Räni

Füüsikalised omadused

Räni on toatemperatuuril tahke, suhteliselt kõrge sulamis- ja keemistemperatuuriga (vastavalt 1400 ja 2800 kraadi Celsiust) keemiline element. Räni tihedus on vedelas olekus suurem kui tahkes olekus. Seetõttu ei tõmbu räni külma käes kokku nagu enamik aineid, vaid selle ruumala hoopis suureneb. Selline olukord sarnaneb olukorraga, kus vesi külmunud olekus on hõredam ja omab väiksemat massi ruumalaühiku kohta kui näiteks toatemperatuuril olev vedeliku vormis vesi. Räni suhteliselt kõrge soojusjuhtivuse (149 W/m•K) tulemusena juhib räni hästi soojust ega ole seetõttu sobiv isolatsioonimaterjal.
Lihtainena on räni halli värvi ja metallilise läikega kristalne aine. Ta on üpriski tugev, väga habras ja kergesti mõranev nagu ka tema analoog germaanium. Süsiniku ja germaaniumiga sarnaselt moodustuvad räni kristalliseerumisel teemandi omadega sarnased kristallstruktuurid, kus võre laius on ligikaudu 0,5430710 nm (5,430710 Å). Nagu ka süsinikul, on ränil valentskihis neli elektroni. 1s ja 2s alakihid on täidetud ning 2p alakihis, kuhu mahuks kokku kuus elektroni, on neid vaid kaks.

Keemilised omadused

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

Isotoobid

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

Lihtaine saamine

Räni saadakse puhta kvartsliiva ja söe (teise nimega koksi) segu kuumutamisel kaarleekahjus, kus temperatuur on ligikaudu 1800 °C :
                                             SiO₂ + 2C → Si + 2CO
Pärast happetöötlust saadakse kuni 99,9% ränisisaldusega saadus, kuid tihti ei ole see piisavalt puhas. Sel juhul viiakse räni üle halogeniidiks SiCl₄ või SiHCl₃, mis puhastatakse eri meetoditega ning redutseeritakse ülipuhta vesinikuga 1200–1300 °C juures.
                                             SiHCl₃ + H₂ → Si + 3HCl
Ülalpool kirjeldatud on kõige levinumad meetodid, kuid neid leidub veel teisigi.

Ühendid

Räni moodustab paljude metallidega binaarseid ühendeid, mida nimetatakse silitsiidideks ning mille omadused varieeruvad suuresti. Nagu näiteks hea reaktsioonivõimega magneesiumsilikaat (Mg₂Si) või molübteendisilikaat (MoSi₂), mis on kõrge sulamistemperatuuriga tulekindel ühend.
Ränikarbiid (SiC) on kõva, kõrge sulamistemperatuuriga tahke aine ning samuti laialdaselt tuntud abrasiiv. Kuumpressimisega on võimalik muuta see ülitugevaks keraamiliseks aineks, mida kasutatakse lahinguvarustuses.
Silaan (SiH₄) on pürofoorne gaas, millel on sarnane tetraeedriline molekulkuju nagu metaanil (CH₄). Puhta gaasi korral ei toimu reaktsiooni veega ega lahjendatud hapetega, kuid isegi väike kogus leeliselisi lisandeid kutsub esile tormilise hüdrolüüsi. Silaanide korral on homogeensete ahelate ehk ränivesinike (SiₙH₂ₙ₊₂, kus n = 2–8) tekkimine võimalik analoogselt alkaanidele. Kuid nad on väga kiiresti hüdrolüüsuvad ning ebastabiilsed, eriti suurema molekulmassiga ühendid.
Disilaanides on kahe räni vahel kaksikside (analoogselt alkeenidele) ning suure reageerimisvõime tõttu on neis ühendites stabiliseerimiseks vaja suuri asendusrühmi. Aastal 2004 eraldati ka disilaan, kus ränide vahel leiti olevat kolmikside, kuid kuna ühend ei ole lineaarne, siis ei saanud neid võrrelda alküünidega.
Räni ühendid halogeenidega nimetatakse ränihalogeniidideks (SiX₄). Näiteks ränitetrakloriid reageerib veega, mida tema analoog süsinik tertrakloriid ei tee. Dihalogeene, mis on äärmiselt reageerimisaldid, valmistatakse halogeeni ja räni vahelisel reaktsioonil kõrgel temperatuuril. Ränidifloriid kondenseerimisel saadakse polümeer (SiF₂)n.
Ränidioksiid on kõrge sulamistemperatuuriga tahke aine, millel on mitmesuguseid kristallstruktuure. Tähtsaimad teisendid on kvarts, kristobaliit ja tridümiit. Neist kuulsaim on kvarts. Kvartsi kristallis on iga räni aatom ümbritsetud nelja hapniku aatomiga, mis on sillaks järgmise räni aatomini, moodustades kolmemõõtelise võre. Oksiid on kõrgel temperatuuril vees lahustuv, kus ta muundub ortoränihapeteks Si(OH)₄.
Sobivatel tingimustel võib ortoränihape kergesti polümeriseeruda, moodustades veel keerulisemaid ränihappeid. Lihtsaimaks saaduseks võimalikest reaktsioonidest on kondensatsioonist tekkinud diränihape (H₆Si₂O₇). Keerulisemad on aga polüränihapped, mida tähistatakse {Siₓ(OH)4–2x}ₙ, mille puhul on palju eri struktuure ja omadusi.
Teiste elementide oksiidide ning ränidioksiidi vahelistel reaktsioonidel kõrgel temperatuuridel on võimalik valmistada mitmesuguseid erinevate omadustega klaase. Näiteks kvartsklaasi, boorsilikaatklaasi ja kristallist klaasi.

Biotoime

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