Räni

Räni on keemiline element Mendelejevi tabelis aatomnumbriga 14 ja sümboliga Si. Vaidlus räni nimetuse üle inglise keeles sai alguse kohe pärast selle aine avastamist. Räni eraldati puhta vormina 1824. aastal ning see nimetati siliitsiumiks (ladina keelest: silicis, flints, ränikivi), kus sõnalõpp -ium viitab metallile. 1831. aastal otsustati nimetust muuta, et see näitaks seost temaga füüsikaliselt sarnaste keemiliste elementidega nagu süsinik (carbon) ja boor (boron). Massiprotsendi järgi on räni levikult kaheksas element universumis, aga looduses esineb ta väga harva lihtainena. Seda võib leida ränioksiidi või silikaatide näol tolmu, liiva, planetoidide ja planeetide koostisosana. Üle 90% maakoorest koosneb räni mineraalidest, tõstes ta levimuse poolest maakoores teisele kohale (umbes 28% maakoorest) pärast hapnikku. Räni on neljavalentne mittemetall, mille reaktsioonivõime on väiksem kui mittemetallist süsinikul, mis asetseb perioodilisustabelis tema kohal, kuid ta on suurema reaktsioonivõimega kui poolmetallist germaanium, mis on perioodilisustabelis tema all. 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. Molekulmass: 28,0855 Sulamistemperatuur: 1417 °C Tihedus: 2330 kg/m³ 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 vesinikfluoriidhappest). 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). Stabiilseid isotoope on 3, massiarvudega 28, 29 ja 30. 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 Kirjeldatud meetodid on kõige enam levinud, kuid leidub muidki meetodeid. 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 süsiniktetrakloriid ei tee. Dihalogeene, mis on väga reageerimisaltid, 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 ja ränidioksiidi vahelistel reaktsioonidel kõrgel temperatuuridel on võimalik valmistada mitmesuguste omadustega klaase. Näiteks kvartsklaasi, boorsilikaatklaasi ja kristallist klaasi. Lihtainena avaldab räni suurt mõju tänapäeva maailma majandusele. Suurem osa sellest kasutatakse terase rafineerimisel, alumiiniumi valamisel, kõrgekvaliteedilises keemiatööstuses (tihti kuumutatud ränioksiidi valmistamiseks) ja kaubanduses ilma põhjalikuma töötluseta. Savi, kvartsliiva ja -kivi kasutatakse vahetult ehitusmaterjalidena. Kvartsliiv on samuti keraamiliste telliste koostisosa. Silikaati lisatakse portlandtsementi, mis omakorda kombineeritakse kvartsliiva ja kruusaga, et valmistada betooni. Silikaate leidub veel portselanis ja klaasides. Kaasaegsed räni ühendid nagu ränikarbiidid moodustavad abrasiivseid ja ülitugevaid keraamilisi aineid. Laialt levinud sünteetilisi räni polümeere nimetatakse silikoonideks. Suuremat tähtsust omab siiski väike hulk räni, mida kasutatakse pooljuhtidena elektroonikas (<10%), arvutisüsteemides ning teistes laialt levinud tehnoloogiates. 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. Kuigi loomadel on eluks vajalik räni kogus kaduvväike, on ta siiski bioloogias väga oluline element. Näiteks mitmed meres elavad käsnloomad vajavad seda oma struktuuri ehitamiseks ning samuti on sellel suur tähtsus taimede metabolismis. Taimedest leidub räni rohkem kõrreliste vartes, kuid seda on ka ainuraksete kodades, sulgedes ja villas. Polükristalliline räni Abundances of the Elements in the Earth's Crust Nave, R., Georgia State University O'Mara, William C. (1990). Handbook of Semiconductor Silicon Technology. William Andrew Inc. Lk 349–352. ISBN 0815512376. Vaadatud 24.02.2008. Holleman, Arnold F.; Wiberg, Nils (2007). Lehrbuch der anorganischen Chemie (102 ed.). Berlin: de Gruyter. ISBN 3110177706. F. G. Stone, Robert West, Multiply Bonded Main Group Metals and Metalloids, Academic Press, 1996, ISBN 0120311399 p. 255 Hergi Karik, Kalle Truus. 2003. "Elementide keemia" Räni õpikus "Materjalimaailm"