Kuidas perioodilisustabelit kasutada? Asjatundmatule inimesele on perioodilisustabeli lugemine sama, mis päkapiku iidseid ruune vaadates. Ja perioodilisustabel võib teile maailma kohta palju öelda.
Lisaks sellele, et see teenib teid eksamil hästi, on see lihtsalt asendamatu ka tohutu hulga keemiliste ja füüsikaliste probleemide lahendamisel. Aga kuidas seda lugeda? Õnneks saavad kõik tänapäeval seda kunsti õppida. Selles artiklis räägime teile, kuidas perioodilisustabelit mõista.
Keemiliste elementide perioodilisustabel (Mendelejevi tabel) on keemiliste elementide klassifikatsioon, mis määrab elementide erinevate omaduste sõltuvuse aatomituuma laengust.
Tabeli loomise ajalugu
Dmitri Ivanovitš Mendelejev polnud lihtne keemik, kui keegi nii arvab. Ta oli keemik, füüsik, geoloog, metroloog, ökoloog, majandusteadlane, naftatööline, aeronaut, instrumentide valmistaja ja õpetaja. Oma elu jooksul suutis teadlane läbi viia palju fundamentaalseid uuringuid erinevates teadmiste valdkondades. Näiteks on levinud arvamus, et just Mendelejev arvutas välja viina ideaalse kanguse – 40 kraadi.
Me ei tea, kuidas Mendelejev viinasse suhtus, kuid teame kindlalt, et tema väitekirjal teemal “Arutelu alkoholi ja veega kombineerimisest” polnud viinaga mingit pistmist ja see käsitles alkoholisisaldust alates 70 kraadist. Kõigi teadlase eelistega tõi talle kõige laiema kuulsuse keemiliste elementide perioodilise seaduse avastamine - üks põhilisi loodusseadusi.
On legend, mille järgi teadlane nägi unes perioodilisustabelit, misjärel tuli tal vaid tekkinud ideed täpsustada. Aga kui kõik oleks nii lihtne... See perioodilisuse tabeli loomise versioon pole ilmselt midagi muud kui legend. Küsimusele, kuidas laud avati, vastas Dmitri Ivanovitš ise: " Olen sellele mõelnud võib-olla kakskümmend aastat, aga sina mõtled: ma istusin seal ja järsku... see on tehtud.
19. sajandi keskel üritasid mitmed teadlased paralleelselt järjestada teadaolevaid keemilisi elemente (teada oli 63 elementi). Näiteks 1862. aastal paigutas Alexandre Emile Chancourtois elemendid piki spiraali ja märkis keemiliste omaduste tsüklilist kordumist.
Keemik ja muusik John Alexander Newlands pakkus välja oma versiooni perioodilisuse tabelist 1866. aastal. Huvitav fakt on see, et teadlane püüdis avastada elementide paigutuses mingit müstilist muusikalist harmooniat. Muude katsete hulgas oli ka Mendelejevi katse, mis kroonis edu.
1869. aastal avaldati esimene tabeliskeem ja perioodilise seaduse avamise päevaks loetakse 1. märtsi 1869. aastal. Mendelejevi avastuse olemus seisnes selles, et kasvava aatommassiga elementide omadused ei muutu monotoonselt, vaid perioodiliselt.
Tabeli esimene versioon sisaldas vaid 63 elementi, kuid Mendelejev tegi mitmeid väga ebatavalisi otsuseid. Niisiis arvas ta, et jätab tabelis ruumi veel avastamata elementide jaoks ja muutis ka mõne elemendi aatommassi. Mendelejevi tuletatud seaduse fundamentaalne õigsus leidis kinnitust väga kiiresti, pärast galliumi, skandiumi ja germaaniumi avastamist, mille olemasolu teadlane ennustas.
Kaasaegne vaade perioodilisuse tabelile
Allpool on tabel ise
Tänapäeval kasutatakse elementide järjestamiseks aatommassi (aatommassi) asemel mõistet aatomarv (prootonite arv tuumas). Tabelis on 120 elementi, mis on järjestatud aatomarvu (prootonite arvu) suurenemise järjekorras vasakult paremale.
Tabeli veerud tähistavad nn rühmi ja read tähistavad perioode. Tabelis on 18 rühma ja 8 perioodi.
- Elementide metallilised omadused vähenevad, kui liiguvad perioodi vasakult paremale, ja suurenevad vastupidises suunas.
- Aatomite suurused vähenevad, kui nad liiguvad perioodiliselt vasakult paremale.
- Kui liigute rühmas ülevalt alla, suurenevad redutseerivad metalli omadused.
- Oksüdeerivad ja mittemetallilised omadused suurenevad, kui liigute perioodi vasakult paremale.
Mida me tabelist elemendi kohta õpime? Näiteks võtame tabeli kolmanda elemendi - liitiumi ja kaaluge seda üksikasjalikult.
Kõigepealt näeme elemendi sümbolit ennast ja selle all selle nime. Ülemises vasakus nurgas on elemendi aatomnumber, millises järjekorras element tabelis on paigutatud. Aatomarv, nagu juba mainitud, võrdub prootonite arvuga tuumas. Positiivsete prootonite arv on tavaliselt võrdne negatiivsete elektronide arvuga aatomis (välja arvatud isotoopides).
Aatommass on näidatud aatomnumbri all (tabeli käesolevas versioonis). Kui ümardame aatommassi lähima täisarvuni, saame nn massiarvu. Massiarvu ja aatomarvu erinevus annab neutronite arvu tuumas. Seega on heeliumi tuumas neutronite arv kaks ja liitiumis neli.
Meie kursus “Perioodiline tabel mannekeenidele” on lõppenud. Kokkuvõtteks kutsume teid vaatama temaatilist videot ja loodame, et küsimus, kuidas Mendelejevi perioodilisustabelit kasutada, on teile selgemaks saanud. Tuletame meelde, et alati on efektiivsem uut ainet õppida mitte üksi, vaid kogenud mentori abiga. Seetõttu ei tohiks kunagi unustada üliõpilasteenindust, kes jagab hea meelega oma teadmisi ja kogemusi teiega.
Pärast hapnikku räni on maakoore kõige rikkalikum element. Sellel on 2 stabiilset isotoopi: 28 Si, 29 Si, 30 Si. Räni looduses vabal kujul ei esine.
Levinumad: ränihappesoolad ja ränioksiid (ränidioksiid, liiv, kvarts). Need on osa mineraalsooladest, vilgust, talkist, asbestist.
Räni allotroopia.
U räni Allotroopseid modifikatsioone on 2:
Kristalliline (helehallid kristallid. Struktuur sarnaneb teemantkristallvõrega, kus räni aatom on kovalentselt seotud 4 identse aatomiga ja ise on sp3 - hübridisatsioon);
Amorfne (pruun pulber, aktiivsem vorm kui kristalne).
Räni omadused.
Temperatuuril reageerib räni õhu hapnikuga:
Si + O 2 = SiO 2 .
Kui hapnikku pole piisavalt (hapnikupuudus), võib tekkida järgmine reaktsioon:
2 Si + O 2 = 2 SiO,
Kus SiO- monooksiid, mis võib tekkida ka reaktsiooni käigus:
Si + SiO 2 = 2 SiO.
Normaalsetes tingimustes räni võib reageerida F 2 , kuumutamisel - koos Cl 2 . Kui tõstate temperatuuri veelgi, siis Si saab suhelda N Ja S:
4Si + S8 = 4SiS2;
Si + 2F 2 = SiF 4.
Räni on võimeline reageerima süsinikuga, andes karborund:
Si + C = SiC.
Räni lahustub kontsentreeritud lämmastik- ja vesinikfluoriidhappe segus:
3Si + 4HNO3 + 12HF = 3SiF4 + 4NO + 8H2O.
Räni lahustub leeliste vesilahustes:
Si + 2NaOH + H2O = Na2SiO3 + H2.
Oksiididega kuumutamisel on räni ebaproportsionaalne:
2 MgO + 3 Si = Mg 2 Si + 2 SiO.
Metallidega suhtlemisel toimib räni oksüdeeriva ainena:
2 Mg + Si = Mg 2 Si.
Räni pealekandmine.
Räni kasutatakse enim sulamite tootmisel alumiiniumile, vasele ja magneesiumile tugevuse andmiseks ning ferrosilitsiidide tootmiseks, mis on olulised terase ja pooljuhttehnoloogia tootmisel. Ränikristalle kasutatakse päikesepatareides ja pooljuhtseadmetes – transistorites ja dioodides.
Räni toimib ka toorainena räniorgaaniliste ühendite ehk siloksaanide tootmisel, mida saadakse õlide, määrdeainete, plastide ja sünteetiliste kummidena. Anorgaanilisi räniühendeid kasutatakse keraamika- ja klaasitehnoloogias, isolatsioonimaterjalina ja piesokristallidena.
Üks looduses levinumaid elemente on räni ehk räni. Selline lai levik näitab selle aine tähtsust ja tähtsust. Seda mõistsid ja õppisid kiiresti inimesed, kes õppisid räni oma eesmärkidel õigesti kasutama. Selle kasutamine põhineb eriomadustel, mida arutame edasi.
Räni - keemiline element
Kui iseloomustame antud elementi perioodilisuse tabelis positsiooni järgi, saame tuvastada järgmised olulised punktid:
- Seerianumber - 14.
- Periood on kolmas väike.
- Rühm - IV.
- Alarühm on peamine.
- Välise elektronkihi struktuuri väljendatakse valemiga 3s 2 3p 2.
- Elementi räni tähistab keemiline sümbol Si, mida hääldatakse "räni".
- Selle oksüdatsiooniastmed on: -4; +2; +4.
- Aatomi valents on IV.
- Räni aatommass on 28,086.
- Looduses on selle elemendi kolm stabiilset isotoopi massinumbritega 28, 29 ja 30.
Seega on räni aatom keemilisest vaatenurgast üsna uuritud element, kirjeldatud on palju selle erinevaid omadusi.
Avastamise ajalugu
Kuna kõnealuse elemendi erinevad ühendid on looduses väga populaarsed ja rikkalikud, on inimesed iidsetest aegadest kasutanud ja teadnud paljude nende omadusi. Puhas räni püsis keemias pikka aega väljaspool inimese teadmisi.
Kõige populaarsemad ühendid, mida iidsete kultuuride rahvad (egiptlased, roomlased, hiinlased, venelased, pärslased jt) kasutasid igapäevaelus ja tööstuses, olid ränioksiidil põhinevad vääris- ja dekoratiivkivid. Need sisaldavad:
- opaal;
- kivikivi;
- topaas;
- krüsopraas;
- oonüks;
- kaltsedoon ja teised.
Samuti on iidsetest aegadest kombeks kasutada ehituses kvartsi. Elementaarne räni ise jäi aga avastamata kuni 19. sajandini, kuigi paljud teadlased püüdsid seda tulutult isoleerida erinevatest ühenditest, kasutades selleks katalüsaatoreid, kõrgeid temperatuure ja isegi elektrivoolu. Need on sellised helged pead nagu:
- Karl Scheele;
- Gay-Lussac;
- Thenar;
- Humphry Davy;
- Antoine Lavoisier.
Jens Jacobs Berzeliusel õnnestus 1823. aastal saada räni puhtal kujul. Selleks viis ta läbi ränifluoriidi ja kaaliummetalli aurude sulatamise katse. Selle tulemusena sain kõnealuse elemendi amorfse modifikatsiooni. Samad teadlased pakkusid avastatud aatomile välja ladinakeelse nime.
Veidi hiljem, 1855. aastal, õnnestus teisel teadlasel - Sainte-Clair-Deville'il - sünteesida veel üks allotroopne sort - kristalne räni. Sellest ajast alates hakkasid teadmised selle elemendi ja selle omaduste kohta väga kiiresti laienema. Inimesed mõistsid, et sellel on ainulaadsed omadused, mida saab väga arukalt kasutada nende enda vajaduste rahuldamiseks. Seetõttu on tänapäeval üks populaarsemaid elemente elektroonikas ja tehnoloogias räni. Selle kasutamine ainult laiendab selle piire igal aastal.
Aatomile venekeelse nime andis teadlane Hess 1831. aastal. See on see, mis on jäänud tänapäevani.
Looduse arvukuse poolest on räni hapniku järel teisel kohal. Selle protsent võrreldes teiste aatomitega maakoores on 29,5%. Lisaks on süsinik ja räni kaks erilist elementi, mis võivad üksteisega sidudes ahelaid moodustada. Seetõttu on viimaste kohta teada üle 400 erineva loodusliku mineraali, milles seda leidub litosfääris, hüdrosfääris ja biomassis.
Kust räni täpsemalt leidub?
- Sügavates mullakihtides.
- Kivimites, ladestudes ja massiivides.
- Veekogude põhjas, eriti meredes ja ookeanides.
- Loomariigi taimedes ja mereelustikus.
- Inimkehas ja maismaaloomadel.
Võime tuvastada mitu kõige levinumat mineraali ja kivimit, mis sisaldavad suures koguses räni. Nende keemia on selline, et puhta elemendi massisisaldus neis ulatub 75% -ni. Konkreetne näitaja sõltub aga materjali tüübist. Niisiis, räni sisaldavad kivimid ja mineraalid:
- päevakivid;
- vilgukivi;
- amfiboolid;
- opaalid;
- kaltsedoon;
- silikaadid;
- liivakivid;
- Alumosilikaadid;
- savid ja teised.
Mereloomade kestadesse ja eksoskelettidesse akumuleerudes moodustab räni lõpuks veekogude põhjas võimsaid ränidioksiidi ladestusi. See on selle elemendi üks looduslikke allikaid.
Lisaks leiti, et räni võib eksisteerida oma puhtal kujul – kristallidena. Kuid sellised hoiused on väga haruldased.
Räni füüsikalised omadused
Kui iseloomustame vaadeldavat elementi füüsikaliste ja keemiliste omaduste kogumi järgi, siis on kõigepealt vaja määrata füüsikalised parameetrid. Siin on mõned peamised:
- See eksisteerib kahe allotroopse modifikatsiooni kujul - amorfne ja kristalne, mis erinevad kõigi omaduste poolest.
- Kristallvõre on väga sarnane teemandi omaga, sest süsinik ja räni on selles osas praktiliselt samad. Aatomite vaheline kaugus on aga erinev (räni on suurem), seega on teemant palju kõvem ja tugevam. Võre tüüp - kuupkujuline näokeskne.
- Aine on väga rabe ja muutub kõrgel temperatuuril plastiliseks.
- Sulamistemperatuur on 1415 ˚C.
- Keemistemperatuur - 3250˚С.
- Aine tihedus on 2,33 g/cm3.
- Segu värvus on hõbehall, iseloomuliku metallilise läikega.
- Sellel on head pooljuhtomadused, mis võivad teatud ainete lisamisel muutuda.
- Ei lahustu vees, orgaanilistes lahustites ja hapetes.
- Lahustub eriti leelistes.
Räni tuvastatud füüsikalised omadused võimaldavad inimestel sellega manipuleerida ja kasutada seda erinevate toodete loomiseks. Näiteks puhta räni kasutamine elektroonikas põhineb pooljuhtivuse omadustel.
Keemilised omadused
Räni keemilised omadused sõltuvad suuresti reaktsioonitingimustest. Kui me räägime standardparameetritest, siis peame näitama väga madalat aktiivsust. Nii kristalne kui ka amorfne räni on väga inertsed. Nad ei interakteeru tugevate oksüdeerivate ainetega (va fluor) ega tugevate redutseerivate ainetega.
Selle põhjuseks on asjaolu, et aine pinnale moodustub koheselt SiO 2 oksiidkile, mis takistab edasisi koostoimeid. See võib tekkida vee, õhu ja auru mõjul.
Kui muudate standardtingimusi ja soojendate räni temperatuurini üle 400˚C, suureneb selle keemiline aktiivsus oluliselt. Sel juhul reageerib see:
- hapnik;
- igat tüüpi halogeenid;
- vesinik.
Temperatuuri edasise tõusuga on võimalik toodete moodustumine boori, lämmastiku ja süsinikuga koostoimel. Karborund - SiC - on eriti oluline, kuna see on hea abrasiivne materjal.
Samuti on räni keemilised omadused selgelt nähtavad reaktsioonides metallidega. Nendega seoses on see oksüdeeriv aine, mistõttu neid tooteid nimetatakse silitsiidideks. Sarnased ühendid on tuntud:
- aluseline;
- leelismuld;
- siirdemetallid.
Raua ja räni sulatamisel saadud ühendil on ebatavalised omadused. Seda nimetatakse ferrosilikoonkeraamikaks ja seda kasutatakse edukalt tööstuses.
Räni ei interakteeru keeruliste ainetega, seetõttu võib see kõigist nende sortidest lahustuda ainult:
- aqua regia (lämmastik- ja vesinikkloriidhappe segu);
- söövitavad leelised.
Sel juhul peab lahuse temperatuur olema vähemalt 60˚C. Kõik see kinnitab veel kord aine füüsikalist alust – teemantilaadset stabiilset kristallvõre, mis annab sellele tugevuse ja inertsuse.
Omandamise meetodid
Räni saamine puhtal kujul on majanduslikult üsna kulukas protsess. Lisaks annab mis tahes meetod oma omaduste tõttu ainult 90-99% puhtusega, samas kui metallide ja süsiniku kujul esinevad lisandid jäävad samaks. Seetõttu ei piisa ainult aine hankimisest. Samuti tuleks see põhjalikult puhastada võõrkehadest.
Üldiselt toimub räni tootmine kahel peamisel viisil:
- Valgest liivast, mis on puhas ränioksiid SiO 2. Kui seda kaltsineeritakse aktiivsete metallidega (kõige sagedamini magneesiumiga), moodustub vaba element amorfse modifikatsiooni kujul. Selle meetodi puhtus on kõrge, saadus saadakse 99,9% saagisega.
- Tööstuslikus mastaabis laialdasemalt levinud meetod on sulaliiva paagutamine koksiga spetsiaalsetes termoahjudes. Selle meetodi töötas välja vene teadlane N. N. Beketov.
Edasine töötlemine hõlmab toodete allutamist puhastusmeetoditele. Sel eesmärgil kasutatakse happeid või halogeene (kloor, fluor).
Amorfne räni
Räni iseloomustus on puudulik, kui iga selle allotroopset modifikatsiooni ei käsitleta eraldi. Esimene neist on amorfne. Selles olekus on aine, mida me kaalume, pruunikaspruun pulber, mis on peeneks hajutatud. Sellel on kõrge hügroskoopsus ja kuumutamisel üsna kõrge keemiline aktiivsus. Standardtingimustes on see võimeline suhtlema ainult tugevaima oksüdeeriva ainega - fluoriga.
Ei ole täiesti õige nimetada amorfset räni kristalse räni tüübiks. Selle võre näitab, et see aine on vaid peeneks hajutatud räni vorm, mis eksisteerib kristallidena. Seetõttu on need modifikatsioonid üks ja sama ühend.
Nende omadused aga erinevad, mistõttu on kombeks rääkida allotroopiast. Amorfsel ränil endal on kõrge valguse neeldumisvõime. Lisaks on see indikaator teatud tingimustel mitu korda kõrgem kui kristallilise vormi näitaja. Seetõttu kasutatakse seda tehnilistel eesmärkidel. Sellisel kujul (pulbrina) kantakse segu kergesti igale pinnale, olgu see siis plastik või klaas. Seetõttu on amorfset räni nii mugav kasutada. Rakendus põhineb erinevatel suurustel.
Kuigi seda tüüpi akud kuluvad üsna kiiresti, mis on seotud aine õhukese kile hõõrdumisega, kasvab nende kasutus ja nõudlus ainult. Lõppude lõpuks võivad amorfsel ränil põhinevad päikesepatareid isegi lühikese kasutusea jooksul pakkuda energiat tervetele ettevõtetele. Lisaks on sellise aine tootmine jäätmevaba, mis teeb selle väga ökonoomseks.
See modifikatsioon saadakse ühendite redutseerimisel aktiivsete metallidega, näiteks naatriumi või magneesiumiga.
Kristalliline räni
Kõnealuse elemendi hõbehall läikiv modifikatsioon. See vorm on kõige levinum ja kõige nõudlikum. Seda seletatakse selle aine kvalitatiivsete omaduste kogumiga.
Kristallvõrega räni omadused hõlmavad selle tüüpide klassifikatsiooni, kuna neid on mitu:
- Elektrooniline kvaliteet – puhtaim ja kõrgeim kvaliteet. Seda tüüpi kasutatakse elektroonikas eriti tundlike seadmete loomiseks.
- Päikeseline kvaliteet. Nimi ise määrab kasutusala. Tegemist on ka üsna kõrge puhtusastmega räniga, mille kasutamine on vajalik kvaliteetsete ja kauakestvate päikesepatareide loomiseks. Kristallilise struktuuri baasil loodud fotoelektrilised muundurid on kvaliteetsemad ja kulumiskindlamad kui need, mis on loodud amorfse modifikatsiooniga erinevat tüüpi substraatidele pihustades.
- Tehniline räni. Sellesse sorti kuuluvad need aine proovid, mis sisaldavad umbes 98% puhast elementi. Kõik muu läheb mitmesuguste lisanditega:
- alumiinium;
- kloor;
- süsinik;
- fosfor ja teised.
Viimast tüüpi kõnealust ainet kasutatakse räni polükristallide saamiseks. Sel eesmärgil viiakse läbi ümberkristallimisprotsessid. Selle tulemusena saadakse puhtuse poolest tooteid, mida saab liigitada päikese- ja elektroonikakvaliteediks.
Oma olemuselt on polüräni vaheprodukt amorfse ja kristalse modifikatsiooni vahel. Selle valikuga on lihtsam töötada, seda on parem töödelda ja puhastada fluori ja klooriga.
Saadud tooted võib liigitada järgmiselt:
- multiräni;
- monokristalliline;
- profileeritud kristallid;
- räni jäägid;
- tehniline räni;
- tootmisjäätmed ainekildude ja -jääkide kujul.
Igaüks neist leiab rakendust tööstuses ja on inimeste poolt täielikult kasutuses. Seetõttu peetakse neid, mis puudutavad räni, mittejäätmeteks. See vähendab oluliselt selle majanduslikke kulusid, ilma et see mõjutaks kvaliteeti.
Kasutades puhast räni
Tööstuslik räni tootmine on üsna hästi välja kujunenud ja selle ulatus on üsna suur. See on tingitud asjaolust, et see element, nii puhas kui ka erinevate ühendite kujul, on laialt levinud ja nõutud erinevates teaduse ja tehnoloogia valdkondades.
Kus kasutatakse kristalset ja amorfset räni puhtal kujul?
- Metallurgias legeeriva lisandina, mis on võimeline muutma metallide ja nende sulamite omadusi. Seega kasutatakse seda terase ja malmi sulatamisel.
- Puhtama variandi – polüräni – valmistamiseks kasutatakse erinevat tüüpi aineid.
- Räniühendid on terve keemiatööstus, mis on tänapäeval erilise populaarsuse saavutanud. Räniorgaanilisi materjale kasutatakse meditsiinis, nõude, tööriistade ja palju muu valmistamisel.
- Erinevate päikesepaneelide valmistamine. See energia hankimise viis on tulevikus üks paljutõotavamaid. Keskkonnasõbralik, majanduslikult kasulik ja kulumiskindel on seda tüüpi elektritootmise peamised eelised.
- Räni on tulemasinate jaoks kasutatud väga pikka aega. Isegi iidsetel aegadel kasutasid inimesed tule süütamisel sädeme tekitamiseks tulekivi. See põhimõte on erinevat tüüpi tulemasinate tootmise aluseks. Tänapäeval on tüüpe, milles tulekivi asendatakse kindla koostisega sulamiga, mis annab veelgi kiirema tulemuse (sädeme tekitamine).
- Elektroonika ja päikeseenergia.
- Peeglite valmistamine gaasilaserseadmetes.
Seega on puhtal ränil palju soodsaid ja erilisi omadusi, mis võimaldavad seda kasutada oluliste ja vajalike toodete loomiseks.
Räniühendite kasutamine
Lisaks lihtainele kasutatakse ka erinevaid räniühendeid ja seda väga laialdaselt. Seal on terve tööstus, mida nimetatakse silikaadiks. See põhineb erinevate ainete kasutamisel, mis sisaldavad seda hämmastavat elementi. Mis need ühendid on ja mida neist toodetakse?
- Kvarts ehk jõeliiv - SiO 2. Kasutatakse ehitus- ja dekoratiivmaterjalide, näiteks tsemendi ja klaasi valmistamiseks. Kõik teavad, kus neid materjale kasutatakse. Ilma nende komponentideta ei saa valmis ühtegi ehitust, mis kinnitab räniühendite tähtsust.
- Silikaatkeraamika, mis hõlmab selliseid materjale nagu savinõud, portselan, tellis ja nende baasil valmistatud tooted. Neid komponente kasutatakse meditsiinis, nõude, dekoratiivehete, majapidamistarvete valmistamisel, ehituses ja muudes igapäevaelu valdkondades.
- - silikoonid, silikageelid, silikoonõlid.
- Silikaatliim – kasutatakse kirjatarvetena, pürotehnikas ja ehituses.
Räni, mille hind maailmaturul kõigub, kuid ei ületa ülevalt alla piiri 100 Vene rubla kilogrammi kohta (kristalli kohta), on nõutud ja väärtuslik aine. Loomulikult on selle elemendi ühendid samuti laialt levinud ja kasutatavad.
Räni bioloogiline roll
Oma tähtsuse seisukohalt kehale on räni oluline. Selle sisaldus ja jaotumine kudedes on järgmine:
- 0,002% - lihased;
- 0,000017% - luu;
- veri - 3,9 mg/l.
Iga päev tuleb sisse võtta umbes üks gramm räni, muidu hakkavad arenema haigused. Ükski neist pole surmavalt ohtlik, kuid pikaajaline räni nälg toob kaasa:
- juuste väljalangemine;
- akne ja vistrike ilmumine;
- luude haprus ja rabedus;
- lihtne kapillaaride läbilaskvus;
- väsimus ja peavalud;
- arvukate verevalumite ja verevalumite ilmnemine.
Taimede jaoks on räni oluline normaalseks kasvuks ja arenguks vajalik mikroelement. Loomkatsed on näidanud, et need isendid, kes tarbivad igapäevaselt piisavas koguses räni, kasvavad paremini.
Iseseisva keemilise elemendina sai räni inimkonnale tuntuks alles 1825. aastal. Mis muidugi ei takistanud räniühendite kasutamist nii paljudes valdkondades, et lihtsam on loetleda need, kus elementi ei kasutata. See artikkel heidab valgust räni ja selle ühendite füüsikalistele, mehaanilistele ja kasulikele keemilistele omadustele, kasutusaladele ning räägime ka sellest, kuidas räni mõjutab terase ja teiste metallide omadusi.
Kõigepealt vaatame räni üldisi omadusi. 27,6–29,5% maakoore massist on räni. Merevees on ka elemendi kontsentratsioon arvestatav - kuni 3 mg/l.
Litosfääri arvukuse poolest on räni hapniku järel teisel kohal. Selle kuulsaim vorm, ränidioksiid, on aga dioksiid ja just selle omadused on saanud sellise laialdase kasutuse aluseks.
See video räägib teile, mis on räni:
Kontseptsioon ja omadused
Räni on mittemetall, kuid erinevates tingimustes võib sellel olla nii happelisi kui ka aluselisi omadusi. See on tüüpiline pooljuht ja seda kasutatakse elektrotehnikas äärmiselt laialdaselt. Selle füüsikalised ja keemilised omadused on suuresti määratud allotroopse olekuga. Enamasti tegelevad nad kristallilise vormiga, kuna selle omadused on rahvamajanduses nõudlikumad.
- Räni on üks inimkeha põhilisi makroelemente. Selle puudusel on kahjulik mõju luukoe, juuste, naha ja küünte seisundile. Lisaks mõjutab räni immuunsüsteemi toimimist.
- Meditsiinis leidsid element või õigemini selle ühendid oma esimese rakenduse just selles funktsioonis. Räniga vooderdatud kaevude vesi polnud mitte ainult puhas, vaid avaldas positiivset mõju ka vastupanuvõimele nakkushaigustele. Tänapäeval on räniühendid tuberkuloosi, ateroskleroosi ja artriidi vastaste ravimite aluseks.
- Üldiselt on mittemetall madala aktiivsusega, kuid seda on raske puhtal kujul leida. See on tingitud asjaolust, et õhus passiveerub see dioksiidikihiga kiiresti ja lakkab reageerimast. Kuumutamisel suureneb keemiline aktiivsus. Selle tulemusena tunneb inimkond palju paremini aineühendeid, mitte iseennast.
Seega moodustab räni peaaegu kõigi metallidega sulameid – silitsiide. Kõiki neid iseloomustab tulekindlus ja kõvadus ning neid kasutatakse sobivates piirkondades: gaasiturbiinides, ahjukütteseadmetes.
Mittemetall on D.I. Mendelejevi tabelis paigutatud 6. rühma koos süsiniku ja germaaniumiga, mis viitab teatud ühisosale nende ainetega. Seega on tal süsinikuga ühist võime moodustada orgaanilisi ühendeid. Samal ajal võib ränil, nagu germaaniumil, esineda teatud keemilistes reaktsioonides metalli omadused, mida kasutatakse sünteesis.
Eelised ja miinused
Nagu igal teisel ainel rahvamajanduses kasutamise seisukohast, on ka ränil teatud kasulikud või mitte eriti kasulikud omadused. Need on olulised just kasutuspiirkonna määramiseks.
- Aine oluline eelis on selle kättesaadavus. Looduses seda küll vabal kujul ei leidu, kuid ometi pole räni tootmise tehnoloogia nii keeruline, kuigi energiakulukas.
- Teine kõige olulisem eelis on paljude ühendite moodustumine ebatavaliselt kasulike omadustega. Nende hulka kuuluvad silaanid, silitsiidid, dioksiid ja loomulikult mitmesugused silikaadid. Räni ja selle ühendite võime moodustada keerulisi tahkeid lahuseid on peaaegu lõpmatu, mis võimaldab lõputult saada väga erinevaid klaasi, kivi ja keraamika variatsioone.
- Pooljuhtide omadused mittemetall annab talle koha alusmaterjalina elektro- ja raadiotehnikas.
- Mittemetall on mittetoksiline, mis võimaldab kasutada igas tööstusharus ja samas ei muuda tehnoloogilist protsessi potentsiaalselt ohtlikuks.
Materjali puudused hõlmavad ainult hea kõvadusega suhtelist haprust. Räni ei kasutata kandekonstruktsioonide jaoks, kuid see kombinatsioon võimaldab kristallide pinda korralikult töödelda, mis on instrumentide valmistamisel oluline.
Räägime nüüd räni põhiomadustest.
Omadused ja omadused
Kuna kristallilist räni kasutatakse kõige sagedamini tööstuses, siis on olulisemad just selle omadused ja just need on toodud tehnilistes kirjeldustes. Aine füüsikalised omadused on järgmised:
- sulamistemperatuur – 1417 C;
- keemistemperatuur – 2600 C;
- tihedus on 2,33 g/cu. cm, mis näitab haprust;
- soojusmahtuvus ja ka soojusjuhtivus ei ole konstantsed isegi kõige puhtamatel proovidel: 800 J/(kg K) ehk 0,191 cal/(g deg) ja 84-126 W/(m K) ehk 0,20-0, vastavalt 30 cal/(cm·sek·deg);
- läbipaistev pikalaineline infrapunakiirgus, mida kasutatakse infrapunaoptikas;
- dielektriline konstant – 1,17;
- kõvadus Mohsi skaala järgi - 7.
Mittemetalli elektrilised omadused sõltuvad suuresti lisanditest. Tööstuses kasutatakse seda funktsiooni soovitud tüüpi pooljuhtide moduleerimisel. Normaaltemperatuuril on räni rabe, kuid üle 800 C kuumutamisel on võimalik plastiline deformatsioon.
Amorfse räni omadused on silmatorkavalt erinevad: see on väga hügroskoopne ja reageerib palju aktiivsemalt isegi normaalsetel temperatuuridel.
Räni struktuuri ja keemilist koostist ning omadusi käsitletakse allolevas videos:
Koostis ja struktuur
Räni esineb kahel allotroopsel kujul, mis on normaalsetel temperatuuridel võrdselt stabiilsed.
- Kristall on tumehalli pulbri välimusega. Aine, kuigi sellel on teemantitaoline kristallvõre, on aatomite vaheliste liiga pikkade sidemete tõttu habras. Huvitavad on selle pooljuhtide omadused.
- Väga kõrge rõhu korral võite saada kuusnurkne modifikatsioon tihedusega 2,55 g/cu. Kuid see faas ei ole veel leidnud praktilist tähtsust.
- Amorfne- pruunikaspruun pulber. Erinevalt kristalsest vormist reageerib see palju aktiivsemalt. See ei tulene mitte niivõrd esimese vormi inertsusest, vaid asjaolust, et õhus on aine kaetud dioksiidikihiga.
Lisaks tuleb arvestada ka teist tüüpi ränikristalli suurusega seotud klassifikatsiooniga, mis koos moodustavad aine. Kristallvõre, nagu teada, eeldab mitte ainult aatomite, vaid ka nende aatomite moodustatud struktuuride järjestust – nn pikamaa järjestust. Mida suurem see on, seda homogeensemad on aine omadused.
- Monokristalliline– prooviks on üks kristall. Selle struktuur on maksimaalselt korrastatud, omadused on homogeensed ja hästi prognoositavad. See materjal on elektrotehnikas kõige nõudlikum. Kuid see on ka üks kallimaid liike, kuna selle saamine on keeruline ja kasvutempo madal.
- Multikristalliline– proov koosneb paljudest suurtest kristalsetest teradest. Nendevahelised piirid moodustavad täiendavaid defektitasemeid, mis vähendab näidise jõudlust pooljuhina ja toob kaasa kiirema kulumise. Multikristallide kasvatamise tehnoloogia on lihtsam ja seetõttu on materjal odavam.
- Polükristalliline– koosneb suurest hulgast üksteise suhtes juhuslikult paiknevatest teradest. See on puhtaim tööstuslik räni tüüp, mida kasutatakse mikroelektroonikas ja päikeseenergias. Üsna sageli kasutatakse toorainena multi- ja monokristallide kasvatamisel.
- Eraldi positsioonil on selles klassifikatsioonis ka amorfne räni. Siin säilib aatomite järjekord ainult kõige lühematel vahemaadel. Kuid elektrotehnikas kasutatakse seda endiselt õhukeste kilede kujul.
Mittemetalli tootmine
Puhta räni saamine pole nii lihtne, arvestades selle ühendite inertsust ja enamiku kõrget sulamistemperatuuri. Tööstuses kasutavad nad enamasti süsinikdioksiidist saadava süsinikuga redutseerimist. Reaktsioon viiakse läbi kaarahjudes temperatuuril 1800 C. Sel viisil saadakse 99,9% puhtusega mittemetall, millest selle kasutamiseks ei piisa.
Saadud materjal klooritakse kloriidide ja vesinikkloriidide saamiseks. Seejärel puhastatakse ühendid kõikidel võimalikel meetoditel lisanditest ja redutseeritakse vesinikuga.
Ainet saab puhastada ka magneesiumsilikiidi saamisega. Silitsiid puutub kokku vesinikkloriid- või äädikhappega. Saadakse silaan ja viimast puhastatakse erinevate meetoditega - sorptsioon, rektifikatsioon jne. Seejärel lagundatakse silaan vesinikuks ja räniks temperatuuril 1000 C. Sel juhul saadakse aine, mille lisandifraktsioon on 10 -8 -10 -6%.
Aine kasutamine
Tööstuse jaoks pakuvad suurimat huvi mittemetalli elektrofüüsikalised omadused. Selle monokristallvorm on kaudne vahepooljuht. Selle omadused määravad lisandid, mis võimaldab saada kindlaksmääratud omadustega ränikristalle. Seega boori ja indiumi lisamine võimaldab kasvatada augujuhtivusega kristalli ning fosfori või arseeni lisamine elektroonilise juhtivusega kristalli.
- Räni on sõna otseses mõttes kaasaegse elektrotehnika aluseks. Sellest valmistatakse transistoreid, fotoelemente, integraallülitusi, dioode jne. Pealegi määrab seadme funktsionaalsuse peaaegu alati vaid kristalli pinnalähedane kiht, mis määrab pinnatöötlusele väga spetsiifilised nõuded.
- Metallurgias kasutatakse tehnilist räni nii sulami modifikaatorina - see annab suurema tugevuse, kui ka komponendina - näiteks malmi tootmisel ja deoksüdeeriva ainena.
- Ülipuhtad ja puhastatud metallurgilised materjalid moodustavad päikeseenergia aluse.
- Mittemetalliline dioksiid esineb looduses mitmel erineval kujul. Selle kristallisordid – opaal, ahhaat, karneool, ametüst, mäekristall – on leidnud oma koha ehetes. Välimuselt mitte nii atraktiivseid modifikatsioone - tulekivi, kvarts - kasutatakse metallurgias, ehituses ja raadioelektroonikas.
- Mittemetalli ühendit süsinikuga, karbiidi, kasutatakse metallurgias, instrumentide valmistamisel ja keemiatööstuses. See on lairiba pooljuht, mida iseloomustab kõrge kõvadus - 7 Mohsi skaalal ja tugevus, mis võimaldab seda kasutada abrasiivse materjalina.
- Silikaadid - see tähendab ränihappe soolad. Ebastabiilne, temperatuuri mõjul kergesti lagunev. Nende tähelepanuväärne omadus on see, et nad moodustavad arvukalt ja mitmekesiseid sooli. Aga viimased on aluseks klaasi, keraamika, savinõude, kristalli jms tootmisel. Võib julgelt öelda, et tänapäevane ehitus põhineb mitmesugustel silikaatidel.
- Klaas esindab siin kõige huvitavamat juhtumit. Selle aluseks on alumiiniumsilikaadid, kuid ebaolulised muude ainete - tavaliselt oksiidide - lisandid annavad materjalile palju erinevaid omadusi, sealhulgas värvi. -, savinõudel, portselanil on tegelikult sama valem, ehkki erineva komponentide suhtega, ja ka selle mitmekesisus on hämmastav.
- Mittemetallil on veel üks omadus: see moodustab ühendeid nagu süsinik, räni aatomite pika ahela kujul. Selliseid ühendeid nimetatakse räniorgaanilisteks ühenditeks. Nende kasutusala pole vähem tuntud - need on silikoonid, hermeetikud, määrdeained jne.
Räni on väga levinud element ja sellel on ebatavaliselt suur tähtsus paljudes rahvamajanduse valdkondades. Pealegi kasutatakse aktiivselt mitte ainult ainet ennast, vaid kõiki selle erinevaid ja arvukaid ühendeid.
See video räägib teile räni omadustest ja kasutusviisidest:
Kõik keemiliste elementide nimetused pärinevad ladina keelest. See on vajalik eelkõige selleks, et eri riikide teadlased mõistaksid üksteist.
Elementide keemilised sümbolid
Elemendid tähistatakse tavaliselt keemiliste märkide (sümbolite) abil. Rootsi keemiku Berzeliuse (1813) ettepaneku kohaselt tähistatakse keemilisi elemente antud elemendi ladinakeelse nimetuse algus- või algustähega ja ühega järgnevatest tähtedest; Esimene täht on alati suur, teine väike. Näiteks vesinikku (Hydrogenium) tähistatakse tähega H, hapnikku (Oxygenium) tähega O, väävlit (Sulfur) tähega S; elavhõbe (Hydrargyrum) - tähed Hg, alumiinium (Alumiinium) - Al, raud (Ferrum) - Fe jne.
Riis. 1. Keemiliste elementide tabel ladina- ja venekeelsete nimetustega.
Keemiliste elementide venekeelsed nimetused on sageli muudetud lõpuga ladinakeelsed nimetused. Kuid on ka palju elemente, mille hääldus erineb ladina allikast. Need on kas venekeelsed sõnad (näiteks raud) või tõlked (näiteks hapnik).
Keemianomenklatuur
Keemianomenklatuur on keemiliste ainete õige nimetus. Ladina sõna nomenklatuur tähendab tõlkes "nimede loetelu".
Keemia arengu varases staadiumis anti ainetele suvalised, juhuslikud nimetused (triviaalsed nimed). Väga lenduvaid vedelikke nimetati alkoholideks, nende hulka kuulusid "vesinikkloriidalkohol" - vesinikkloriidhappe vesilahus, "siiteralkohol" - lämmastikhape, "ammooniumalkohol" - ammoniaagi vesilahus. Õliseid vedelikke ja tahkeid aineid nimetati õlideks, näiteks kontsentreeritud väävelhapet nimetati "vitriooliõliks" ja arseenkloriidi "arseenõliks".
Mõnikord nimetati aineid nende avastaja järgi, näiteks "Glauberi sool" Na 2 SO 4 * 10H 2 O, mille avastas saksa keemik I. R. Glauber 17. sajandil.
Riis. 2. I. R. Glauberi portree.
Muistsed nimetused võisid osutada ainete maitsele, värvile, lõhnale, välimusele ja meditsiinilisele toimele. Ühel ainel oli mõnikord mitu nime.
18. sajandi lõpuks ei teadnud keemikud enam kui 150–200 ühendit.
Esimese keemia teaduslike nimetuste süsteemi töötas välja 1787. aastal keemikute komisjon, mida juhtis A. Lavoisier. Lavoisier' keemianomenklatuur oli riiklike keemianomenklatuuride loomise aluseks. Et eri maade keemikud üksteist mõistaksid, peab nomenklatuur olema ühtne. Praegu allub keemiliste valemite ja anorgaaniliste ainete nimetuste koostamisel Rahvusvahelise Puhta- ja Rakenduskeemia Liidu (IUPAC) komisjoni loodud nomenklatuurireeglite süsteem. Iga ainet esindab valem, mille järgi konstrueeritakse ühendi süstemaatiline nimi.
Riis. 3. A. Lavoisier.
Mida me õppisime?
Kõikidel keemilistel elementidel on ladina juured. Keemiliste elementide ladinakeelsed nimetused on üldtunnustatud. Need kantakse üle vene keelde jälgimise või tõlke abil. mõnel sõnal on aga algupärane vene tähendus, näiteks vask või raud. Kõik aatomitest ja molekulidest koosnevad keemilised ained kuuluvad keemilisele nomenklatuurile. Teadusnimede süsteemi töötas esmakordselt välja A. Lavoisier.
Test teemal
Aruande hindamine
Keskmine hinne: 4.2. Kokku saadud hinnanguid: 768.
