi ei takistanud räniühendite kasutamist nii paljudes sfäärides, et lihtsam on loetleda need, kus elementi ei kasutata. See artikkel tutvustab räni ja selle ühendite füüsikalisi, mehaanilisi ja kasulikke keemilisi omadusi, rakendusi, räägime ka sellest, kuidas räni mõjutab terase ja muude metallide omadusi.

Mis on räni?

Kõigepealt käsitleme räni üldisi omadusi. 27,6–29,5% maapõue massist on räni. Merevees on ka elemendi kontsentratsioon märkimisväärne - kuni 3 mg / l.

Levinumuse järgi litosfääris võtab räni hapniku järel au teisele kohale. Selle kuulsaim vorm - ränidioksiid on aga dioksiid ja just selle omadused said sellise laialdase kasutamise aluseks.

Räni kohta räägib see video:

Mõiste ja omadused

Räni on mittemetall, kuid erinevatel tingimustel võivad sellel olla nii happelised kui ka aluselised omadused. See on tüüpiline pooljuht ja seda kasutatakse elektrotehnikas eriti laialt. Selle füüsikalised ja keemilised omadused määrab suures osas allotroopne olek. Kõige sagedamini käsitlevad nad kristalset vormi, kuna selle omadused on rahvamajanduses nõudlikumad.

  • Räni on inimkeha üks põhilisi makrotoitaineid. Selle puudumine on kahjulik luukoe, juuste, naha, küünte seisundile. Lisaks mõjutab räni immuunsussüsteemi tööd..
  • Meditsiinis leidis element või õigemini selle ühendid esmaklassilise kasutamise selles kvaliteedis. Räniga tehtud kaevude vesi polnud mitte ainult puhas, vaid avaldas positiivset mõju ka nakkushaiguste vastupanuvõimele. Tänapäeval kasutatakse räniühendit tuberkuloosi, ateroskleroosi, artriidi vastaste ravimite alusena.
  • Üldiselt on mittemetall passiivne, kuid puhtal kujul on seda keeruline täita. Selle põhjuseks on asjaolu, et õhus passeerub see kiiresti dioksiidikihiga ja lakkab reageerimast. Kuumutamisel suureneb keemiline aktiivsus. Selle tulemusel tunneb inimkond palju paremini aine ühendeid, mitte iseennast..

Mittemetall paigutatakse D. I. Mendelejevi tabelisse 6. rühmas koos süsiniku, germaaniumi ja tinaga, mis näitab nende ainetega teatud üldist. Seega on see süsinikuga "seotud" võimega moodustada orgaanilisi tüüpi ühendeid. Sel juhul võib räni, nagu germaanium, avaldada mõnes keemilises reaktsioonis metalli omadusi, mida kasutatakse sünteesimisel.

Eelised ja puudused

Nagu kõigil muudel ainetel rahvamajanduse rakenduse seisukohast, on räni teatud kasulikke või mitte väga häid omadusi. Need on olulised täpselt kasutusala määratlemisel..

  • Aine märkimisväärne eelis on selle kättesaadavus. Tõsi, see pole looduses vabas vormis, kuid sellegipoolest pole räni tootmistehnoloogia nii keeruline, ehkki see on energiakulu.
  • Teine kõige olulisem eelis on paljude ebaharilikult kasulike omadustega ühendite moodustumine. Need on silaanid, silitsiidid ja dioksiid ning muidugi mitmesugused silikaadid. Räni ja selle ühendite võime moodustada keerulisi tahkeid lahuseid on peaaegu lõputu, mis võimaldab teil lõputult vastu võtta mitmesuguseid klaasi, kivi ja keraamika variatsioone.
  • Mittemetallide pooljuhtide omadused annavad talle alusmaterjali koha elektri- ja raadiotehnikas.
  • Mittemetall on mittetoksiline, mida saab kasutada igas tööstuses, ja samas ei muuda see protsessi potentsiaalselt ohtlikuks.

Materjali puudused hõlmavad ainult hea kõvadusega suhtelist rabedust. Räni ei kasutata kandekonstruktsioonides, kuid see kombinatsioon võimaldab teil kristallide pinda korralikult töödelda, mis on oluline mõõteriistade jaoks.

Räägime räni põhiomadustest..

Omadused ja omadused

Kuna kristallilist räni kasutatakse tööstuses kõige sagedamini, on olulisemad just selle omadused ja need on toodud tehnilistes kirjeldustes. Aine füüsikalised omadused on järgmised:

  • sulamistemperatuur - 1417 ° C;
  • keemistemperatuur - 2600 C;
  • tihedus on 2,33 g / cu. vaata, osutades haprust;
  • soojusmahtuvus ja soojusjuhtivus ei ole püsivad isegi kõige puhtamatel proovidel: 800 J / (kg · K) ehk 0,191 kal / (g °) ja 84–126 W / (m · K) ehk 0,20–0, Vastavalt 30 cal / (cm · sec · linn);
  • läbipaistev pikalaine infrapunakiirguse jaoks, mida kasutatakse infrapunaoptikas;
  • dielektriline konstant - 1,17;
  • Mohsi kõvadus - 7.

Mittemetallide elektrilised omadused sõltuvad suuresti lisanditest. Tööstuses kasutatakse seda funktsiooni soovitud tüüpi pooljuhtide moduleerimisel. Räni on normaalsel temperatuuril rabe, kuid üle 800 ° C kuumutamisel on plastiline deformatsioon võimalik.

Räni struktuuri ja keemilist koostist ning räni omadusi käsitletakse allolevas videos:

Koosseis ja struktuur

Räni on kahes allotroopses vormis, mis on normaaltemperatuuril võrdselt stabiilsed.

  • Kristallil on tumehalli pulber. Aine, kuigi sellel on rombikujuline kristallvõre, on aatomite vahelise liiga pika sideme tõttu habras. Huvipakkuvad on selle pooljuhtide omadused..
  • Väga kõrge rõhu korral võib saada kuusnurkse modifikatsiooni tihedusega 2,55 g / cu. vaata Kuid seda praktilise tähtsusega etappi pole veel leitud.
  • Amorfne - pruunikaspruun pulber. Erinevalt kristalsest vormist reageerib see palju aktiivsemalt. Selle põhjuseks pole mitte niivõrd esimese vormi inertsus, vaid see, et õhus on aine kaetud dioksiidikihiga.

Lisaks on vaja arvestada teist tüüpi klassifikatsiooni, mis on seotud räni kristalli suurusega, mis koos moodustavad aine. Nagu teate, soovitab kristallvõre mitte ainult aatomite, vaid ka nende aatomite moodustatavate struktuuride järjestamist - nn pikamaajärjestust. Mida suurem see on, seda homogeensemad on aine omadused..

  • Monokristalliline - proov on üksikristall. Selle struktuur on võimalikult sujuv, selle omadused on homogeensed ja hästi ennustatavad. Just selline materjal on elektrotehnika valdkonnas kõige nõudlikum. Kuid see kuulub kõige kallimate liikide hulka, kuna selle saamise protsess on keeruline ja kasvukiirus on madal.
  • Mitmekristalliline - proov sisaldab mitmeid suuri kristalseid teri. Nendevahelised piirid moodustavad täiendavaid defektseid tasemeid, mis vähendab näidise toimimist pooljuhina ja viib kiirema kulumiseni. Mitmekristalli kasvatamise tehnoloogia on lihtsam, kuna materjal on odavam.
  • Polükristalliline - koosneb suurest arvust teradest, mis paiknevad juhuslikult üksteise suhtes. See on puhtaim tööstusliku räni sort, mida kasutatakse mikroelektroonikas ja päikeseenergias. Üsna sageli kasutatakse seda mitme- ja ühekristallide kasvatamisel.
  • Selles klassifikatsioonis omab ka amorfset räni. Siin hoitakse aatomite paigutust ainult kõige lühematel vahemaadel. Kuid elektrotehnikas kasutatakse seda endiselt õhukeste kilede kujul.

Järgmisena räägime teile räni tootmise toorainetest, kaevandamise kahjulikkusest, selle valmistamise tehnoloogiast globaalses mastaabis ja Venemaal.

Mittemetallide tootmine

Puhta räni saamine ei ole nii lihtne, arvestades selle ühendite inertsust ja enamiku nende kõrget sulamistemperatuuri. Tööstuses kasutavad nad kõige sagedamini süsiniku vähendamist dioksiidist. Reaktsioon viiakse läbi kaarehjudes temperatuuril 1800 C. Nii saadakse mittemetall puhtusega 99,9%, mis pole selle kasutamiseks piisav.

Saadud materjal klooritakse kloriidide ja vesinikkloriidide saamiseks. Seejärel puhastatakse ühendid lisanditest kõigi võimalike meetoditega ja redutseeritakse vesinikuga.

Ainet on võimalik puhastada ka magneesiumsilitsiidi saamisega. Silitsiid puutub kokku soolhappe või äädikhappega. Saadakse silaan ja viimast puhastatakse mitmesugustel meetoditel - sorptsioon, destilleerimine jne. Seejärel laguneb silaan vesiniks ja räni temperatuuril 1000 C. Sel juhul saadakse aine lisandite osakaaluga 10 -8 -10 -6%..

Ainete kasutamine

Tööstuse jaoks pakuvad kõige suuremat huvi mittemetallide elektrofüüsikalised omadused. Selle ühe kristalli vorm on kaudne pooljuht. Selle omadused määravad lisandid, mis võimaldavad saada soovitud omadustega räni kristalle. Boori, alumiiniumi ja indiumi lisamine võimaldab kasvatada aukude juhtivusega kristalle ja fosfori või arseeni lisamist - elektroonilise juhtivusega kristalli..

  • Räni selle sõna otseses tähenduses on kaasaegse elektrotehnika alus. Sellest valmistatakse transistorid, fotoelemendid, integraallülitused, dioodid jne. Pealegi määrab instrumendi funktsionaalsus peaaegu alati ainult kristalli pinnakihi, mis põhjustab pinnatöötlusele väga konkreetseid nõudeid.
  • Metallurgias kasutatakse tehnilist räni nii sulami modifikaatorina - see annab suurema tugevuse, näiteks näiteks pronkside komponendina ja malmi tootmisel deoksüdeerijana.
  • Ülimalt puhas ja rafineeritud metallurgia on päikeseenergia alus.
  • Mittemetallidioksiidi leidub looduses väga erinevates vormides. Selle kristalsed sordid - opaal, ahhaat, karneool, ametüst, mäekristall on leidnud oma koha ehetes. Modifikatsioonid, mis pole välimuselt nii atraktiivsed - ränikivi, liiv, kvarts, kasutatakse metallurgias, ehituses ja raadioelektroonikas.
  • Mittemetallide ühendamine süsinikkarbiidiga on kasutatav metallurias, mõõteriistades ja keemiatööstuses. See on laia piluga pooljuht, mida iseloomustab kõrge kõvadus - 7 Mohsi skaalal - ja tugevus, mis võimaldab seda kasutada abrasiivmaterjalina.
  • Silikaadid - see tähendab ränihappe soolad. Ebastabiilne, temperatuuri mõjul kergesti lagunev. Nende tähelepanuväärsus on see, et nad moodustavad arvukalt ja mitmekesiseid sooli. Viimased on aga klaasi, keraamika, fajansi, kristalli, tsemendi ja betooni tootmise aluseks. Võib kindlalt öelda, et tänapäevane ehitus põhineb mitmesugustel silikaatidel.
  • Klaas esindab siin kõige huvitavamat juhtumit. See põhineb alumiinisilikaatidel, kuid teiste ainete ebaolulised lisandid - tavaliselt oksiidid - annavad materjalile palju erinevaid omadusi, sealhulgas värvi. Keraamika - klinker, fajanss, portselan - tegelikult on sama valem, ehkki erinev komponentide suhe, ja ka selle mitmekesisus on hämmastav.
  • Mittemetallil on veel üks võime: see moodustab räniaatomite pika ahela kujul süsinikuühendid. Selliseid ühendeid nimetatakse ränorgaanilisteks. Nende rakendusala pole vähem teada - need on silikoonid, hermeetikud, määrdeained ja nii edasi.

Räni on väga levinud element ja sellel on väga suur tähtsus väga paljudes rahvamajanduse valdkondades. Pealegi ei kasutata aktiivselt mitte ainult ainet ennast, vaid kõiki selle erinevaid ja arvukaid ühendeid.

See video räägib räni omadustest ja kasutamisest:

Räni (Si)

Räniühendid:

Puhtal kujul eraldati räni esmakordselt 1811. aastal (prantslased J. L. Gay-Lussac ja L. J. Tenard). Puhas elementaaräni saadi 1825. aastal (rootslane J. Ya. Berzelius). Keemiline element sai oma nime "räni" (tõlgitud vanakreeka keelest - mägi) 1834. aastal (vene keemik G. I. Hess).

Räni on kõige levinum (hapniku järel) keemiline element Maal (maapõue sisaldus on 28–29 massiprotsenti). Looduses leidub räni kõige sagedamini ränidioksiidi (liiv, kvarts, tulekivi, vildid), aga ka silikaatide ja alumiinumsilikaatide kujul. Puhtal kujul on räni äärmiselt haruldane. Paljud looduslikud silikaadid on puhtal kujul vääriskivid: smaragd, topaas, akvamarid - see kõik on räni. Puhast kristalset ränioksiidi (IV) leidub mäekristalli ja kvartsina. Ränidioksiid, milles esinevad erinevad lisandid, moodustab vääris- ja poolvääriskivid - ametüst, ahhaat, jaspis.


Joon. Räniaatomi struktuur.

Räni elektrooniline konfiguratsioon on 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 (vt. Aatomite elektrooniline struktuur). Välistel energiatasanditel on räni 4 elektroni: 2 on paaris 3s alltasemel + 2 paarimata p-orbitaalides. Räniaatomi üleminekul ergastatud olekusse "elektron" s-alamtasandist "lahkub" oma paarist ja suundub p-alamtasandisse, kus on üks vaba orbitaal. Seega on ergastatud olekus räni aatomi elektrooniline konfiguratsioon järgmisel kujul: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 3.


Joon. Räniaatomi üleminek ergastatud olekusse.

Seega võib ühendite räni valents olla 4 (kõige sagedamini) või 2 (vt. Valentsus). Räni (nagu süsinik) moodustab teiste elementidega reageerides keemilisi sidemeid, milles ta saab nii oma elektrone anda kui ka neid vastu võtta, kuid elektronide vastuvõtmise võime räni aatomitest on nõrgem kui süsiniku aatomitel. suurem räni aatom.

Räni oksüdatsiooni olek:

  • -4: SiH4 (silaan), Ca2Si, Mg2Si (metallisilikaadid);
  • +4 - kõige stabiilsem: SiO2 (räni oksiid), H2SiO3 (ränihape), silikaadid ja ränihalogeniidid;
  • 0: Si (lihtne aine)

Räni kui lihtne aine

Räni on tumehall kristalne aine, millel on metalliline läige. Kristalne räni on pooljuht.

Räni moodustab ainult ühe allotroopse modifikatsiooni, mis sarnaneb teemandiga, kuid pole nii tugev, kuna Si-Si sidemed pole nii tugevad kui teemandi süsiniku molekulis (vt. Teemant).

Amorfne räni-pruun pulber sulamistemperatuuriga 1420 ° C.

Kristalliline räni saadakse amorfsest räni ümberkristallimise teel. Erinevalt amorfsest ränist, mis on üsna aktiivne kemikaal, on kristalliline räni koostoimega teiste ainetega inertsem.

Ränikristallvõre struktuur kordab teemandi struktuuri - iga aatom on ümbritsetud nelja teise aatomiga, mis asuvad tetraeedri tippudes. Aatomid on üksteisega seotud kovalentsete sidemetega, mis ei ole nii tugevad kui teemandi süsinikusidemed. Sel põhjusel isegi n.o. Mõned kristallilise räni kovalentsed sidemed hävitatakse, mille tulemuseks on osa elektronide vabastamine, nii et räni elektrijuhtivus on madal. Räni kuumutamisel, valguse käes või teatud lisandite lisamisel, suureneb hävitatavate kovalentsete sidemete arv ja selle tulemusel suureneb vabade elektronide arv, seetõttu suureneb ka räni juhtivus..

Räni keemilised omadused

Sarnaselt süsinikule võib räni olla nii redutseeriv kui ka oksüdeeriv aine, sõltuvalt sellest, millise ainega ta reageerib..

Kell nu räni interakteerub ainult fluoriga, mida seletatakse piisavalt tugeva räni kristallvõrega.

Räni reageerib kloori ja broomiga temperatuuril üle 400 ° C.

Räni suhtleb süsiniku ja lämmastikuga ainult väga kõrgetel temperatuuridel..

  • Reaktsioonides mittemetallidega toimib räni redutseerijana:
    • mittemetallide normaaltingimustes reageerib räni ainult fluoriga, moodustades ränihalogeniidi:
      Si + 2F2 = SiF4
    • kõrgel temperatuuril reageerib räni kloori (400 ° C), hapniku (600 ° C), lämmastiku (1000 ° C), süsinikuga (2000 ° C):
      • Si + 2Cl2 = SiCl4 - ränihalogeniid;
      • Si + O2 = SiO2 - ränidioksiid;
      • 3Si + 2N2 = Si3N4 - räni nitriid;
      • Si + C = SiC - karborund (ränikarbiid)
  • Reaktsioonides metallidega on räni oksüdeeriv aine (salitsiidid moodustuvad:
    Si + 2Mg = Mg2Si
  • Reaktsioonides kontsentreeritud leeliselahustega reageerib räni vesiniku arenguga, moodustades lahustuvaid ränihappe sooli, mida nimetatakse silikaatideks:
    Si + 2NaOH + H2O = Na2SiO3 + 2H2
  • Räni ei reageeri hapetega (va HF).

Räni ettevalmistamine ja kasutamine

Räni tootmine:

  • laboris - ränidioksiidist (alumiraapia):
    3SiO2 + 4Al = 3Si + 2Al2O3
  • tööstuses - ränioksiidi redutseerimine koksiga (tehniliselt puhas räni) kõrgel temperatuuril:
    SiO2 + 2C = Si + 2CO
  • puhtaima räni saadakse räni tetrakloriidi redutseerimisel vesiniku (tsingi) abil kõrgel temperatuuril:
    SiCl4+2H2 = Si + 4HCl

Ränirakendus:

  • pooljuhtraadioelementide tootmine;
  • metallurgiliste lisanditena kuumakindlate ja happekindlate ühendite tootmisel;
  • päikesepatareide tootmisel;
  • vahelduvvoolu alalditena.

Kui teile sait meeldis, oleme tänulikud selle populariseerimise eest :) Rääkige oma sõpradele meie kohta foorumis, ajaveebis, kogukonnas. See on meie nupp:

Silicium mis see on

Räni avastas ja võttis vastu 1823. aastal Rootsi keemik Jens Jacob Berzelius.

Maapõue suuruselt teine ​​element hapniku järel (27,6% massist). Leitud ühendites.

Räniaatomi struktuur maapinnal

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2

Räniaatomi struktuur ergastatud olekus

1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 3

Oksüdatsiooniaste: +4, -4.

Amorfne ja kristalne räni on teada..

Kristalne - tumehalli aine, millel on metalliline läige, kõrge karedus, rabedus, pooljuht; ρ = 2,33 g / cm3, ° pl. = 1415 ° C; t ° kip. = 2680 ° C.

Sellel on rombikujuline struktuur ja see moodustab tugevad kovalentsed sidemed. Inerts.

Amorfne - pruun pulber, hügroskoopne, rombjasarnase struktuuriga, ρ = 2 g / cm 3, reaktsioonivõimelisem.

1) Tööstus - kivisöe kütmine liivaga:

2C + SiO2 t ˚ → Si + 2CO

Tüüpiline mittemetall, inertsed.

2) fluoriga (ilma kuumutamata)

Si 0 + C t = → Si +4 C

(SiC - karborund - tahke; kasutatakse punktide lihvimiseks ja lihvimiseks)

4) ei suhtle vesinikuga.

Silaan (SiH4) saadakse metallisilitsiidide lagundamisel happega:

See lahustub ainult lämmastik- ja vesinikfluoriidhapete segus:

6) leelistega (kuumutamisel):

7) metallidega (moodustuvad siliidid):

Si 0 + 2Mg t ˚ → Mg2Si -4

Räni kasutatakse elektroonikas laialdaselt pooljuhina. Räni lisandid sulamitele suurendavad nende korrosioonikindlust. Silikaadid, alumiinisilikaadid ja ränidioksiid - peamised toorained klaasi ja keraamika tootmisel, aga ka ehitustööstuses.
Räni tehnikas
Räni ja selle ühendite kasutamine

Füüsikalised omadused: Värvitu gaas, mürgine, t ° pl. = -185 ° C, t ° pall = -112 ° C.

Ränioksiidi (IV) kristallvõre on aatomiline ja sellel on järgmine struktuur:

Al2O3 • 2SiO2 • 2H2O - kaoliniit (põhiosa savist)

Füüsikalised omadused: tahke, kristalne, tulekindel aine, t ° pl = 1728 ° C, t ° bp = 2590 ° C

Happeoksiid. Sulamise ajal interakteerub see aluseliste oksiidide, leelistega, samuti leeliste ja leelismuldmetallide karbonaatidega:

1) aluseliste oksiididega:

5) vesinikfluoriidhappega:

(klaaside söövitusprotsessi aluseks olevad reaktsioonid).

1. Silikaattellise tootmine

2. Keraamiliste toodete tootmine

3. Klaasi tootmine

x = 1, y = 1 H2SiO3 - metasilicic acid

x = 1, y = 2 H4SiO4 - orto-ränihape jne..

Füüsikalised omadused: H2SiO3 - väga nõrk (nõrgem kui kivisüsi), habras, vees vähe lahustuv (moodustab kolloidse lahuse), puudub happeline maitse.

Tugevate hapete toime silikaatidele - Na2SiO3 + 2HCl → 2NaCl + H2SiO3

Laguneb kuumutamisel: H2SiO3 t ˚ → H2O + SiO2

Ränihappe soolad - silikaadid.

3) Looduslikes tingimustes mineraale moodustavad silikaadid hävivad vee ja süsinikmonooksiidi toimel (IV) - kivimite ilmastikutingimused:

Räniühendite kasutamine

Naturaalsed räniühendid - liiv (SiO2) ja silikaate kasutatakse keraamika, klaasi ja tsemendi tootmiseks.

Portselan = kaoliin + savi + kvarts + päevakivi. Portselani sünnikohaks on Hiina, kus portselani tuntakse juba 220 grammi. 1746. aastal asutati Venemaal portselani tootmine.

Fajanss - Itaalia linna Faenza nimest. Seal, kus 14. – 15. Sajandil arendati keraamilist käsitööd. Fajanss - erineb portselanist suure savisisalduse (85%), madalama kuumutamistemperatuuri poolest.

Klaas on habras, läbipaistev materjal, mis võib pehmeneda ja tahkestumisel võtta mis tahes kujul. Klaasi saadakse segu (liivast, soodast ja lubjakivist koosneva toorsegu) keetmisel spetsiaalsetes klaasisulatusahjudes.

Peamised reaktsioonid, mis toimuvad laengu sulamisel

Pliikoksiidi lisamine annab kristalli.

Tsement - peeneks jahvatatud klinker mineraalsete lisanditega.

Klinker - tumehalli värvi pallid saadakse savi ja lubjakivi paagutamisel spetsiaalsetes pöördahjudes

Räni väärtus inimkeha jaoks

Seda, et räni mängib inimkeha jaoks tohutut rolli, olles vajalik terviseelement, sain teada täiskasvanuks saades.

Selle elemendi puudumine mõjutab ainevahetusprotsesse, kahjustades inimese tervist, keha hakkab kiiresti vananema. Haigused moodustuvad üksteise järel, kasvades nagu lumepall.

Ränivaegus kehas mõjutab siseorganite ja süsteemide, veresoonte, luude, kõõluste, naha, mälu tööd - siin on teil varajases eas.

Isegi taimed, mille mullas on puudus, hakkavad haiget tegema ja kui mereveest seda ei piisa, peatub vetikate kasv.

See on tervise jaoks sama oluline keemiline element kui seleen, millest ma juba rääkisin. Loe siit ja siit..

Seal, kus looduses leidub räni?

Paljud meist on räni tuttavad juba lapsepõlvest või õigemini ühe selle ühendiga. Eriti populaarsed olid meie seas hallid silmapaistmatud veeris, millest me lõime tule süütamiseks sädeme..

Mineraal - tulekiviga, mis moodustub kriidiajal veealuse maailma taimede ja loomade jääkidest, milles leidub ränidioksiidi. Nagu mäletate, valmistasid inimesed kooliajaloost muinasajast sellest kivist tööriistu (näpunäiteid, kirvesid...)

Mis on räni?

Perioodilise tabeli keemiline element räni on nummerdatud 14. See on mittemetall, räni ladinakeelne nimetus on (Silicium) - Si.

Räni on looduses nii levinud, et see võtab hapniku järel teise koha ja moodustab 30%; hüdrosfääris, litosfääris ja biosfääris on umbes 400 mineraali. Merevees on suur osa sellest elemendist, kuni 3 mg. liitri vee kohta.

Tohutu arv selle elemendi erinevaid ühendeid, mida inimene kasutab seadmete, klaasi, dekoratsiooni- ja ehitusmaterjalide, ehete tootmiseks.

Räni on looduses kahe allotroopse modifikatsiooni vormis, nad on mõnevõrra sarnased, kuid erinevad ka kristallvõre struktuuri ja omaduste poolest, see on kristalne ja amorfne räni.

Kus leidub looduses

Puhtal kujul räni looduses ei esine, räniühendid sisaldavad kivimeid, mulda, merevett, taimi ja mereelu, maismaaloomi ja inimkeha.

Maa sooled ladustavad tohutul hulgal räni sisaldusega mineraale. Naturaalsete räniühendite kõige levinum vorm on ränidioksiid, silikaadid ja alumiinisilikaadid..

Silikooniühenditest on laialt levinud:

  • binaarsed ühendid mittemetallidega (silaan, karbiid, nitriid, fosfiid ja nii edasi), oleme silaanidega tuttavad, kui neid leidub igapäevaelus kummi, silikooni, määrdeainete, emulsioonide kujul;
  • oksiidid, dioksiidid (kaltsedoon ja ahhaat, ametüst ja jaspis, mäekristall ja opaal, kvarts ja kvartsliiv, vildid);
  • ränihape ja silikaadid (klaas, portselan, fajanss, tseoliit, tsement..);

Räni inimkeha jaoks

Räni kõige olulisemate omaduste hulgas, mis mõjutavad inimeste tervist, on:

  • kasulik mõju kaltsiumi imendumisele ja luude kasvule;
  • närvi- ja immuunsussüsteemi stimuleerimine;
  • metaboolne reguleerimine, stimuleerides enamike ensüümide, aminohapete ja hormoonide teket;
  • mõju kaltsiumi, magneesiumi, strontsiumi ja muude mikroelementide seeduvusele..

Räni bioloogiline roll keha jaoks on tohutu, kuna see sisaldab luu- ja lihaskudesid, see on kontsentreeritud kilpnäärmes ja neerupealistes, hüpofüüsis ja lümfisõlmedes, kuid kõige enam on seda inimese veres, kus selle kontsentratsioon ulatub 3,9 mg-ni ühe liitri vere kohta. Juuste, naha, küünte rakkudes on palju räni.

Räni inimkehas on kollageeni lahutamatu osa ja kollageen (valk) koos elastiiniga toetab sidekoe struktuuri, andes sellele elastsuse ja tugevuse, mis on kogu kehas olemas.

Lõppude lõpuks on nahk, kõhre, sidemed, kõik need on sidekoed. Kollageeni puudumise tõttu (mille normaalne olek sõltub räni olemasolust) kaotavad nad oma tugevuse ja elastsuse, mis viib lihaste ja naha longuseni, kortsude väljanägemiseni. Kõhre kannatab kollageeni puuduse all, tekib liigesepõletik.

Räni roll kehas

Miks veresoonte elastsus vanusega kaotab? Jah, ainult seetõttu, et sidekude asub veresoonte seintes, annab see neile elastsuse ja tugevuse.

Luukoe uuendamine ei toimi ka ilma ränita. Selles protsessis mängivad olulist rolli räni, kaltsium, strontsium ja fosfor..

Räni on peamine element, ilma milleta on häiritud magneesiumi ja fluori metaboolsed protsessid ning keha ei imendu üldse kaltsiumi ja strontsiumi.

Räni keha jaoks on omamoodi puhasti, selle osalusel neutraliseeritakse radionukliidid, raskmetallid ja kloor, seob viirused ja bakterid ning eemaldab need kehast.

Tema osalusel kehas toimub hormoonide, ensüümide ja aminohapete süntees, tema kohalolek on vajalik impulsside edastamiseks piki närvikiudu.

Ränivaeguse sümptomid

Selle keemilise elemendi puudumise tõttu moodustub räni nälg, mida väljendavad sellised erksad sümptomid:

  • juuste väljalangemine, haprus ja haprus,
  • akne ja akne välimus,
  • rabedad küüned ja rabedad luud (osteomalaatsia),
  • hambaemaili pehmendamine ja kustutamine,
  • kõhre ja liigese kulumine,
  • väsimus ja väsimus, peavalud, mälukaotus,
  • kapillaaride kerge läbilaskvus,
  • verevalumid ja verevalumid,
  • ateroskleroosi ja düsbioosi haiguste esinemine.

Teadlaste hiljutised uuringud seostavad südamehaiguste, tuberkuloosi, hepatiidi, hüpertensiooni, artriidi, katarakti arengut ränipuudusega inimkehas.

Räni puudus võib põhjustada suhkruhaigust, pahaloomuliste haiguste teket, kandidoosi arengut, muutusi närvisüsteemi töös (liikumise koordineerimine on häiritud, ilmneb nõrkustunne ja ärrituvus, tekib hirmutunne).

Nii et räni kontsentratsiooni vähenemisel veres 1,2% -ni on insuldi ja südameataki oht kuni 1,4% - see põhjustab diabeedi riski. Räni tasemel 1,6% aktiveerub hepatiidi viirus ja 1,3% juures - vähirakud.

Ja see juhtub seetõttu, et inimene eritub räni uriiniga kuni 9 g päevas ja seda täiendatakse toidu ja veega vaid 3 g.

Liigne räni inimkehas

Ka räni süstemaatiline üledoos ei ole ohutu. Liigne räni sisaldus inimkehas põhjustab kehas hälbeid, mis võivad avalduda ärrituvuses, kroonilises väsimuses ja depressioonis, alandades kehatemperatuuri. Liigne räni peegeldub juustes, aga ka nende puuduses: juuksed muutuvad hapraks ja kukuvad välja.

Selle keemilise elemendi suurenenud kontsentratsioon kehas võib provotseerida selliste haiguste esinemist nagu silikoos või kopsufibroos, neerukivide ja sapipõie moodustumine, podagra.

Räni norm inimkehas

Ränistandardeid ei ole teadlased täpselt määranud, endiselt käib arutelu ja arutelu. Mõnede aruannete kohaselt on inimese päevane ränivajadus vahemikus 5-50 g. See on selline ebamäärasus. Ilmselt on see tingitud asjaolust, et kui inimene on täiesti terve, vajab ta toiduga kehasse siseneva räni kogust.

Ja kui ta on haige näiteks haigustega nagu Alzheimeri tõbi, osteoporoos või kardiovaskulaarsed haigused, tuleks lisaks sellele mineraalainele võtta toidulisandeid.

Räni sisaldavad tooted

Räniühendeid leidus nii taimsetes kui ka loomsetes saadustes. On huvitav, et loomset päritolu toodete kasutamisel on neis sisalduva räni imendumine keeruline, kuid kiudaineid sisaldavad puu- ja köögiviljad võivad seda protsessi kiirendada.

Aeglustab imendumisprotsessi ja alumiiniumi olemasolu. Allolevas tabelis on toodud räni rikkad tooted:

Lisaks esitan teile loetelu sellest, millised tooted sisaldavad palju räni:

  • kirss ja aprikoosid,
  • õunad, ploomid, rosinad,
  • naeris ja peet, valge kapsas,
  • kurgid ja mais,
  • sibul, seller ja spinat,
  • küpsed tomatid ja kõrvits,
  • Maapirn ja oad,
  • salat ja pastinaak,
  • sinepileht ja mädarõigas,
  • päevalilleseemned ja kartulikoor.

Räniumi sisaldavad ravimtaimed

Räni leidub paljudes ravimtaimedes, millest saate teha infusioone ja dekokteineid, keeta teed ja oma keha selle elemendiga täiendada..

Räni leidub pikulnik- või iirisetaimedes, nõgesetes, põld-kortedes, jalanõudes, mägironijas ja kodulindudes, hapuoblikas.

Keha ei imendu toidust täielikult räni, osa sellest on kadunud. Parema imendumise tagamiseks tuleks köögivilju, puuvilju ja taimi kõige paremini süüa toorelt või kuumutada neid veidi kuumtöödelduna.

Kas räni saab kasutada vee puhastamiseks ja struktureerimiseks

Struktureeritud vee kohta olete ilmselt juba kuulnud. Lumehelbed võivad olla struktureeritud vee näitel, kui vesi külmub, joonistuvad selle molekulid erinevate veidrate kujunditega (ja ka õiged). Nagu madal temperatuur, klassikaline muusika, palve või lihtsalt lahked, võivad siirad sõnad muuta vee struktuuri. Ja selline vesi muutub tervendavaks.

Selgub, et vesi ja mõned looduslikud mineraalid on üles ehitatud. Ma juba kirjutasin neist ühe kohta, see on šungiitmineraal, räni muudab ka vee struktuuri.

Kuidas kasutada räniumi vee puhastamiseks

Selleks sobib tulekiviga kivi, nagu eespool mainitud. Kui kivi on sukeldatud vette, vabaneb mineraalist ränihape, mis muudab võluväel vee struktuuri. Iidsed orgaanilised jäägid, millest see kivi koosneb, toimivad biokatalüsaatoritena, mis suudavad kiirendada vees toimuvaid redoksreaktsioone.

Vesi tõepoolest paraneb, seda säilitatakse pikka aega ja see ei halvene, see on täielikult desinfitseeritud ja puhastatud. Nõudmisel settivad kõik vees leiduvad kahjulikud ained: radionukliidid, raskmetallid põhja. Vesi muutub mitte ainult tervendavaks, vaid ka maitsvaks, nagu allikavesi.

Kust osta räni vee puhastamiseks? Küsige tulekiviga apteekides või tervisepoodides. Selle mineraali ostsime Argolt.

Kuidas valmistada ränivett

Pärast omandamist tuleb mineraal pesta ja panna veega purgi põhja (10-15 g räni liitri vee kohta).Vesi infundeeritakse 2-3 päeva pimedas kohas. Seejärel tühjendage vesi ettevaatlikult, setteid loksutamata. Setteks on mustus ja kahjulikud ained, mis olid vees.

Kasutage joogiks vett, loputage veeris ja asetage puhastamiseks soolalahusesse, pärast mida saab neid uuesti kasutada. Kuid mineraal ei ole vastupidav, kui saabub aeg, mil ränihape tarbitakse täielikult sellest mineraalist ja see juhtub umbes kuue kuu pärast. Räni tuleb muuta.

Lugesin kuskilt, et suletud pakendis olevat ränivett võib säilitada kauem kui aasta ja see ei tohi halveneda.

Kuidas puhastada vett räni abil? Mitte iga veeris ei sobi vee puhastamiseks. Need kivid, mida võib leida jõe või veehoidla kallastelt, ei sobi vee struktureerimiseks, need on keskkonna saastatud. Te vajate maa soolest ekstraheeritud mineraali. Eksperdid soovitavad mineraale kasutada hallis või mustas värvitoonis. Parem on võtta väike kruus, et suurendada veega kokkupuuteala.

Antiikajal pandi räni kaevude põhja, puhastades vett ja muutes selle paranemiseks. Kui paned veeris akvaariumi, siis vesi selles ei õitse. Loe šungiidi vett.

Räni ja ränivee raviomadused

Aktiveeritud ja struktureeritud räniveel on aseptilised ja terapeutilised omadused. Teadlased on näidanud, et selline vesi hävitab haigetes kudedes kokalooma floora, võimendab keha immuunsust ning alandab vererõhku ja kolesterooli..

Vett soovitatakse seedesüsteemi põletikuliste haiguste, Urogenitaalsüsteemi, aneemia raviks. See aitab puhastada ja tugevdada veresooni, keha limaskesti, parandada vere koostist.

Ränivett kasutatakse profülaktikaks hingamisteede haiguste ennetamiseks, nakkuste ja põletike korral maetakse see ninasse, kõrvad asetatakse kalkunitele.

Vee kasutamine hoiab ära nakkus- ja viirushaigused (hepatiit ja düsenteeria). Vesi parandab neerufunktsiooni, ainevahetusprotsesse kehas.

Naha, küünte ja juuste seisund paraneb.

Tõenäoliselt olete märganud, et rasedatel naistel hävitatakse hambad sageli kaltsiumi puuduse tõttu (nagu arstid ütlevad). Tegelikult on rasedate kehas räni puudus. Pidage meeles ülaltoodud artiklist, ütlesin, et räni puuduse korral ei imendu kaltsium lihtsalt seetõttu, selle puudus ilmneb kehas.

Räni täiendamine lahendab selle probleemi täielikult. Räni- või veerikkad, tulekiviga töödeldud tooted on kasulikud. Võite juua kartulikoorist või kaerast valmistatud keetmist, mädarõika või kliide infusiooni, mis sisaldavad räni.

On iidne rahvapärane abinõu, mis soovitab räni puudumisel kehas pühkida nahka väikese lapse uriiniga. Kuna räni ei imendu organismis täielikult, eritub uriiniga 9 g räni päevas.

Võite nahka pühkida kartulikoori keetmisega.

Rabedate juuste ja lõhenenud otstega on võimalik kasutada ka ränirikkaid dekokte (nõges, hapuoblikas, pikulnik, mädarõigas, kuuseke...). Palju räni sisaldab sula lumevett, aga ka vihmavett. Seda mineraali leidub peaaegu kõigis mineraalvetes..

Meditsiinilistel eesmärkidel kasutage räni sisaldavaid vääris- ja poolvääriskive: jade, lapis lazuli, akvamariin, oniks, ametüst, mäekristall, karneool.

Luumurdudega. Jällegi määratakse inimesele kohe kaltsiumipreparaadid. Ja nad ei tea räniveest, räni rikastest dekoktidest ja infusioonidest ega unusta seda. Ja räni sisaldav kaltsium ei imendu kehasse.

Kuidas valmistada maitsetaimede keetmist?

Taimedest keetmise ettevalmistamisel on oluline eemaldada räni ja mitte hävitada vitamiine kuumutamise teel. Leidsin Šveitsi arsti-tervendaja Rudolf Broisi huvitava meetodi.

Näiteks kuidas teha neeruteed? Võetakse toores mädarõigas (15 g), mai nõges (10 g), oksapuu (8 g), naistepuna perforeeritud (6 g). Ühele inimesele mõeldud ravikuuri jaoks piisab ürtide segust. Esiteks nõutakse näputäis sellest kollektsioonist klaasi kuuma vett, et eraldada kõik ravimtaimedes sisalduvad vitamiinid ja mineraalid. Laske lahusel liguneda.

Pärast filtreerimist valatakse kasutatud ürtide segu uuesti 2 klaasi veega ja keedetakse 10 minutit. Selle keetmise abil ekstraheeritakse ravimtaimedest ränihape. Pärast filtreerimist segatakse infusioon ja puljong ning saadakse räni, mineraalide ja vitamiinide rikas tervendav vedelik.

Soovin teile head tervist, kallid lugejad!

Blogiartiklid kasutavad Internetis avatud allikatest pärit pilte. Kui näete oma autoriõiguse fotot järsku, teavitage sellest ajaveebi redigeerijat tagasiside vormi kaudu. Foto kustutatakse või lisatakse link teie ressursile. Tänan mõistmise eest!

Räni

Räni on keemiline element sümboliga Si ja aatomnumbriga 14. See on tahke ja habras kristalne aine, millel on sinakashall metalliline läige; see on tetravalentne metalloid ja pooljuht. See kuulub perioodilise tabeli 14. rühma: selle kohal on süsinik ja germaanium, selle all on tina ja plii. See on suhteliselt inertne. Suure hapniku keemilise afiinsuse tõttu suutis Jones Jacob Berzelius seda kõigest puhtal kujul valmistada ja iseloomustada alles 1823. aastal. Selle sulamis- ja keemistemperatuur on vastavalt 1414 ° C ja 3265 ° C. Need temperatuurid on metalloidide ja mittemetallide seas kõrgeimad kui teisel kohal boori suhtes. Räni on massi järgi kaheksas arvukuselt kõige raskem element, kuid seda leidub maapõues puhta elemendina väga harva. Kõige tavalisem on see tolmus, liivas, planeetoidides ja erinevates vormides ränidioksiidi (ränidioksiidi) või silikaatide kujul. Üle 90% maapõuest koosneb silikaatmineraalidest, räni on hapniku järel suuruselt teine ​​element maakoores (umbes 28% massist). Enamikku räni kasutatakse kaubanduslikult ilma eraldamiseta ja sageli looduslikku mineraali ei töödelda. Selliste kasutusalade hulka kuulub savi, ränidioksiidi liiva ja kivi abil kasutatav tööstuslik ehitamine. Räni kasutatakse portlandtsemendis tsemendilävede ja krohvide tootmiseks ning seda segatakse liiva ja kruusaga kõnniteede, hoonete ja teede ehitamiseks betooni valmistamiseks. Räni kasutatakse ka peenetes keraamikates, nagu portselan, ning traditsioonilises kvarts-sooda-lubjaklaasis ja paljudes teistes spetsiaalsetes klaasides. Räni segusid, näiteks räni karbiidi, kasutatakse abrasiivide ja ülitugeva keraamika komponentidena. Räni on laialdaselt kasutatavate sünteetiliste polümeeride, mida nimetatakse silikoonideks, alus. Ränil on suur mõju ka tänapäevasele globaalsele majandusele. Suurem osa vabast räni kasutatakse terase rafineerimisel, alumiiniumi valamisel ja väikese mahutavusega keemilisel tootmisel (sageli suitsutatud ränidioksiidi tootmiseks). Veelgi märgatavamalt võib öelda, et suhteliselt väike osa pooljuhtelektroonikas kasutatavast väga puhastatud elementaaräniist (1) Gay-Lussac ja Tenard uskusid, et nad valmistasid 1811. aastal roojase amorfse räni, kuumutades hiljuti eraldatud metallilist kaaliumi räni tetrafluoriidiga, kuid nad ei ole seda ei iseloomustanud toodet ega tuvastanud seda uue elemendina. 1817. aastal andis šoti keemik Thomas Thomson ränile oma praeguse nime. Thomson säilitas osa nimest Davy, kuid lisas lõppu “sisse”, kuna tema arvates oli räni mittemetall, sarnane boori ja süsinikuga. 1823. aastal valmistas Jones Jacob Berzelius amorfse räni umbes samamoodi nagu Gay-Lussac (redutseerides kaaliumfluorosilikaati sulatatud kaaliummetalliga), kuid puhastades toote korduva pesemisega pruuniks pulbriks. [16] Selle tulemusel krediteeritakse teda tavaliselt selle elemendi avastamisega. Samal aastal valmistas Berzelius esmakordselt ränitetrakloriidi; Räni tetrafluoriidi valmistas juba ammu enne seda 1771. aastal Karl Wilhelm Scheele, lahustades räni vesinikfluoriidhappes. [11] Räni selle tavalisemas kristalses vormis valmistas Deville alles 31 aastat hiljem. 2) Naatriumkloriidi ja alumiiniumkloriidi segu, mis sisaldab umbes 10% räni, elektrolüüsiga suutis ta 1854. aastal saada räni räni allotroopia. Hiljem töötati välja säästlikumad meetodid mitmete allotroopsete vormide eraldamiseks, millest viimane on silüleen, 2010. aastal. Samal ajal jätkus räni keemia uurimine; Friedrich Wöhler avastas esimesed lenduvad ränihüdriidid, sünteesides triklorosilaani 1857. aastal ja silaani ise 1858. aastal, kuid silaanide üksikasjaliku uurimise viis Alfred Stock läbi alles 20. sajandi alguses, hoolimata selleteemalistest varajasetest spekulatsioonidest sünteetilise orgaanilise keemia arendamise algusest 1830ndatel. aastatel. 3) Lisaks sünteesisid Charles Friedel ja James Crafts 1863. aastal esimese orgaanilise räniühendi, tetrametüülsilaani, kuid ränikeemia üksikasjalik iseloomustus viidi 20. sajandi alguses läbi Frederick Kippingu poolt. Alates 1920. aastatest selgitas William Lawrence Braggi röntgenkristallograafiatöö silikaatide koostist, mis oli varem analüütilisest keemiast teada, kuid mida veel ei mõistetud, koos kristallkeemia arendamisega Linus Paulingi poolt ja geokeemia arendamisega Victor Goldschmidti poolt. 20. sajandi keskpaigas täheldati siloksaanide keemia ja tööstusliku kasutamise arengut, aga ka silikoonpolümeeride, elastomeeride ja vaigude kasutamist. 20. sajandi lõpus koostati silikoidkristallokeemia keerukuse kaart koos legeeritud pooljuhtide tahkiskeemiaga. Kuna räni on kõrgtehnoloogilistes pooljuhtseadmetes oluline element, kannavad selle nime paljud kohad maailmas. Näiteks Californias asuva Santa Clara oru hüüdnimi on Silicon Valley, kuna see element on pooljuhtide tööstuse peamine materjal. Pärast seda on paljud teised kohad nimetatud samaks, sealhulgas Silicon Forest Oregonis, Silicon Hills Austinis, Texases, Silicon Route Salt Lake Citys, Utah, Silicon Saxon Saksamaal, Silicon Valley Indias, Silicon Borders Mehhikos, Mehhikos, “silikooni sood” Inglismaal Cambridge'is, Silicon Ring Londonis, Silicon Hollow Šotimaal ja Silicon Depression Bristolis, Inglismaal. [25]

Omadused

Füüsikalised ja aatomilised

Räniaatomil on neliteist elektroni. Algseisundis asuvad nad [Ne] 3s23p2 elektroonilises konfiguratsioonis. Neist neli on 3s orbitaali hõivavad valentselektronid ja kaks on 3p orbitaale. Nagu teistel tema rühma liikmetel, kergemal süsinikul ja raskemal germaaniumil, tinal ja pliil, on sellel sama arv valentsuselektrone kui orbitaalide valentsusega: seetõttu võib see täita oktetti ja saada üllastest argoongaasidest stabiilse konfiguratsiooni, moodustades sp3 hübriidorbitaale, moodustades tetraeedrilisi SiX4 derivaate, kus keskne räniaatom jagab elektronide paari iga nelja aatomiga, millega see ühineb. 4) räni neli esimest ionisatsioonienergiat: vastavalt 786,3, 1576,5, 3228,3 ja 4354,4 kJ / mol; need arvud on piisavalt suured, et välistada elemendi lihtsa katioonkeemia kasutamine. Pärast perioodilisi suundumusi on selle kovalentne raadius ühe sidemega 117,6 pm süsiniku (77,2 pm) ja Saksamaa (122,3 pm) vahel. Ränisisalduse heksaakordinaatset ioonraadiust võib pidada võrdseks 40 pm-ga, ehkki seda tuleks lihtsa Si4 + katiooni puudumisel pidada puhtalt suvaliseks arvuks. Normaalsel temperatuuril ja rõhul on räni läikiv pooljuht, millel on sinakashall metalliline läige; nagu ka pooljuhtide puhul, väheneb selle takistus temperatuuri tõustes. Selle põhjuseks on see, et räni energialõhe on väikseima hõivatud energiatasandi (valentsusriba) ja väikseimate hõivatud ribade (juhtivusriba) vahel. Fermi tase on valentsriba ja juhtivusriba vahel umbes poolel teel ja see on energia, mille abil elektroni saab oleku hõivata. Seetõttu on puhas räni toatemperatuuril isolaator. Kui anda ränile pniktogeeni, näiteks fosforit, arseeni või antimonit, saame lisandi kohta ühe lisaelektroni ja neid saab ergutada juhtivusribale termiliselt või fotolüütiliselt, luues H-tüüpi pooljuhi. Samamoodi viib räni lahjendamine rühma 13 elementidega, näiteks boori, alumiiniumi või galliumiga, aktseptori tasemete kehtestamiseni, mis püüavad kinni valentsribast erutuvaid elektrone, luues p-tüüpi pooljuhi. N-tüüpi räni ja p-tüüpi räni kombinatsioon loob p-n-ristmiku ühise Fermi tasemega; elektronid voolavad n-st p-ni ja tühjad ruumid p-st n-ni, luues pingelanguse. See pn-ühendus toimib seega vahelduvvoolu korrigeeriva dioodina, mis võimaldab voolu ühel ja teisel viisil kergemini läbida. Transistor on n-p-n-ristmik, mille kahe n-tüüpi piirkonna vahel on õhuke kiht nõrka p-tüüpi räni. Emitteri nihutamine väikese läbimispinge kaudu ja kogumine suure pöördpinge kaudu võimaldab transistoril toimida trioodvõimendina. Räni kristallub standardtingimustes hiiglaslikus kovalentses struktuuris, eriti kuupmeetri teemantvõres. Selle sulamistemperatuur on seega kõrge - 1414 ° C, kuna tugevate kovalentsete sidemete purustamiseks ja tahke aine sulatamiseks kulub palju energiat. Selle kohta, kas ainel on standardrõhul allotroobid, pole midagi teada, kuid paljudel teistel kristallstruktuuridel on kõrgema rõhu all all olevad trobid. Üldine suundumus on koordinatsiooni arvu suurenemine rõhu suurenemisega, mis kulmineerub umbes 40 gigapaskaali juures kuusnurkse kompaktse allotroopiga, mida tuntakse nimega Si - VII (standardmuutus on Si - I). Räni keeb temperatuuril 3265 ° K: ehkki see on kõrge temperatuur, on see madalam temperatuurist, mille juures tema kergem suhteline süsinik (3642 ° K) sadestub. Niisugusel räni aurustumistemperatuur on madalam kui süsinikul, mis tuleneb asjaolust, et Si-Si side on nõrgem kui C-C side. 5)

Isotoobid

Looduslik räni koosneb kolmest stabiilsest isotoobist 28Si (92,23%), 29Si (4,67%) ja 30Si (3,10%). Neist kasutatakse NMR- ja EPR-spektroskoopias ainult 29Si, kuna see on ainus, millel on tuumaketrus (I = ½). Kõiki 3 toodetakse hapniku põlemisel tähtedena, 28Si on valmistatud alfaprotsessi osana ja on seetõttu kõige tavalisem. Tähtede fotodisintegratsiooni ümberkorraldamisel tekkinud 28Si liitmist alfaosakestega nimetatakse räni põlemisprotsessiks; see on tähe nukleosünteesi viimane etapp enne II tüübi supernoovade tähe kiiret kokkuvarisemist ja plahvatust. Iseloomustati 20 radioisotoopi, 2 kõige stabiilsemat 32Si, mille poolestusaeg oli umbes 150 aastat, ja 31Si, poolestusajaga 2,62 tundi. Kõigi allesjäänud radioaktiivsete isotoopide poolestusaeg on alla seitsme sekundi ja enamiku nende poolestusaeg on vähem kui üks kümnendik sekundist. Räni teadaolevaid tuumaisomeere pole. 32Si läbib madala energiatarbega beeta languse 32P juures ja seejärel stabiliseerub 32S juures. 31Si saab toota loodusliku räni neutroni aktiveerimisega ja seega on see kasulik kvantitatiivseks analüüsiks; seda saab hõlpsasti tuvastada tänu sellele iseloomuliku beeta lagunemise tõttu stabiliseeritud 31P-le, milles eralduv elektron kannab energiat kuni 1,48 MeV. 6) Tuntud räni isotoopide massiarv varieerub vahemikus 22 kuni 44. Kõige tavalisem meetod isotoopide lagundamiseks, mille massiarv on alla kolme stabiilse isotoobi, on pöördfata lagunemine, moodustades peamiselt alumiiniumi isotoope (13 prootonit) lagunemisproduktide kujul. Kõige tavalisem raskemate ebastabiilsete isotoopide lagunemismeetod on beeta lagunemine, moodustades lagunemisproduktidena peamiselt fosfori isotoope (15 prootonit)..

Keemia ja ühendid

Kristalliline räni on üsna inertne, kuid muutub kõrgetel temperatuuridel reageerivamaks. Sarnaselt naabruses asuva alumiiniumiga moodustab räni õhukese pideva ränidioksiidi (SiO2) pinnakihi, mis kaitseb metalli oksüdeerimise eest. Seega ei reageeri räni õhuga alla 900 ° C, kuid klaasja dioksiidi moodustumine suureneb kiiresti vahemikus 950 ° C kuni 1160 ° C ja kui temperatuur on 1400 ° C, reageerib atmosfääriline lämmastik ka SiN ja Si3N4 nitriide. Räni reageerib gaasilise väävliga temperatuuril 600 ° C ja gaasilise fosforiga temperatuuril 1000 ° C. See oksiidikiht ei häiri aga reaktsiooni halogeenidega; fluor ründab tugevalt räni toatemperatuuril, kloor teeb seda temperatuuril umbes 300 ° C, broom ja jood - temperatuuril umbes 500 ° C. Räni ei reageeri enamiku vesilahustega, vaid oksüdeeritakse ja fluoritakse kontsentreeritud lämmastikhappe ja vesinikfluoriidhappe seguga; lahustub kergesti kuumas vesilahuses, moodustades silikaadid. Kõrgetel temperatuuridel reageerib räni ka alküülhalogeenidega; seda reaktsiooni saab katalüüsida vase abil, et sünteesida räni kloriide kui silikoonpolümeeride eellasi. Räni on sulamisel väga reaktiivne, sulandudes enamiku metallidega, moodustades siliide ja vähendades enamikku metalloksiide, sest ränidioksiidi moodustumise temperatuur on nii kõrge. Selle tulemusel peavad vedela räni mahutid olema valmistatud tulekindlatest, inaktiivsetest materjalidest nagu tsirkooniumoksiid või rühmade 4, 5 ja 6 boriidid. Räni keemia ja süsiniku keemia peamiseks konstruktiivseks motiiviks on tetraeedri koordinatsioon. 3p alltase on aga hajusam kui 2p alltase ja see ei hübridiseeru 3s alltasemega. Selle tulemusel ilmneb räni ja selle raskemate analoogide keemias olulisi erinevusi süsiniku 7 keemilisest tasemest ja seega on ka oktaedriline koordinatsioon oluline. Näiteks räni (1,90) elektronegatiivsus on palju väiksem kui süsinikul (2,55), kuna räni valentselektronid asuvad tuumast kaugemal kui süsinik ja seetõttu on tuumas vähem elektrostaatiliselt atraktiivseid jõude. 3p orbitaalide nõrk kattumine viib räni jaoks oluliselt madalama sideme kalduvuseni (Si-Si sidemete moodustumiseni) kui süsiniku jaoks, kuna sellega seotud Si-Si side nõrgeneb võrreldes C-C sidemega: keskmine sidumisenergia Si - Si on umbes 226 kJ / mol, võrreldes C - C sidemega 356 kJ / mol. See viib asjaolu, et mitmekordselt seotud räni on üldiselt vähem stabiilne kui selle suhteline süsinik, mis on näide kaksiksideme reeglist. Teisest küljest viitab kolmemõõtmeliste orbitaalide olemasolu räni valentskestades hüpervalentsuse võimalusele, mida täheldatakse räni viie- ja kuuekoordinaatilistes derivaatides, nagu SiX-5 ja SiF2–6. Lõpuks, kuna valents S ja P orbitaalide vahel suureneb energiavahe, rühma vähenedes suureneb kahevalentse oleku väärtus süsinikust pliini, nii et mitut ebastabiilset kahevalentset ühendit nimetatakse räniks; see oksüdatsiooni põhiseisundi langus koos aatomiraadiuste suurenemisega põhjustab metalli iseloomu suurenemist rühmas. Ränil on juba tekkiv metalliline käitumine, eriti selle oksiidühendite käitumisel ning reaktsioonil hapete ja alustega (ehkki see nõuab teatavaid jõupingutusi) ja seetõttu nimetatakse seda sageli metalloidiks, mittemetalliks. Metallilisus ei selgu rühmas 14 enne germaaniumi ja domineeriv kuni tina, kasvava tähtsusega madalama oksüdatsiooniseisundi +2 korral. Ränil on selged erinevused süsiniku omast. Näiteks orgaanilises keemias on räni keemiaga väga vähe analooge, samas kui silikaatmineraalidel on struktuurne keerukus, mis on oksüsüsinikes nähtamatu. Räni sarnaneb palju rohkem germaaniumiga kui süsinikuga ja seda sarnasust suurendab d-ploki redutseerimine, mille tagajärjel on germaaniumiaatomi suurus räni aatomi suurusele palju lähemal kui perioodilised suundumused ennustavad. Siiski on germaniumi kahevalentse oleku kasvava tähtsuse tõttu räniga siiski mõned erinevused, mis viib asjaolu, et germaanium on palju ränilisem metalliline aine. Lisaks põhjustab Ge-O-ühendi väiksem tugevus võrreldes Si-O-ühendi tugevusega „gremanoni” polümeeride puudumist, mis sarnanevad ränorgaaniliste polümeeridega.

Silitsiidid

Tuntakse paljusid metallisilitsiide, millest enamusel on valemid, mida ei saa seletada lihtsate apellatsioonidega valentsusele: nende seondumine ulatub metallilisest ioonse ja kovalentse ühendini. Mõned tuntud stöhhiomeetriad: M6Si, M5Si, M4Si, M15Si4, M3Si, M5Si2, M2Si, M5Si3, M3Si2, MSI, M2Si3, MSi2, MSi3 ja MSi6. Need on vastavalt boori ja räni diagonaalsuhtele struktuurselt sarnasemad booriididele kui karbiididele, ehkki suurema räni suurus booriga võrreldes tähendab, et täpseid struktuurianalüüse on vähe ja ained asuvad üksteisest kaugel. Silitsiidide moodustumise kuumus on tavaliselt sarnane samade elementide booriidide ja karbiididega, kuid tavaliselt sulavad need madalamal temperatuuril. 8) Silitsiidid on teada kõigi rühmas 1-10 olevate stabiilsete elementide, välja arvatud berülliumi kohta: eriti rühmade 4-10 uraan ja siirdemetallid näitavad kõige laiemat stöhhiomeetria ulatust. Rühma 11-15 metallid, välja arvatud vask, ei moodusta silikoide. Selle asemel moodustavad enamik neist eutektilisi segusid, ehkki kõige raskemad siirdejärgsed metallid, elavhõbe, tallium, plii ja vismut, ei segune täielikult vedela räniga. Tavaliselt saadakse siliidid elementide otsese reageerimise teel. Näiteks leelismetallid ja leelismuldmetallid reageerivad räni või ränioksiidiga silikoidide saamiseks. Kuid isegi nende väga elektropositiivsete elementide korral ei moodustu tõelised räni anioonid ja paljud neist ühenditest on pooljuhid. Näiteks leelismetallide silitsiidid (M +) 4 (E4-4) sisaldavad püramiidset trikoordinaaträni Cu4-4 anioonis, isoelektronilisi valge fosforiga P4. Suurel hulgal metalli sisaldavad sitsiidid sisaldavad reeglina isoleeritud räni aatomeid (näiteks Cu5Si). Ränisisalduse suurenemisega suureneb ahelate moodustumine, mis viib kõigepealt ja seejärel piki ahelat (El.) Kahe (näiteks U3Si2) või nelja räni aatomi (näiteks [K +] 4 [Cu4] 4−) eraldatud klastriteni. ACP), kihid (näiteks CaSi2) või kosmosest hõljuvate räni aatomite kolmemõõtmeline võrk (näiteks α-ThSi2), kuna räni sisaldus tõuseb veelgi. 1. ja 2. rühma metallisiliidid on tavaliselt reaktsioonivõimelisemad kui siirdemetallide silitsiidid. Viimased ei reageeri tavaliselt vesilahuste reagentidega, välja arvatud vesinikfluoriidhape; kuid nad reageerivad agressiivsemate reagentidega, näiteks vedela kaaliumhüdroksiidiga, või gaasilise fluori või klooriga punasel temperatuuril. Teisest küljest reageerivad üleminekueelsete metallide silitsiidid hõlpsalt vee ja vesilahustega, tekitades tavaliselt vesinikku või silaane: Na2Si + 3 Н2О → Na2SiO3 + 3 Н2 Mg2Si + 2 Н2ЅО4 → 2 MgSO4 + SiH4. Tooted varieeruvad sageli ränidioksiidi reageeriva aine stöhhiomeetria tõttu. Näiteks Ca2Si on polaarne ja mittejuhtiv ning sellel on PbCl2-vastane struktuur, millel on üksikud isoleeritud räni aatomid ja mis reageerib veega, et saada kaltsiumhüdroksiidi, hüdreeritud ränidioksiidi ja vesinikku. CaSi koos selle räni aatomite siksakiliste ahelatega reageerib silaanide ja polümeeri SiH2 saamiseks, CaSi2 aga oma kortsus räni aatomite kihtidega reageerib veega ja reageerib lahjendatud soolhappega: toode on kollane polümeerne tahke aine, mis sisaldab Si2H2O stöhhiomeetriat..

Silaanid

Mõtted ränihüdriidi keemiast algasid 1830ndatel, sünteetilise orgaanilise keemia arengu ajastul. Silaani ise, aga ka triklorosilaani, sünteesisid esmakordselt Friedrich Weller ja Heinrich Buff 1857. aastal alumiiniumi-räni sulamite interaktsiooni teel vesinikkloriidhappega ja neid iseloomustasid SiH4 ja SiHCl3 Charles Friedel ja Albert Ladenburg 1867. aastal. Disilaani (Si2H6) kirjeldati 1902. aastal, kui seda sünteesisid esmakordselt Henri Moissan ja Samuel Smiles magneesiumsilitsiidide protonolüüsi teel. Edasised uuringud tuli silaanide suure reaktsioonivõime ja termilise ebastabiilsuse tõttu edasi lükata aastani 1916; just siis hakkas Alfred Stock tõsiselt uurima ränihüdriide, kasutades uusi õlivabu vaakummeetodeid, kuna need avastati tema tähelepanu keskmes olevate boorhüdriididena. Nimed silaanid ja boraanid lõid tema poolt analoogia põhjal alkaanidega. 9) Siiani on silaanide ja silaani derivaatide saamiseks metallisilitsiidide protonolüüsi abil kasutatud Moissani ja Smilesi meetodit, ehkki saagist vähendab samaaegselt toimuv toodete hüdrolüüs, seega on tänapäeval eelistatav viis asendatud silaanide töötlemiseks hüdriide redutseerivate ainetega, näiteks liitiumalumiiniumhüdriidiga. eetrilahused madalatel temperatuuridel. HX või RX otsene reageerimine räniga, võimalik, et sellise katalüsaatoriga nagu vask, on ka elujõuline meetod asendatud silaanide valmistamiseks. Silaanid moodustavad ränihüdriidide homoloogseid seeriaid üldvalemiga SinH2n + 2. Kõik need on tugevad redutseerijad. Hargnemata ja hargnenud ahelaid on teada kuni n = 8, samuti on teada ka tsüklid Si5H10 ja Si6H12. Esimesed 2, silaan ja disilaan, värvitu gaas; sarja raskemad liikmed aurustavad vedelikke. Kõik silaanid on väga reageerivad ja eraldavad tulekahju või plahvatavad õhus. Need on toatemperatuuril vähem termiliselt stabiilsed, nii et ainult silaan on toatemperatuuril määramata aja jooksul stabiilne, kuigi disilaan ei lagune väga kiiresti (8 kuu pärast laguneb ainult 2,5% proovist). Need lagunevad, moodustades polümeer ränihüdriidi ja vesiniku. 10) Nagu aatommassi erinevusest võib eeldada, on silaanid vähem lenduvad kui vastavad alkaanid ja boraanid, kuid lenduvamad kui vastavad germaanid. Nad on räni suurema raadiuse tõttu võrreldes süsinikuga palju tundlikumad kui vastavad alkaanid, hõlbustades räni nukleofiilset rünnakut, suurema Si - H sidemete polaarsusega võrreldes C - H - ja räni võimega laiendada oma oktetti ja seetõttu, moodustavad addukte ja vähendavad aktiveerimise energiareaktsiooni. Silaani pürolüüs loob polümeeride liigid ning lõpuks elementaarse räni ja vesiniku; tõepoolest, ülimalt puhast räni toodetakse kaubanduslikult silaani pürolüüsiga. Kui alkaanide termiline lagunemine algab C - H või C - C sidemete purunemisest ja radikaalide vaheühendite moodustumisest, siis polülükaanid lagunevad radikaalide: SiH2 või: SiHR elimineerimise teel, kuna selle protsessi aktiveerumisenergia (

210 kJ / mol) on oluliselt väiksem kui sideme energia Si - Si ja Si - H korral. Kui puhtad silaanid ei reageeri puhta veega ega lahjendatud hapetega, katalüüsivad leelise jäljed viivitamatut hüdrolüüsi hüdreeritud ränidioksiidiks. Kui reaktsioon viiakse läbi metanoolis, annab kontrollitud solvolüüs produktideks SiH2 (OMe) 2, SiH (OMe) 3 ja Si (OMe) 4. Alkeenidele lisatakse ka Si-H-side, reaktsioon, mis jätkub aeglaselt ja kiireneb sisseehitatud silaani suurema asendamisega. Temperatuuri 450 ° C juures osaleb silaan liitumisreaktsioonis atsetooniga, samuti rõnga avanemise reaktsioonis etüleenoksiidiga. Silaani otsene reageerimine kloori või broomiga põhjustab toatemperatuuril plahvatusi, kuid silaani ja broomi reaktsioon temperatuuril -80 ° C on kontrollitud ning saadakse bromosilaan ja dibromosilaan. Monogalosilaane saab moodustada silaani reageerimisel vastava vesinikhalogeniidiga Al2X6 katalüsaatoriga või reageerides silaani tahke hõbehalogeniidiga vooluga kuumutatud reaktoris: SiH4 + 2 AgCl 260 ° C → SiH3Cl + HCl + 2 Ag Silaani derivaatide hulgas jodosilaan (SiH3I) ja kaaliumsilaniid (KSiH3) on väga kasulik sünteetiline vaheühend keerukamate räni sisaldavate segude tootmisel: viimane on värvitu kristalne ioonne tahke aine, mis sisaldab K + katioone ja SiH-3 anioone NaCl struktuuris, mis on valmistatud silaani redutseerimisel kaaliummetalliga. Lisaks on teada ka reaktiivsed hüpervalentsed liigid SiH-5. [24] Sobivate orgaaniliste asendajate abil on võimalik toota stabiliseeritud polüsilaane: neil on üllatavalt kõrge elektrijuhtivus, mis on seotud elektronisigma delokaliseerumisega vooluringis. üksteist)

Haliidid

Räni ja ränikarbiid reageerivad hõlpsalt kõigi nelja stabiilse halogeeniga, moodustades värvituid, keemiliselt aktiivseid ja lenduvaid ränitetrahaliide. Ränitetrafluoriidi saab valmistada ka teiste ränihalogeniidide fluorimise teel ja see saadakse vesinikfluoriidhappe toimel klaasil. 12) Kahe erineva tetrahaliidi kuumutamisel saadakse ka juhuslikult segatud halogeniide, mida võib saada ka halogeenivahetusreaktsiooni abil. Nende liikide sulamis- ja keemistemperatuurid tõusevad tavaliselt aatommassi suurenemisega, ehkki on palju erandeid: näiteks sulamis- ja keemistemperatuurid langevad SiFBr3-st läbi SiFClBr2 kuni SiFCl2Br-ni. Üleminekut hüpoelektroonilistest elementidest rühmas 13 ja varasemast gruppi 14 illustreerib üleminek alumiiniumfluoriidi lõpmatust ioonstruktuurist räni tetrafluoriidi lihtsate kovalentsete molekulide võres, mille dikteerib alumiiniumi madalam elektronegatiivsus võrreldes räniga, stöhhiomeetria (+4 oksüdatsiooni olekust on liiga kõrge) tõelise ioonilisuse jaoks) ja väiksema räni aatomiga võrreldes alumiiniumi aatomiga. Räni tetraklorometaani toodetakse suurel hulgal puhta räni, ränidioksiidi ja teatavate räniestrite tootmisel. Räni tetrahalogeniidid on erinevalt süsiniktetrahaliididest vees hõlpsasti hüdrolüüsitavad, räniaatomi suurema suuruse tõttu, mis muudab selle nukleofiilseks rünnakuks avatumaks, ja räni aatomi võime laiendada oma oktetti, mida süsinikul pole. Ränifluoriidi reaktsioonil vesinikfluoriidhappe liigiga saadakse oktaedroonne anioonheksafluorosilikaat SiF2-6. Sarnaselt silaanidega on teada ka SinX2n + 2 halopolüsilaanid.Kuigi sidemete moodustumine süsinikuühendites on maksimaalne vesinikuühendites, mitte halogeniidides, kuid räni puhul on vastupidine, seega on teada vähemalt halopolüsilaanid Si14F30, Si6Cl14 ja Si4Br10. Selle nähtuse pakutud selgitus on räni elektronide kaotuse kompenseerimine rohkem elektronegatiivsete halogeeniaatomite kasuks, sidudes pi pöördorganiga täidetud pπ-orbitaalidelt halogeeniaatomitel tühjad ränidr-d-orbitaalid: see sarnaneb süsinikmonooksiidi olukorraga metallkarbonüülkompleksides ja selgitab nende stabiilsust. Neid halopolüsilaanide saamiseks võib kasutada räni tetrahaliide elemendilise räniga või neid kergemaid halogeenitud polüpolülaane kondenseerides (trimetüülammoonium on selle reaktsiooni kasulik katalüsaator).

Ränidioksiid Ränidioksiid (SiO2), tuntud ka kui ränidioksiid, on üks enim uuritud segusid, teine ​​vee järel. Räni on teada kaksteist erinevat kristalset modifikatsiooni, millest levinum on α-kvarts, paljude kivimite, näiteks graniidi ja liivakivi põhikomponent. Räni on selle puhtal kujul mäekristall; ebapuhtad vormid - roosikvarts, suitsune kvarts, morion, ametüst ja tsitriin. Tuntud on ka mõned kvartsist nõrgalt kristalsed vormid, näiteks kaltsedoon, krüsopraas, karneool, ahhaat, onyx, jaspis, heliotroop ja tulekivi. Ränidioksiidi muid modifikatsioone leidub ka teistes mineraalides, näiteks tridümiidis ja kristobaliidis, ning palju harvemini - koksiidis ja stishoviidis. Bioloogiliselt toodetud vorme tuntakse ka nimetuse kieselguhr ja mägijahu nime all. Klaasist ränidioksiidi tuntakse tektiidi ja obsidiaanina ning harva ka lecheriteri nime all. Mõningaid sünteetilisi vorme nimetatakse keatiidiks ja W-ränidioksiidiks. Opaalid koosnevad osaliselt hüdreeritud ränidioksiidi keerukatest kristalsetest agregaatidest. Enamik ränidioksiidi kristalseid vorme koosneb lõpututest tetraeetrilistest paigutustest (Si-ga keskel) on ühendatud nurkades, kusjuures iga hapnikuaatom on seotud kahe räni aatomiga. Termodünaamiliselt stabiilsel kujul, toatemperatuuril, α-kvartsi lähedal, on need tetraeedrid ühendatud põimitud spiraalahelateks, millel on kaks erinevat Si - O vahemaad (159,7 ja 161,7 pm) Si - O - Si nurgaga 144 °. Need heeliksid võivad olla nii vasak- kui ka paremakäelised, nii et üksikud α-kvartskristallid on optiliselt aktiivsed. Temperatuuril 537 ° C muundub see kiiresti ja pöörduvalt sarnaseks β-kvartsiks, kui Si-O-Si nurk muutub 155 ° -ni, kuid säilitades suuna. Edasine kuumutamine temperatuurini 867 ° C põhjustab teise pöörduva faasi ülemineku β-tridümiidiks, mille käigus mõned Si - O sidemed purunevad, et tagada tetraeedri asukoht avatumaks ja vähem tihedaks kuusnurkseks struktuuriks. See üleminek on aeglane ja seetõttu moodustub dridimiit metastabiilse mineraalina isegi temperatuuril, mis on sellest siirdetemperatuurist madalam; Jahutatuna temperatuurini umbes 120 ° C muundub see üksikute räni- ja hapnikuaatomite ebaoluliste nihkumiste tõttu kiiresti ja pöörduvalt α-tridimiidiks, mis on sarnane üleminekuga α-kvartsist β-kvartsiks. β-tridümiit muundub temperatuuril umbes 1470 ° C aeglaselt kuupmeetriliseks β-kristobaliidiks, mis jällegi on metastabiilselt allpool seda siirdetemperatuuri ja konverteeritakse 200–280 ° C juures α-kristobaliidiks, kasutades väikesi aatomi nihkeid. β-kristobaliit sulab temperatuuril 1713 ° C; ränidioksiidi külmutamine sulast on üsna aeglane ja selle asemel võib tekkida klaasistumine või klaaside moodustumine. Klaaskehas ränidioksiidis tetraeetrid jäävad nurga all, kuid kristallvormide sümmeetria ja perioodilisus on kadunud. Nende kolme vormi vahel toimuvate aeglaste muundumiste tõttu on kiire kuumutamisega võimalik sulatada β-kvarts (1550 ° C) või β-tridümiit (1703 ° C). Ränidioksiid keeb temperatuuril umbes 2800 ° C. On olemas ka muid kõrgepinge ränidioksiidi vorme, näiteks koesiit ja stishoviit: need on looduses olemas ja moodustuvad meteoriidi löögisurve all ning jahutatakse seejärel kiiresti, et säilitada kristalliline struktuur. Sarnane ränidioksiidi sulamine ja jahutamine toimub ka pärast pikselööke, moodustades klaaskeha. W-ränidioksiid - madala tihedusega ebastabiilne vorm, sealhulgas tetraeedrid, millel on nurkade asemel ühised vastasservad ja mis moodustavad paralleelseid ahelaid nagu ränidisulfiid (SiS2) ja ränidisleniid (SiSe2): kõrge temperatuuri või veega kokkupuutel hakkab see kiiresti uuesti amorfset ränidioksiidi moodustama. 13) Ränidioksiid on keemiliselt üsna inertne. Seda ei ründa ükski hape, välja arvatud vesinikfluoriidhape. Sellest hoolimata lahustub see aeglaselt kuumas kontsentreeritud leelis ja üsna kiiresti sulatatud hüdroksiidides või metallide karbonaatides, moodustades silikaadid. Elementide hulgas ründab seda toatemperatuuril ainult fluor, moodustades räni tetrafluoriidi: vesinik ja süsinik reageerivad samuti, kuid vajavad temperatuuri üle 1000 ° C. Ränidioksiid reageerib suure hulga metalloksiidide ja metalloididega, moodustades mitmesuguseid segusid, mis on olulised klaasi- ja keraamikatööstuses ning millel on ka palju muid eeliseid: näiteks naatriumsilikaati kasutatakse sageli sünteetilistes pesuainetes puhverdamise, seebistamise ja emulsiooni omadused.

Ränihape

Vee lisamine ränidioksiidile alandab selle sulamistemperatuuri umbes 800 ° C struktuursete kahjustuste tõttu, asendades Si - O - Si sidemed lõppevate Si - OH rühmadega. Vee kontsentratsiooni suurenemine põhjustab hüdraatunud ränidioksiidi geelide ja kolloidsete ränidioksiidi dispersioonide teket. Lahjendatud vesilahustes on palju hüdraate ja ränihappeid, kuid need on halvasti lahustuvad ning sadestuvad kiiresti ning kondenseeruvad ja ristsidenevad, moodustades valemiga [SiOx (OH) 4−2x] n valemiga [SiOx (OH) 4−2x] n) mitmesuguseid polüsiliinhappeid nagu boor, alumiinium ja raud, muude elementide hulgas. Seetõttu, kuigi lahjendatud lahustes on tuvastatud mõned lihtsad ränihapped, näiteks ortosiliinhape Si (OH) 4 ja metasilic acid SiO (OH) 2, ei eksisteeri neist ühtegi tahkes olekus.

Silikaatmineraalid

Ligikaudu 95% maakoorest koosneb ränidioksiidist või silikaat- ja alumiinisilikaatmineraalidest, mis peegelduvad hapnikus, ränis ja alumiiniumis, mis on maakoore kolm kõige levinumat elementi (selles järjekorras). Massi järgi moodustab räni 27,7% maakoorest. Puhtad ränikristallid on oma olemuselt väga haruldased, kuid silmapaistvad erandid on kuni 0,3 mm läbimõõduga kristallid, mis leiti gaasiproovide võtmisel Kudryavy vulkaanilt ühel Kuriili saartel-Iturupil. 14) Silikaat- ja alumiinisilikaatmineraalidel on palju erinevaid struktuure ja erinevat stöhhiomeetriat, kuid neid saab klassifitseerida vastavalt mõnele üldisele põhimõttele. Tetraeedrilised ühikud on peaaegu kõigi nende ühendite jaoks ühised, kas diskreetsete struktuuride kujul või kombineerituna suuremateks ühikuteks, jagades nurgaga hapnikuaatomeid. Neid saab jagada mittesilikaatideks (diskreetne ühikud), millel puuduvad ühised hapnikuaatomid, sorosilikaadid (diskreetsed) ühikud), millel on üks ühine hapniku-, tsüklo-silikaadid (suletud tsüklistruktuurid) ja võõrad silikaadid (pideva ahela või linditaolised struktuurid) ja millel on kaks ühist hapniku-, filosilikaadid (tahked lehed), millel on kolm, ja tekto-silikaadid (pidev kolmemõõtmelised struktuurid), millel on neli. Hapnikuaatomite võre on reeglina tihedalt pakitud või selle lähedal, laeng on tasakaalus, sõltuvalt suurusest, erinevate katioonidega erinevates polüjahikohtades. Ortosilikaadid MII2SiO4 (M = Be, Mg, Mn, Fe, Zn) ja ZrSiO4 ei ole silikaadid. Be2SiO4 (fenakiit) on ebatavaline selle poolest, et nii BeII kui ka SiIV hõivavad nelja tetraeedriga kooskõlastatud saiti; teised kahevalentsed katioonid hõivavad selle asemel kuus koordineeritud oktaediaalset kohta ja on sageli isomorfselt üksteisega asendatud, nagu oliviini puhul (Mg, Fe, Mn) 2SiO4. Tsirkoon, ZrSiO4, nõuab stöhhiomeetria ja nende suurema ioonraadiuse (84 pm) tõttu ZrIV katioonide 8-koordinatsiooni. Tähtsad on ka granaadid [MII3MIII2 (SiO4) 3], milles kahevalentsed katioonid (näiteks Ca, Mg, Fe) on kaheksakoordinaatsed ja kolmevalentsed kuuekoordinaatsed (näiteks Al, Cr, Fe). Regulaarset koordinatsiooni ei esine alati: näiteks Ca2SiO4, mis seob CaII jaoks kuue- ja kaheksakoordinaatsed saidid, puudub see. Sorosilikaadid, sealhulgas diskreetsed kahe- või kolmekordsed tetraeedrilised plokid, on üsna haruldased: teada on ka metasilikaadid, sealhulgas tsüklilised. 15) Ahelmetasilikaadid, <Ѕіо2−3>∞, moodustatakse ühendatud tetraeedrite määramatu ahela nurkade jagamisel . Paljud erinevused tekivad erineva konformatsiooni korduskauguse tõttu tetraeedrite sirgel. Korduv vahemaa = kaks on kõige tavalisem, nagu enamiku pürokseeni mineraalide puhul, kuid teada on ka ühe, kolme, nelja, viie, kuue, seitsme, üheksa ja kaheteistkümnega korduvad vahemaad. Need ahelad saavad seejärel üksteisega ühenduda, moodustades kaksiksiahelad ja paelad nagu asbestimineraalides, sealhulgas tetraeedri tsükliliste ringide korduvad ahelad. Kihisilikaadid, nagu savi- ja vilgukivimineraalid, on väga levinud ja sageli moodustuvad metasilikaatahelate horisontaalse ristsidestamise või väiksemate plokkide tasapinnalise kondenseerumise teel. Näide on kaoliniit [Al2 (oh) 4Si2O5]; Paljudes neist mineraalidest on katioonide ja anioonide asendamine tavaline, nii et näiteks tetraedriline SiIV võib olla asendatud AlIII, AlIII - MgII ja OH – F−. Kolmemõõtmelised karkassalumiinisilikaadid on struktuurilt väga keerukad; neid võib mõista kui SiO2 struktuurist pärinevat algvormi, kuid kuni poole SiIV-aatomite asendamiseks AlIII-ga on laetise tasakaalustamiseks vaja suuremas koguses katioone lisada struktuuri. Näited hõlmavad päevavärvid (kõige levinumad mineraalid Maal), tseoliidid ja ultramariinid. Paljusid päevavööndeid võib pidada ternaarsüsteemi NaAlSi3O8-KAlSi3O8-CaAl2Si2O8 osaks. Nende võre hävib kõrgrõhkkonna mõjul, ajendades AlIII toimuma pigem nelja kui nelja koordinatsiooni asemel kuue, aga ka päevakivi hävimisreaktsiooni põhjuseks, sest Mokhorovitšiši piir võib oletada, et koorikul ja vahevööl on sama keemiline koostis, kuid erinevad võred, ehkki see ei ole universaalne arvamus. Tseoliitide raamistikus on palju polüedünaalseid õõnsusi (kõige levinumad on kärbitud risttahukakujulised süvendid, kuid teisi polüheedreid tuntakse ka tseoliit-õõnsustena), mis võimaldab neil oma struktuuris hõlmata lõdvalt seotud molekule, näiteks vett. Ultramariinid vaheldavad räni ja alumiiniumi aatomeid ning hõlmavad paljusid teisi anioone, näiteks Cl -, SO2−4 ja S2-2, kuid on muul moel sarnased päevavalgetega.

Muud anorgaanilised ühendid

Räni disulfiid (SiS2) moodustub räni põlemisel gaasilises väävlis temperatuuril 100 ° C; Lõppühendi sublimatsioon lämmastikus viib valgete elastsete pikkade kiudude moodustumiseni, mis sarnanevad asbestiga ja sarnanevad W-ränidioksiidiga. See aine sulab temperatuuril 1090 ° C ja sublimeerub 1250 ° C juures; kõrgel temperatuuril ja rõhul muundub see kristalliliseks struktuuriks, mis sarnaneb kristobaliidiga. SiS2-l pole aga mitmesuguseid SiO2 struktuure ja see hüdrolüüsub kiiresti ränidioksiidiks ja vesiniksulfiidiks. Imiidi moodustamiseks allutatakse see kiiresti ja täielikult vedela ammoniaagiga järgmiselt: SiS2 + 4 NH3 → Si (NH) 2 + 2 NH4SH. See reageerib naatriumi, magneesiumi, alumiiniumi ja raua sulfiididega, moodustades metallistiosilikaadid: reaktsioon Etanooliga saadakse tetraetüülsilikaat Si (OEt) 4 ja vesiniksulfiid. Etüülsilikaat on kasulik, kuna selle kontrollitud hüdrolüüs moodustab liimi või kiletaolise ränidioksiidi. Vesiniksulfiid reageerib ränitetrahaliididega, tekitades ränitionaliide, näiteks S (SiCl) 3, tsüklilist Cl2Si (μ-S)) 2SiCl2 ja kristalset (SiSCl2) 4. Vaatamata kaksiksideme reeglile saadi aminorühma kaudu toimuva molekulidevahelise koordineerimise stabiliseeriva mehhanismi tõttu stabiilsed organosilanetonid RR'Si = S. Räninitriidi Si3N4 võib moodustada räni reageerimisel lämmastikuga üle 1300 ° C, kuid ökonoomsem tootmismeetod on ränidioksiidi ja koksi kuumutamine lämmastiku ja vesiniku voos temperatuuril 1500 ° C. See oleks hea viis, kui mitte töö keerukuse tagamiseks: keemiliselt on see peaaegu täielikult inertne ja isegi üle 1000 ° C säilitab oma tugevuse, kuju ja on endiselt vastupidav kulumisele ja korrosioonile. Aine on väga tahke (kõvadus Mohsi skaalal 9), dissotsieerub ainult temperatuuril 1900 ° C 1 atm ja on üsna tihe (tihedus 3,185 g / cm3), oma kompaktse struktuuri tõttu sarnaneb fenakiidiga (Be2SiO4). Sarnane tulekindel materjal on Si2N2O, mis moodustub räni ja ränidioksiidi kuumutamisel temperatuuril 1450 ° C argooni voos, mis sisaldab 5% lämmastikku, 4-koordinaadilise räni ja 3-koordinaadilise lämmastiku osalusel, mis muutub kortsuliseks kuusnurkseks plaadiks, mis on ühendatud mittelineaarse Si - O - Si-ga. ühendused üksteisega. Silüülhalogeniidide reaktsioonil ammoniaagi või alküülammooniumderivaatidega gaasifaasis või etanooli lahuses saadakse mitmesugused lenduvad silüülamiidid, mis on amiinide räni analoogid: 3 SiH3Cl + 4 NН3 → Н (SiH3) 3 + 3 NH4Cl SiH3Br + 2 Me2NH → SiH3NMe2R Me2 + Me2 + Me2R Me2 + 5 N2H4 → (SiH3) 2 NN (SiH3) 2 + 4 N2H5I Paljud sellised ühendid valmistati, ainus teadaolev piirang on see, et lämmastik on alati tertsiaarne ja SiH - NH rühma sisaldavad liigid on toatemperatuuril ebastabiilsed. Selliste ühendite nagu N (SiH3) 3 lämmastikuaatomi ümbritsev stöhhiomeetria on tasane, mida seostati lämmastikuaatomil oleva ühe paari ja ränil oleva tühja dπ-orbitaali vahelise pπ - dπ vastastiktoimega. Samamoodi on trizüülamiinid ligandina nõrgemad kui nende süsiniku kolleegid, tertsiaarsed amiinid, kuigi mõnede SiH3 CH3 rühmade asendamine rühmadega leevendab seda puudust. Näiteks ei moodusta N (SiH3) 3 üldse adukti BH3-ga, samas kui MeN (SiH3) 2 ja Me2NSiH3 moodustavad madalatel temperatuuridel aduktid, mis lagunevad kuumutamisel. Tuntud on mõned kaksiksidemega Si = N seotud imiinide räni analoogid: But2Si = n-SiBut3 avastati esmakordselt 1986. aastal..

Ränikarbiid

Ränikarbiidi (SiC) valmistas esmakordselt Edward Goodrich Acheson 1891. aastal, kes nimetas ühendi karborundiumiks, viidates selle vahekaredusele ja abrasiivsusele teemandi (süsiniku allotroop) ja korundi (alumiiniumoksiid) vahel. Varsti asutas ta selle tootmiseks ettevõtte ja täna toodetakse aastas umbes miljon tonni. Ränikarbiid eksisteerib umbes 250 kristalses vormis. SiC polümorfismi iseloomustab samasuguste kristallstruktuuride suur perekond, mida nimetatakse polüetüüpideks. Need on sama keemilise ühendi variatsioonid, mis on kahes mõõtmes identsed ja kolmandas erinevad. Seega võib neid käsitleda teatud järjestuses volditud kihtidena. 16) Seda toodetakse tööstuslikult kvartsliiva eraldamisel koksi või antratsiidi liiaga temperatuuril 2000–2500 ° C elektriahjus: SiO2 + 2 C → Si + 2 CO Si + C → SiC See on kõige termiliselt stabiliseeruvam binaarne räni segu, mis laguneb ainult läbi räni kadu alates umbes 2700 ° K. See on vastupidav enamike vesilahuste suhtes, erandiks on fosforhape. See moodustab pinnale ränidioksiidi kaitsekihi ja seetõttu oksüdeeritakse temperatuuril üle 1000 ° C ainult õhus; Selle kihi eemaldamine sulatatud hüdroksiidide või karbonaatide abil põhjustab kiire oksüdeerumise. Ränikarbiidi ründab kiiresti kloorgaas, mis moodustab 100 ° C juures SiCl4 ja süsiniku ning 1000 ° C juures SiCl4 ja CCl4. Seda kasutatakse peamiselt abrasiiv- ja tulekindla materjalina, kuna see on keemiliselt stabiilne ja väga tugev ning puruneb, moodustades väga terava lõike serva. Seda kasutatakse ka sisemise pooljuhina. See illustreerib süsiniku ja räni keemilisi sarnasusi..

Ränorgaanilised ühendid

Kuna Si-C side on tugevalt C-C sidemega, stabiliseeruvad ränorgani ühendid tavaliselt termiliselt ja keemiliselt. Näiteks saab tetrafenüülsilaani (SiPh4) destilleerida õhus isegi keemistemperatuuril 428 ° C, samuti selle asendatud derivaate Ph3SiCl ja Ph2SiCl2, mis keevad vastavalt temperatuuril 378 ja 305 ° C. Kuna süsinik ja räni on keemilised ühendid, näitab räniorgaaniline keemia olulisi sarnasusi süsinikukeemiaga, näiteks selliste ühendite kalduvuses siduda ja moodustada mitmekordseid sidemeid. Siiski tekivad ka olulised erinevused: kuna räni on elektropositiivsem kui süsinik, on rohkem elektronegatiivsete elementidega sidemed räni jaoks tavaliselt tugevamad kui süsiniku korral ja vastupidi. Seega on Si-F-side palju tugevam kui isegi C-F-side ja on üks tugevamaid üksiksidemeid, samas kui Si-H-side on palju nõrgem kui C-H-side ja on kergesti purunev. Lisaks ei eralda räni võime oktetti laiendada süsinikuga ja seetõttu puuduvad mõnel ränorgani reaktsioonil orgaanilised analoogid. Näiteks ei toimu räni nukleofiilne rünnak SN2 või SN1 protsesside kaudu, vaid läbib negatiivselt laetud tõelise pentakoordinaadi vaheühendi ja ilmneb takistatud tertsiaarse aatomi asendusena. See töötab erinevalt süsinikust räni puhul, kuna pikad Si - C sidemed vähendavad steerilisi takistusi ja räni d-orbiit pole nukleofiilse rünnaku jaoks geomeetriliselt piiratud, kuid erinevus C - O σ * -ga. Vaatamata nendele erinevustele nimetatakse mehhanismi lihtsuse huvides siiski sageli SN2 silikoonil. Üks kõige kasulikumaid räni sisaldavaid rühmi on trimetüülsilüül, Me3Si–. Si-C side, mis ühendab seda ülejäänud molekuliga, on piisavalt tugev, et see jääks alles, samal ajal kui ülejäänud molekul reageerib, kuid mitte nii tugev, et seda ei saaks vajadusel vajadusel spetsiaalselt eemaldada, näiteks fluoriiooniga, mis on süsinikuühendite jaoks väga nõrk nukleofiil, räniorgaaniliste ühendite puhul aga väga tugev. Seda saab võrrelda happeliste prootonitega, samal ajal kui trisüülmetüül eemaldatakse aluste asemel pigem kõvade nukleofiilide abil. Kui küllastunud süsinikke ründavad paremini nukleofiilid, perioodiliste tabelite mittemetallidel põhinevad neutraalsed ühendid (näiteks väävel, seleen või jood) või isegi mõlemad, ründavad räni paremini just laetud nukleofiilid, kus on selliseid elektronegatiivsed mittemetallid nagu hapnik, fluor või kloor. Näiteks reageerib enolaat haloalkaanides süsinikule, silüülkloriidides aga hapnikule; ja kui trimetüülsilüül eemaldatakse orgaanilisest molekulist, kasutades nukleofiilina hüdroksiidi, siis ei ole reaktsioonisaadus silanool, nagu võib eeldada süsinikukeemia kasutamisel analoogiana, kuna siloksiid on tugevalt nukleofiilne ja ründab algset molekuli, saades heksametüüldisiloksaan-silüüleetri (Me3Si) 2О. Vastupidiselt, kuigi SN2 reaktsioon mõjutab peamiselt süsiniku osalist positiivset laengu (δ +), mõjutavad ka räniga analoogsed “CH2” reaktsioonid. Näiteks on silüültriflaadid nii elektrofiilsed, et reageerivad hapniku sisaldavate nukleofiilidega 108–109 korda kiiremini kui silüülkloriidi soolad. Eelkõige trimetüülsilüültriflaati, eriti head Lewise hapet, kasutatakse karbonüülisegude muutmiseks atsetaalideks ja silüülenooleestriteks, kutsudes esile aldooliga sarnaseid reaktsioone. Si-C-sidemed moodustuvad tavaliselt kolmel viisil. Laboris valmistatakse sageli väikestes kogustes tetraklorosilaani reageerimisel liitiumi, Grignardi või orgaaniliste alumiiniumreaktiividega või Si - H katalüütilise lisamisega C = C kaksiksidemete kaudu. Teise meetodi puuduseks on see, et see ei kehti kõige olulisemate silaanide, metüül- ja fenüülsilaanide kohta. Orgaanisilaane toodetakse tööstuslikult alküül- või arüülhalogeniidide otsesel reageerimisel räniga 10% massist metallilise vasega katalüsaatorina. Tavalistest orgaanilistest reaktsioonidest piisab paljude derivaatide saamiseks; lõplikud organosilaanid on sageli märkimisväärselt reaktsioonivõimelisemad kui nende süsiniku sarnased ühendid ning tsükliliste oligomeeride või lineaarsete polümeeride moodustamiseks läbivad hüdrolüüs, ammonolüüs, alkoholüüs ja kondenseerumine kiiresti.

Silikoonpolümeerid

Sõna silikoon kasutas esmakordselt Frederick Kipping 1901. aastal. Ta lõi sõna, et illustreerida keemiliste valemite sarnasust Ph2SiO ja bensofenooni Ph2CO vahel, ehkki ta rõhutas ka keemilise sarnasuse puudumist Ph2SiO polümeerstruktuuri tõttu, mida Ph2CO ei eralda. Silikoone võib pidada mineraalsete silikaatide analoogideks, milles silikoonide metüülrühmad vastavad isoelektroonilisele O– silikaatides. Need on üsna vastupidavad äärmuslikele temperatuuridele, oksüdeerumisele ja veele ning neil on kasulikud dielektrilised, mittenakkuvad ja vahutamisvastased omadused. Pealegi peavad nad vastu ultraviolettkiirguse ja ilmastiku mõjudele ning on füsioloogiliselt inertsed. Need on üsna inertsed, kuid ei reageeri kontsentreeritud lahustega hüdroksiidioonide ja fluoriseerivate ainetega ning mõnikord võib neid kasutada ka kergete reagentidena valikuliseks sünteesiks. Näiteks on (Me3Si) 2o väärtuslik molübdeeni ja volframoksühaliidide derivaatide valmistamiseks, muundades volframi heksakloriidi segu dikloroetaani lahuses tund aega toatemperatuuril WOCl4-s ja seejärel 100 ° C juures kollaseks WO2Cl2-ks..

Levimus

Olivine

Räni on universumis seitsmenda arvukaim element vesiniku, heeliumi, süsiniku, lämmastiku, hapniku ja neooni järel. Neid arvukusi Maal ei korrata, kuna Päikesesüsteemi moodustumisel toimub oluline elementide eraldumine. Räni moodustab massist 27,2% maakoorest, teisel kohal on hapnikul 45,5%, millega see on looduses alati seotud. Edasine fraktsioneerimine toimus Maa planeetide diferentseerumise moodustamisel: Maa tuuma, mis moodustab 31,5% Maa massist, ligikaudne koostis on Fe25Ni2Co0.1S3; vahevöö moodustab 68,1% maakera massist ja koosneb peamiselt tihedatest oksiididest ja silikaatidest, näiteks oliviin (MG, Fe) 2SiO4; samal ajal kui kerged ränidioksiidid, näiteks alumiinisilikaadid, tõusevad pinnale ja moodustavad kooriku, mis moodustab 0,4% Maa massist. Tugevate kivimite kristallumine magmast sõltub mitmetest teguritest, sealhulgas: magma keemilisest koostisest, jahutamiskiirusest ja moodustatavate üksikute mineraalide mõningatest omadustest, näiteks võre energia, sulamistemperatuur ja nende kristallstruktuuri keerukus. Magma jahutamisel ilmub kõigepealt oliviin, seejärel pürokseen, amfibool, biotiidist vilgukivi, ortoklaasi päevakivi, muskoviidist vilgukivi, kvarts, tseoliidid ja lõpuks hüdrotermilised mineraalid. See järjestus näitab suundumust üha keerukamate silikaatagregaatide jahutamisele ning hüdroksiidi ja fluoriidi anioonide lisamisele lisaks oksiididele. Räni võivad asendada paljud metallid. Pärast seda, kui need tardkivimid ilmastikuolude, transportimise ja sadestumise läbi teevad, moodustuvad settekivimid nagu savi, kiltkivi ja liivakivi. Metamorfism võib esineda ka kõrgel temperatuuril ja rõhul, luues mineraalidest veelgi laiema valiku. 17)

Tootmine

Räni puhtusega 96–99% valmistatakse kvartsitiidi või liiva taastamise teel väga puhta koksiga. Redutseerimine toimub elektrikaare ahjus, kus ränikarbiidi (SiC) kogunemise vältimiseks kasutatakse üleliigset SiO2: SiO2 + 2 C → Si + 2 CO 2 SiC + SiO2 → 3 Si + 2 CO

Ferrosiliitsulam

See reaktsioon, mida nimetatakse ränidioksiidi karbotermiliseks redutseerimiseks, viiakse tavaliselt läbi madala fosfori- ja väävlisisaldusega rauajäätmete juuresolekul, moodustades ferrosilika. Ferrosilicon, raud-räni sulam, mis sisaldab elementaarse räni ja raua erinevaid suhteid, moodustab umbes 80% elementaarse räni globaalsest toodangust ja Hiina, juhtiv elementaar räni tarnija, annab 4,6 miljonit tonni (ehk 2/3 kogu maailma toodangust) räni, enamus mis - ferrosiliidi kujul. Sellele järgnevad Venemaa (610 000 tonni), Norra (330 000 tonni), Brasiilia (240 000 tonni) ja USA (170 000 tonni). Ferrosiliitsiumi kasutatakse peamiselt metallurgiatööstuses, peamiselt kasutatakse seda raua või terase legeeriva ainena ja terase deoksüdeerimiseks integreeritud terasetehastes. Teine mõnikord kasutatav reaktsioon on ränidioksiidi aluminotermiline redutseerimine, nagu on näidatud allpool: 3 SiO2 + 4 Al → 3 Si + 2 Al2O3 Pulbrilise 96–97% puhta räni leostumine veega

98,5% puhas räni, mida kasutatakse keemiatööstuses. Pooljuhtides kasutamiseks on vaja veelgi suuremat puhtust ja seda tehakse tetraklorosilaani või triklorosilaani redutseerimisel. Esimene neist saadakse räni kloorimisega ja seejärel silikooni valmistamise rupsiga. Need segud aurustuvad ja seetõttu saab neid puhastada korduva osalise destilleerimisega, millele järgneb redutseerimine algsesse räni, kasutades lahjendusvedelikuna väga puhast tsingimetalli. Sel viisil valmistatud silikooni käsnad osad sulatatakse ja kasvatatakse enne tsoonide puhastamist silindriliste üksikristallide moodustamiseks. Muud protsessid kasutavad silaani või tetrajodosilaani termilist lagunemist. Veel üks kasutatav protsess on naatriumheksafluorosilikaadi, fosfaatväetise tööstuse üldjäätmete redutseerimine metalseks naatriumiks: see on eksotermiline ja seetõttu ei vaja see välist kütuseallikat. Üliõhuke räni puhastatakse kõrgemalt kui peaaegu kõik muud materjalid: transistori valmistamiseks on vaja, et räni kristallide lisanditase oleks väiksem kui 1 osa 1010 kohta ja erijuhtudel on lisandite tase alla 1 osa 1012 kohta vajalik ja saavutatav..

Rakendused

Ühendused

Enamikku räni liike kasutatakse tööstuslikult ilma puhastamiseta ja sageli on neid loomulikust vormist suhteliselt vähe töödeldud. Üle 90% maapõuest koosneb silikaatmineraalidest, mis on räni ja hapniku ühendid, sageli metalliioonidega, kui negatiivselt laetud silikaatanioonid vajavad laengu tasakaalustamiseks katioone. Paljudel neist on otsene kaubanduslik rakendus, näiteks savi, räniliiv ja enamus tüüpi ehituskivi. Seega on suurem osa räni kasutamisest - struktuurisegu või silikaatmineraalide või ränidioksiidina (ebaküps ränidioksiid). Silikaate kasutatakse portlandtsemendi (peamiselt kaltsiumsilikaadid) tootmisel, mida kasutatakse mördi ja moodsa krohvi ehitamisel ning mis veelgi olulisem - silikaatliiva ja kruusaga (mis tavaliselt sisaldab silikaatmineraale, näiteks graniiti), betooni valmistamiseks, mis on paljude suuremate tööstuslike ehitusprojektide rajamine. 18) Ränidioksiidi kasutatakse tulekindlate telliste, näiteks keraamika valmistamiseks. Silikaatmineraale kasutatakse ka peenkeraamikas, mis on oluline toote tüüp, sisaldades tavaliselt erinevat tüüpi kaltsineeritud savimineraale (looduslikud alumiiniumfüllosilikaadid). Näiteks võib tuua portselani, mis põhineb silikaatmineraalkaoliniidil. Traditsiooniline klaas (silikageel-sooda-lubjaklaas) toimib samuti paljudel samadel viisidel ning seda kasutatakse ka akende ja konteinerite jaoks. Lisaks sellele kasutatakse ränidioksiidi baasil valmistatud klaaskiudu klaaskiudude tootmiseks, samuti klaaskiudude tootmiseks konstruktsiooni toetamiseks ja klaasvilla tootmiseks soojusisolatsiooniks. Silikoone kasutatakse sageli veekindlate materjalide, vormimismaterjalide, vabastusvahendite, mehaaniliste hermeetikute, kõrge temperatuuriga määrdeainete ja vahade ning hermeetikute segude valmistamisel. Silikooni kasutatakse mõnikord ka rinnaimplantaatides, kontaktläätsedes, lõhkeainetes ja pürotehnikas. Algselt valmistati käsnataolisi polümeere boorhappe lisamisega silikoonõlile. Muud räniühendid toimivad kõrgtehnoloogiliste abrasiivide ja uute ülitugevate ränikarbiidil põhinevate keraamiliste sulamidena. Räni on osa supersulamitest.

Sulamid

Elementaarset räni lisatakse sulatatud rauavaludele ferrosilikooni või ränidioksiidi-sulami vormis, et suurendada õhukeste profiilide valamise tulemuslikkust ja välisõhuga kokkupuutel takistada tsementiidi teket. Üriliku räni sisaldus vedelas rauas toimib hapniku valajana, nii et süsinikterase sisaldust, mida tuleb igat tüüpi terase jaoks kitsastes piirides hoida, saab paremini kontrollida. Ferrosiliitsiumi toodetakse ja kasutatakse terasetööstuses ning kuigi see elemendilise räni vorm on äärmiselt rüve, moodustab see 80% vaba räni globaalsest kasutamisest. Räni on elektrilise terase oluline komponent, muutes selle vastupidavust ja ferromagnetilisi omadusi. Räni omadusi saab kasutada metallisulamite, välja arvatud raua, modifitseerimiseks. Metallurgiline räni on räni puhtusega 95–99%. Ligikaudu 55% metallurgilise kvaliteediga räni kogutarbimisest läheb alumiinium-räni sulamite (silumiinisulamid) tootmiseks alumiiniumosade valamiseks, peamiselt autotööstuses kasutamiseks. Räni tähtsus alumiiniumi valamisel tuleneb asjaolust, et märkimisväärne kogus (12%) ränist alumiiniumis moodustab eutektilise segu, mis kõveneb väga vähese termilise ahenemisega. See vähendab märkimisväärselt stressivahesid, kuna valatud sulamid jahtuvad tahkesse olekusse. Räni parandab oluliselt ka alumiiniumi kõvadust ja seetõttu ka kulumiskindlust. üheksateist)

Elektroonika

Enamik elementaarset räni jääb ferrosiliitsiumi sulami kujul ja ainult umbes 20% läheneb metallurgilisele puhtusele (1,3–1,5 miljonit tonni aastas). Hinnanguliselt 15% kogu metallurgilise räni tootmisest on viimistletud pooljuhtide puhtusastmeni. See on tavaliselt "9-9" või puhtus 99,9999999%, 20) peaaegu defektne vaba kristalne materjal. Sellise puhtusega monokristallilist räni toodetakse tavaliselt Czochralski protsessis ja seda kasutatakse ränivahvlite tootmiseks, mida kasutatakse pooljuhtide tööstuses, elektroonikas, aga ka mõnedes kallites ja ülitõhusas fotogalvaanilises rakenduses. Puhas räni on sisemine pooljuht, mis tähendab, et erinevalt metallidest juhib see elektronide auke ja aatomitest kuumuse kaudu eralduvaid elektrone; räni elektrijuhtivus suureneb temperatuuri tõustes. Puhtal ränil on liiga madal juhtivus (s.o liiga kõrge takistusjõud), et seda saaks elektroonika vooluringis kasutada. Praktikas leotatakse puhast räni mõnede muude elementide väikeste kontsentratsioonidega, mis suurendavad märkimisväärselt selle juhtivust ja reguleerivad selle elektrilist reaktsiooni, kontrollides aktiveeritud kandjate kogust ja laengut (positiivset või negatiivset). Selline juhtimine on vajalik transistoride, fotoelementide, pooljuhtdetektorite ja muude arvutitööstuses kasutatavate pooljuhtseadiste ning muude tehniliste rakenduste jaoks. Ränifotoonikas saab räni kasutada pideva lainega Ramani laserkeskkonnana koherentse valguse saamiseks. Tavalistes integreeritud vooluahelates on monokristallilised ränivahvlid mehaaniliseks toeks juhtmetele, mis luuakse hõrenemise teel ja isoleeritakse üksteisest õhukeste ränioksiidi kihtidega - isolaator, mis on kergesti toodetav Si pinnale termilise oksüdatsiooni või kohaliku oksüdatsiooni (LOCOS) protsessis, mis viitab kokkupuude hapnikuga teatud tingimustel, mida saab Deal-Grove'i mudeli abil ennustada. Räni on muutunud kõige populaarsemaks materjaliks nii suure võimsusega pooljuhtide kui ka integraallülituste jaoks, kuna see talub kõrgeimat temperatuuri ja suurimat elektrilist aktiivsust ilma laviini jagunemiseta (elektrooniline laviin tekib siis, kui kuumus tekitab vabu elektrone ja auke, mis nad läbivad rohkem voolu, mis tekitab rohkem soojust). Lisaks on isoleeritud ränioksiid vees lahustumatu, mis annab sellele eelise mõnes valmistamismeetodis germaaniumiga (sarnaste omadustega element, mida võib vaja minna pooljuhtseadistes). Monokristallilise räni tootmine on kallis ja seda õigustatakse tavaliselt ainult integraallülituste tootmisel, kus pisikesed kristallidefektid võivad pisikesi vooluringi häirida. Muud tüüpi räni võib olla kasulik muuks otstarbeks, sealhulgas vesinikuga täidetud amorfne räni ja ümberehitatud metallurgilise kvaliteediga räni (UMG-Si), mida kasutatakse odavate elektroonikute tootmiseks vedelkristallkuvarites ja odavates õhukese kilega fotoelementides. Sellised räni pooljuhtide tüübid on kas pisut vähem puhtad või polükristallilised, mitte monokristallilised ning neid toodetakse võrreldavates kogustes monokristallilise räni kujul: 75 000 kuni 150 000 tonni aastas. Odava räni turg kasvab kiiremini kui ühekristallilise räni turg. Prognooside kohaselt ulatub 2013. aastaks peamiselt päikesepatareides kasutatava polükristallilise räni tootmine 200 000 tonnini aastas, samal ajal kui ühekristalliliste pooljuhtidega räni jääks eeldatavasti vähem kui 50 000 tonni aastas..

Bioloogiline roll

Ehkki räni on saadaval silikaatidena, kasutavad väga vähesed organismid seda otse. Diatoomid, radiolaarid ja ränidioksiid käsnad kasutavad oma luustiku struktuurimaterjalina biogeenset räni. Edasijõudnumates taimedes on ränidioksiidi fütoliidid (opaalide fütoliidid) rakus leiduvad tahked mikroskoopilised kehad; mõned taimed, näiteks riis, vajavad oma kasvuks räni. 21) On tõestatud, et räni parandab mõne taime rakuseina tugevust ja struktuurset terviklikkust.

Inimeste toitumine

On tõendeid selle kohta, et räni on oluline inimeste, eriti küünte, juuste, luude ja nahakudede tervise jaoks, näiteks uuringutes, mis näitavad, et premenopausaalsetel naistel, kelle räni söömine on suurem kui dieet, on suurem luutihedus ja lisaks räni võib suurendada osteoporoosiga patsientide luumahtu ja tihedust. Räni on vajalik elastiini ja kollageeni sünteesiks ning suures osas sisaldub neid aordis ja seda peetakse asendamatuks elemendiks; selle asendamatust on sellegipoolest keeruline tõestada, kuna räni on väga levinud ja seetõttu on vaeguse sümptomeid keeruline taastoota. 22) Räni peetakse praegu Ameerika Taimetoiduametite Järelevalveametnike Assotsiatsiooni (AAPFCO) staatuse „taimekasuliku aine” kandidaadiks..

Ohutus

Inimesed võivad elementaarse räniga kokku puutuda töökohal seda sisse hingates, seedeelundkonna kaudu või kokkupuutel naha või silmadega. Kahel viimasel juhul on räni ärritajana väike oht. Kahjulik sissehingamisel. Tööohutuse ja töötervishoiu amet (OSHA) on kehtestanud töökohal räniga kokkupuute seaduslikuks piirmääraks (kokkupuute piirväärtuseks) 15 mg / m3 ja hingamisteede kokkupuute piirväärtuseks 5 mg / m3 8-tunnise tööpäeva jooksul. Riiklik tööohutuse ja töötervishoiu instituut (NIOSH) on 8-tunnise tööpäeva jooksul kehtestanud soovitusliku kokkupuute piirmäära (REL) 10 mg / m3 ja 5 mg / m3. Kristallilise ränidioksiidi sissehingamine võib põhjustada silikoosi, kutsehaigust, mida iseloomustab põletik ja armistumine sõlmeliste kahjustuste kujul kopsude ülaosades. 23)

Loe Diabeedi Riskifaktorid