Räni (Si): omadused, kasutus elektroonikas, klaas ja silikaadid
Räni: omadused, kasutus elektroonikas, klaasi tootmine ja silikaadid — praktiline ülevaade räni rollist tehnoloogias, klaasitööstuses ja igapäevaelus.
Räni on perioodilisustabelis element 14. Selle sümbol on Si.
Räni näeb välja nagu metall, kuid ei tee kõike seda, mida metall teeb, näiteks ei juhi väga kergesti elektrit. See on metalloid. Räni kasutatakse palju tänapäeva arvutites ja praktiliselt igas elektroonikaseadmes. Arvutites saab kasutada ka germaaniumi, kuid räni on lihtsamini leitav.
Maal on palju räni. Rannas on räni liiva kujul. Liiv on räni ühend, mida nimetatakse ränidioksiidiks või ränidioksiidiks. Klaasi valmistatakse liiva (või ränidioksiidi) piisavalt kuumaks kuumutamisel. Värviliste ühendite lisamisega saab klaasile anda erinevaid värve. Räni moodustab ka palju erinevaid kivimeid ja mineraale ning neid nimetatakse silikaatideks.
Peamised omadused
Räni on pooljuht, millel on omadusi nii metallide kui ka mittemetallide vahel. Mõned tähtsamad füüsikalised ja keemilised omadused:
- Atomnumber: 14; aatommass: umbes 28,09 u.
- Kristallstruktuur: tahke räni moodustab tavaliselt tetraeedrilise (tavaliselt diamond-cubic) kristallvõre.
- Elektrijuhtivus: puhas räni juhib elektrit halvasti, aga selle juhtivust saab tugevalt muuta lisandamise (dopinguga) — seetõttu on see pooljuht.
- Keemiline keele: moodustab tugevaid Si–O sidemeid; ränidioksiid (SiO2) on väga stabiilne ühend.
- Isegi ja ohutus: elementaarne räni iseenesest ei ole väga toksiline, kuid peen tolm ja ränidioksiidi tolm (silikaat tolm) võivad põhjustada kopsuhaigusi (näiteks silikoosi).
Räni roll elektroonikas
Räni on elektroonika ja pooljuhttehnoloogia aluseks. Peamised rakendused ja protsessid:
- Pooljuhid ja integraallülitused: elektroonikatööstuses kasvatatakse suurepärase puhtusastmega räni monokristalle (nt Czochralski meetodiga) ning neist lõigatakse viilud (wafer), millele tehakse transistoreid ja kiipe.
- Dopingu kasutus: räni omadusi muudetakse lisanditega (nt boor, fosfor), et saada tüüpiliselt n- või p-tüüpi pooljuht. See on aluseks transistoritele, diodidele ja muudele pooljuhtseadmetele.
- Päikesepaneelid: puhastatud räni kasutatakse ka päikesepatareide (PV-elementide) valmistamiseks, kus see muundab päikesevalgust elektrienergiaks.
- Võrdlus teiste materjalidega: germaanium ja gallium-arseen on alternatiivsed pooljuhid mõnes rakenduses, kuid räni on odavam ja laialdasemalt kasutatav tänu suuremale termilisele stabiilsusele ja hea oksüdi omadustele.
Klaas, ränidioksiid ja silikaadid
Räni keemilised ühendid mängivad suurt rolli ehituses, tööstuses ja looduses:
- Ränidioksiid (SiO2): kõige levinum räni ühend looduslikus liivas ja kvartsi mineraalis. See on klaasi ja mitmete keraamiliste materjalide peamine koostisosa.
- Klaasitootmine: traditsiooniline klaas (soda‑lime glass) tehakse peamiselt ränidioksiidist koos naatriumkarbonaadi ja lubjaga. Fused silica ehk sulatud ränidioksiid annab väga puhta, kõrge temperatuuritaluvusega klaasi (kasutatakse optikas ja laboriseadmetes).
- Silikaadid: räni ja hapniku kombineerumisel tekivad arvukad silikaadid (näiteks feldspaat, biotiit, kaoliniit). Need mineraalid on paljude kivimite ja savi aluseks ning neid kasutatakse keraamika, ehitusmaterjalide ja klaasi valmistamisel.
Levimus, tootmine ja keskkonnamõjud
Räni on maakiires üks levinumaid elemente — umbes 28 protsenti Maa koorikust kaaluliselt.
- Allikad: räni esineb peamiselt ränidioksiidi (SiO2) ja mitmete silikaatide kujul. Liiv, kvartsi sisaldavad kivimid ja savid on tavalised allikad.
- Tööstuslik tootmine: metallurgiline räni saadakse ränidioksiidi aluspõhist vähendamisest süsinikuga kõrgel temperatuuril. Elektroonikatööstuse jaoks puhastatakse see seejärel keemiliselt ja kristalliseeritakse kõrge puhtusastmega monokristallideks.
- Terviseriskid: püsiv kokkupuude kruusa- ja kvartstolmu ning peenikeste silikaadiosakestega võib tekitada kroonilisi kopsuhaigusi (silikoos). Tööstuslikes tingimustes on oluline tolmu filtreerimine ja tööohutus.
- Ringlussevõtt ja jätkusuutlikkus: elektroonikatoodete taaskasutamine ja päikesepaneelide ringlussevõtt aitavad vähendada kõrge puhtusastmega räni tootmise keskkonnamõju.
Lõppsõna
Räni on universaalne ja laialt levinud element, mille pooljuhtomadused ning tugevad oksüdsid teevad sellest põhikomponendi nii kaasaegses elektroonikas, klaasitootmises kui ka ehitusmaterjalides. Kuigi elementaarne räni ei ole äärmiselt toksiline, tuleb arvestada ränidioksiidi tolmu terviseriskidega tööstuskeskkonnas.
Väikesed räniterad, sest see on purustatud. See ei ole arvutites kasutatav räni.
Suurest ränikristallist saadud õhuke lõik, mis on väga sile. Seda tüüpi räni saab kasutada arvutites, sest see on väga puhas.
Räni arvutites
Räni on pooljuht ja seda kasutatakse palju arvutites. Räni ülipuhast isotoopi, räni-28, saab nüüd valmistada 40 korda puhtamalt kui varem. See on väga oluline järgmise suure arengu jaoks arvutites. See salvestab "kubiti" teise elemendi, näiteks fosfori aatomites, mis on sisse põimitud ülipuhta räni-28 pisikesse kihti. Need qubitid suudavad kodeerida ühe ja nulli üheaegselt, mis võimaldab uskumatult kiireid ja keerulisi arvutusi.
Seotud leheküljed
- Ühiste elementide loetelu
Küsimused ja vastused
K: Mis on räni?
V: Räni on keemiline element, mis on tetravalentne metalloid ja pooljuht.
K: Milline on räni aatomiarv?
V: Räni aatomiarv on perioodilisustabelis 14.
K: Mis on räni sümbol?
V: Räni sümbol on Si.
K: Kas räni juhib hästi elektrit?
V: Ei, räni ei suuda elektrit hästi juhtida.
K: Kus kasutatakse räni tavaliselt?
V: Räni kasutatakse tavaliselt tänapäeva arvutites ja ka peaaegu kõikides muudes elektroonikaseadmetes.
K: Millest on räni valmistatud?
V: Ränidioksiid koosneb väikestest ränidioksiidi kuubikutest, mida leidub kogu rannaliivas.
K: Mis on ränidioksiid?
V: Silikaadid on räni ja hapniku ühendid, millest koosnevad paljud kivimid ja mineraalid.
Otsige