कार्बन, सल्फर, सोना और नोबल गैस जैसे कुछ तत्व पृथ्वी की क्रूस्ट में मुक्त अवस्था में पाए जाते हैं, जबकि अन्य संयोजित रूप में पाए जाते हैं। एक तत्व के संयोजित रूप से अलग करना और अलग करना विभिन्न रसायन विज्ञान के सिद्धांतों की आवश्यकता होती है। एक विशिष्ट तत्व विभिन्न यौगिकों में पाया जा सकता है। धातु के अलग करने और अलग करने की प्रक्रिया रासायनिक रूप से संभव और व्यावसायिक रूप से लाभदायक होनी चाहिए। फिर भी, सभी धातुओं के अलग करने की प्रक्रियाओं के लिए कुछ सामान्य सिद्धांत उपलब्ध होते हैं। एक विशिष्ट धातु के प्राप्त करने के लिए, हम पहले खनिजों की खोज करते हैं जो पृथ्वी की क्रूस्ट में प्राकृतिक रूप से उपलब्ध रसायनिक पदार्थ होते हैं जिन्हें खानों से खोद कर प्राप्त किया जा सकता है। खनिजों में से केवल कुछ धातु के स्रोत के रूप में उपयोगी होते हैं। ऐसे खनिज खनिज कहलाते हैं।

कभी-कभी, खनिज में केवल एक अभीष्ट पदार्थ होता है। यह आमतौर पर पृथ्वी के या अभीष्ट नहीं वाले सामग्रियों से प्रभावित होता है, जिन्हें गैंगू कहा जाता है। खनिजों से धातुओं के निष्कर्षण और अलग करने के लिए निम्नलिखित मुख्य चरण शामिल होते हैं:

• खनिज के सांद्रण,
• उस खनिज के सांद्रित खनिज से धातु के अलग करना, और
• धातु के शुद्धीकरण।

खनिज से धातु के अलग करने के लिए प्रयुक्त सभी वैज्ञानिक और तकनीकी प्रक्रियाओं को धातु विज्ञान कहा जाता है।

6.1 धातुओं की उपस्थिति

इस इकाई में पहले हम खनिजों के प्रभावी सांद्रण के विभिन्न चरणों का वर्णन करेंगे। उसके बाद हम कुछ सामान्य धातु विज्ञान प्रक्रियाओं के सिद्धांतों पर चर्चा करेंगे। इन सिद्धांतों में खनिज के सांद्रित रूप से धातु में परिवर्तित करने में शामिल होने वाले ऊष्मागतिक और विद्युतरसायनिक पहलू शामिल होंगे।

एल्यूमिनियम धातुओं में सबसे अधिक मात्रा में पाया जाता है। यह पृथ्वी की क्रस्ट में तीसरा सबसे अधिक मात्रा में पाया जाने वाला तत्व है ($8.3 \%$ द्रव्यमान के लगभग)। यह माइका और क्लेंस जैसे अग्नाशय चट्टानों के कई महत्वपूर्ण संघटकों में एक महत्वपूर्ण घटक है। कई ज्वैलरी आकार के खनिज एल्यूमिनियम ऑक्साइड ($\mathrm{Al_2} \mathrm{O_3}$) के अशुद्ध रूप होते हैं और अशुद्धियां $\mathrm{Cr}$ (रूबी में) से $\mathrm{Co}$ (साफ़ेरिया में) तक विविध होती हैं। लोहा पृथ्वी की क्रस्ट में दूसरा सबसे अधिक मात्रा में पाया जाने वाला धातु है। यह विभिन्न यौगिकों के रूप में बनाता है और इनके विभिन्न उपयोग इसे एक बहुत महत्वपूर्ण तत्व बनाते हैं। यह जैविक प्रणालियों में भी एक आवश्यक तत्व होता है।

मेटल के मुख्य अयस्क तालिका 6.1 में दिए गए हैं।

तालिका 6.1: कुछ महत्वपूर्ण धातुओं के मुख्य अयस्क

| | $\mathrm{FeCO_3}$ | | | | Iron pyrites | $\mathrm{FeS_2}$ | | | Copper pyrites | $\mathrm{CuFeS_2}$ | | | Malachite | $\mathrm{CuCO_3} \cdot \mathrm{Cu}(\mathrm{OH})_{2}$ | | | Cuprite | $\mathrm{Cu_2} \mathrm{O}$ | | | Copper glance | $\mathrm{Cu_2} \mathrm{~S}$ | | | Zinc blende or Sphalerite | $\mathrm{ZnS}$ | | | Calamine | $\mathrm{ZnCO} \mathrm{Zn_3}$ | | | Zincite | $\mathrm{ZnO}$ |

अयस्क के निष्कर्षण के उद्देश्य के लिए एलुमिनियम के लिए बॉक्साइट चुना जाता है। लोहा के लिए आमतौर पर उपलब्ध और प्रदूषणकारी गैस (जैसे $\mathrm{SO_2}$ जो लोहा पाइराइट्स के मामले में उत्पन्न होती है) नहीं उत्पन्न करने वाले ऑक्साइड अयस्क का उपयोग किया जाता है। तांबा और जिंक के लिए, उपलब्धता और अन्य संबंधित कारकों के आधार पर सारणी 6.1 में सूचीबद्ध कोई भी अयस्क का उपयोग किया जा सकता है। निष्कर्षण के लिए आगे बढ़ने से पहले, अयस्क को श्रेणियों में वर्गीकृत और उचित आकार तक चटकाया जाता है।

अयस्क से अचांसी सामग्री (जैसे, रेत, क्ले, आदि) के अपसारण को संग्रहण, चयन या उपयोग कहा जाता है। इसमें कई चरण शामिल होते हैं और इन चरणों के चयन के लिए धातु के यौगिक और अयस्क के अपसारण के भौतिक गुणों में अंतर पर निर्भर करता है। धातु के प्रकार, उपलब्ध सुविधाएं और पर्यावरणीय कारक भी ध्यान में रखे जाते हैं। कुछ महत्वपूर्ण प्रक्रियाओं का वर्णन नीचे दिया गया है।

6.2 अयस्क के संग्रहण

अयस्क से अचांसी सामग्री (जैसे, रेत, क्ले, आदि) के अपसारण को संग्रहण, चयन या उपयोग कहा जाता है। संग्रहण के लिए आगे बढ़ने से पहले, अयस्क को श्रेणीबद्ध और उचित आकार तक तोड़ दिया जाता है। अयस्क के संग्रहण में कई चरण शामिल होते हैं और इन चर चरणों के चयन के लिए धातु के यौगिक और अयस्क के अपसारण के भौतिक गुणों में अंतर पर निर्भर करता है। धातु के प्रकार, उपलब्ध सुविधाएं और पर्यावरणीय कारक भी ध्यान में रखे जाते हैं। कुछ महत्वपूर्ण प्रक्रियाओं का वर्णन नीचे दिया गया है।

6.2.1 हाइड्रोलिक धुलाई

यह खनिज और अशुद्धि के कणों के विशिष्ट गुरुत्वाकर्षण के बीच अंतर पर आधारित है। इसलिए, यह गुरुत्वाकर्षण अलग करने का एक प्रकार है। एक ऐसी प्रक्रिया में, एक ऊपर की दिशा में बहते हुए पानी का धारा खनिज के चूर्ण के साथ धुलाई के लिए उपयोग किया जाता है। लहर के अशुद्धि कण धुलाई के बाद छोड़ दिए जाते हैं और भारी खनिज कण छोड़ दिए जाते हैं।

6.2.2 चुंबकीय अलग करना

यह खनिज संघटकों के चुंबकीय गुणों में अंतर पर आधारित है। यदि खनिज या अपचायक (गैंगुई) चुंबकीय क्षेत्र की ओर आकर्षित होते हैं, तो इस विधि द्वारा अलग कर लिया जाता है। उदाहरण के लिए, लौह खनिज चुंबक की ओर आकर्षित होते हैं, इसलिए इनके साथ अचुंबकीय अशुद्धियों को चुंबकीय अलग करने के द्वारा अलग कर दिया जा सकता है। चुंबकीय रूप से तैयार खनिज को एक चलते हुए बेल्ट पर गिराया जाता है जो एक चुंबकीय रोलर पर चलता है (चित्र 6.1)। चुंबकीय पदार्थ बेल्ट की ओर आकर्षित रहते हैं और इसके पास गिर जाते हैं।

6.2.3 बुलबुला तैराकी विधि

इस विधि का उपयोग सल्फाइड खनिजों से गैंगू निकालने के लिए किया जाता है। इस प्रक्रिया में, खनिज के चूर्ण के एक तैली घोल के साथ जल में सस्पेंशन बनाया जाता है। इसमें संग्रहक और बुलबुला स्थायित्वक जोड़े जाते हैं। संग्रहक (जैसे, पाइन तेल, वसीय अम्ल, जेन्थेट्स आदि) खनिज के कणों के अपारगम्यता को बढ़ाते हैं और बुलबुला स्थायित्वक (जैसे, क्रेसॉल्स, एनिलीन) बुलबुला के स्थायित्व को बढ़ाते हैं।

मिनरल कण तेल द्वारा नम हो जाते हैं जबकि गैंगुए कण पानी द्वारा नम हो जाते हैं। एक घूमता पैडल मिश्रण को कम्पैक्ट करता है और इसमें हवा खींचता है। इसके परिणामस्वरूप, एक फूट बनता है जो मिनरल कणों को ले जाता है। यह फूट हल्का होता है और इसे छाँटकर निकाल लिया जाता है। फिर इसे शुष्क करके खनिज कणों के पुनः प्राप्ति के लिए उपयोग किया जाता है।

कभी-कभी, दो सल्फाइड खनिजों को तेल और पानी के अनुपात के सं调整 या ‘डिप्रेसेंट्स’ के उपयोग द्वारा अलग किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, एक खनिज जिसमें ZnS और PbS हो, उसके लिए डिप्रेसेंट नॉएकेन (NaCN) होता है। यह चयनात्मक रूप से ZnS को फूट में नहीं ले जाता है लेकिन PbS को फूट के साथ ले जाता है।

उत्पादक धुलाई कर्मचारी

एक व्यक्ति यदि वैज्ञानिक भावना रखता है और प्रेक्षणों के प्रति सावधान रहता है, तो वह बहुत कुछ कर सकता है। एक धुलाई कर्मचारी के पास भी एक उत्पादक मन था। एक मिनर के कपड़ों को धुलते समय उसने देखा कि रेत और इस तरह के धूल धुलाई के बर्तन के नीचे गिर जाते थे। विशेष बात यह थी कि खानों से कपड़ों पर आए तांबे के यौगिक धुलाई के बर्तन में धुलाई के जल में फंस जाते थे और वे ऊपर आ जाते थे। उसके एक ग्राहक, मिसेस कैरी ईवरसन एक रसायन विज्ञानी थी। धुलाई कर्मचारी ने अपना अनुभव मिसेस ईवरसन को बताया। उसने सोचा कि यह विचार बड़े पैमाने पर खानों और पृथ्वी सामग्री से तांबे के यौगिकों को अलग करने के लिए उपयोग किया जा सकता है। इस तरह एक आविष्कार हुआ। उस समय केवल उन खनिजों का उपयोग किया जाता था जिनमें तांबे के बहुत अधिक मात्रा होती थी। फोथ फ्लोटेशन विधि के आविष्कार से तांबे की खान उत्पादन के लिए भी लाभदायक बन गई, भले ही खनिज निम्न गुणवत्ता के हों। विश्व में तांबे का उत्पादन बढ़ गया और धातु की कीमत घट गई।

6.2.4 बरताना

यदि खनिज किसी उपयुक्त विलायक में घुलनशील होता है, तो बरताना आमतौर पर उपयोग किया जाता है। निम्नलिखित उदाहरण प्रक्रिया को दर्शाते हैं:

(a) बॉक्साइट से एलुमिनियम ऑक्साइड का बरताना

एल्यूमिनियम का मुख्य खनिज, बॉक्साइट, आमतौर पर $\mathrm{SiO_2}$, लोहा ऑक्साइड और टिटेनियम ऑक्साइड $\left(\mathrm{TiO_2}\right)$ के रूप में अशुद्धियों के साथ होता है। सांद्रण के लिए, असंगठित खनिज को $\mathrm{NaOH}$ के एक तीव्र घोल के साथ उबालकर उसे $473-523 \mathrm{~K}$ तापमान और $35-36$ बार दबाव पर प्रसंस्करण किया जाता है। इस तरह, $\mathrm{Al_2} \mathrm{O_3}$ सोडियम एलुमिनेट के रूप में बरताया जाता है (और $\mathrm{SiO_2}$ भी सोडियम सिलिकेट के रूप में) जबकि अशुद्धियाँ पीछे छोड़ देती हैं:

$$ \begin{equation*} \mathrm{Al_2} \mathrm{O_3}(\mathrm{~s})+2 \mathrm{NaOH}(\mathrm{aq})+3 \mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) \rightarrow 2 \mathrm{Na}\left[\mathrm{Al}(\mathrm{OH})_{4}\right]\mathrm{aq} \tag{6.1} \end{equation*} $$

$$ \begin{equation*} 2 \mathrm{Na}\left[\mathrm{Al}(\mathrm{OH})_{4}\right]\mathrm{aq}+\mathrm{CO_2}(\mathrm{~g}) \rightarrow \mathrm{Al_2} \mathrm{O_3} \cdot \mathrm{xH_2} \mathrm{O}(\mathrm{s})+2 \mathrm{NaHCO_3}(\mathrm{aq}) \tag{6.2} \end{equation*} $$

सोडियम सिलिकेट समाधान में बच जाता है और हाइड्रेटेड एल्यूमिना को छानकर, सुखाया और गरम करके शुद्ध $\mathrm{Al_2} \mathrm{O_3}$ प्राप्त किया जाता है :

$$ \begin{equation*} \mathrm{Al_2} \mathrm{O_3} \cdot \mathrm{xH_2} \mathrm{O}(\mathrm{s}) \xrightarrow{1470 \mathrm{~K}} \mathrm{Al_2} \mathrm{O_3}(\mathrm{~s})+\mathrm{xH_2} \mathrm{O}(\mathrm{g}) \tag{6.3}

\end{equation*} $$

(ब) अन्य उदाहरण

चांदी और स्वर्ण के धातु कार्य में, क्रमशः धातु को $\mathrm{NaCN}$ या $\mathrm{KCN}$ के तनु विलयन में हवा (के लिए $\mathrm{O_2}$) की उपस्थिति में निष्कर्षित किया जाता है, जिससे बाद में धातु को प्रतिस्थापन द्वारा प्राप्त किया जाता है:

$$ \begin{array}{r} 4 \mathrm{M}(\mathrm{s})+8 \mathrm{CN}^-(\mathrm{aq})+2 \mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{aq})+\mathrm{O_2}(\mathrm{~g}) \rightarrow 4\left[\mathrm{M}(\mathrm{CN})_2\right]^{-}(\mathrm{aq})+ \\ 4 \mathrm{OH}^-(\mathrm{aq})(\mathrm{M}=\mathrm{Ag} \text { या } \mathrm{Au}) \\ $$

$$ 2\left[\mathrm{M}(\mathrm{CN})_2\right]^-(\mathrm{aq})+\mathrm{Zn}(\mathrm{s}) \rightarrow\left[\mathrm{Zn}(\mathrm{CN})_4\right]^{2-}(\mathrm{aq})+2 \mathrm{M}(\mathrm{s}) \tag{6.5} \end{array} $$

6.3 संग्रहित धातु के अशुद्ध धातु से निष्कर्षण

कच्चे अयस्क से धातु निकालने के लिए, इसे धातु में घटाने के लिए उपयुक्त रूप में परिवर्तित करना आवश्यक है। आमतौर पर, सल्फाइड अयस्क को धातु में घटाने से पहले ऑक्साइड में परिवर्तित कर दिया जाता है क्योंकि ऑक्साइड को घटाना आसान होता है। इसलिए, कच्चे अयस्क से धातु के अलग करने में दो मुख्य चरण शामिल होते हैं, अर्थात्:

(a) ऑक्साइड में परिवर्तन, और (b) ऑक्साइड के धातु में घटाना।

(a) ऑक्साइड में परिवर्तन

(i) गैलेनिसेशन: गैलेनिसेशन के दौरान गरमी दी जाती है। यह वाष्पशील पदार्थ को दूर करता है जो छोड़कर धातु ऑक्साइड को छोड़ देता है:

$$ \begin{align*} & \mathrm{Fe_2} \mathrm{O_3} \cdot \mathrm{xH_2} \mathrm{O}(\mathrm{s}) \xrightarrow{\Delta} \mathrm{Fe_2} \mathrm{O_3}(\mathrm{~s})+\mathrm{xH_2} \mathrm{O}(\mathrm{g}) \tag{6.6} \end{align*} $$

$$ \begin{align*} & \mathrm{ZnCO_3}(\mathrm{~s}) \xrightarrow{\Delta} \mathrm{ZnO}(\mathrm{s})+\mathrm{CO_2}(\mathrm{~g}) \tag{6.7}\\ & \mathrm{CaCO_3} \cdot \mathrm{MgCO_3}(\mathrm{~s}) \xrightarrow{\Delta} \mathrm{CaO}(\mathrm{s})+\mathrm{MgO}(\mathrm{s})+2 \mathrm{CO_2}(\mathrm{~g}) \tag{6.8} \end{align*} $$

\end{align*} $$

(ii) चमकाना: चमकाने के दौरान, खनिज को धातु के गलनांक से कम तापमान पर एक सामान्य वायु आपूर्ति के साथ एक उपकरण में गरम किया जाता है। कुछ अभिक्रियाएं जो सल्फाइड खनिजों के साथ संबंधित हैं:

$$ \begin{align*} & 2 \mathrm{ZnS}+3 \mathrm{O_2} \rightarrow 2 \mathrm{ZnO}+2 \mathrm{SO_2} \tag{6.9}\\ & 2 \mathrm{PbS}+3 \mathrm{O_2} \rightarrow 2 \mathrm{PbO}+2 \mathrm{SO_2} \tag{6.10}\\ & 2 \mathrm{Cu_2} \mathrm{~S}+3 \mathrm{O_2} \rightarrow 2 \mathrm{Cu_2} \mathrm{O}+2 \mathrm{SO_2} \tag{6.11}

\end{align*} $$

कॉपर के सल्फाइड खनिजों को विस्पति उष्मायुक्त चूल्हे में गरम किया जाता है [चित्र 6.3]। यदि खनिज में लौह उपस्थित हो, तो इसे गरम करने से पहले सिलिकन के साथ मिश्रित कर दिया जाता है। लौह ऑक्साइड लौह सिलिकेट के रूप में ‘स्लैग’ बन जाता है और कॉपर के रूप में कॉपर मैट उत्पन्न होता है जिसमें Cu₂S और FeS शामिल होते हैं।

$$ \begin{equation*} \mathrm{FeO}+\mathrm{SiO_2} \rightarrow \underset{\text { (slag) }}{\mathrm{FeSiO_3}} \tag{6.12} \end{equation*} $$

उत्पादित SO2 का उपयोग H2SO4 के निर्माण के लिए किया जाता है ।

(b) ऑक्साइड के धातु में अपचायक अपचयन

धातु ऑक्साइड के अपचयन में आमतौर पर इसे कुछ अन्य पदार्थ के साथ गरम करके किया जाता है, जो एक अपचायक एजेंट के रूप में कार्य करता है ( $\mathrm{C}$ या $\mathrm{CO}$ या एक अन्य धातु भी)। अपचायक एजेंट (उदाहरण के लिए, कार्बन) धातु ऑक्साइड के ऑक्सीजन के साथ संयोजित हो जाता है।

$$ \begin{equation*}

$$ \mathrm{M_\mathrm{x}} \mathrm{O_\mathrm{y}}+\mathrm{yC} \rightarrow \mathrm{xM}+\mathrm{yCO} \tag{6.13} $$ $$

कुछ धातु ऑक्साइड आसानी से अपचयित हो जाते हैं जबकि कुछ बहुत कठिन होते हैं (अपचयन का अर्थ धातु आयन द्वारा इलेक्ट्रॉन के लाभ होता है)। किसी भी स्थिति में, गरम करना आवश्यक होता है।

6.4 धातुकर्म के ऊष्मागतिक सिद्धांत

ऊष्मागतिकी के कुछ मूल सिद्धांत हमें धातुकर्म परिवर्तनों के सिद्धांत को समझने में सहायता करते हैं। गिब्स ऊर्जा यहाँ सबसे महत्वपूर्ण शब्द है। किसी भी प्रक्रिया के लिए किसी निर्धारित तापमान पर गिब्स ऊर्जा के परिवर्तन, $\Delta \mathrm{G}$, निम्नलिखित समीकरण द्वारा वर्णित किया जाता है:

$$ \begin{equation*} \Delta \mathrm{G}=\Delta \mathrm{H}-\mathrm{T} \Delta \mathrm{S} \tag{6.14} \end{equation*} $$

जहाँ, $\Delta \mathrm{H}$ प्रक्रिया के लिए एंथैल्पी परिवर्तन है और $\Delta \mathrm{S}$ प्रक्रिया के लिए एन्ट्रॉपी परिवर्तन है। किसी भी अभिक्रिया के लिए, इस परिवर्तन को समीकरण द्वारा भी समझाया जा सकता है:

$$ \begin{equation*} \Delta \mathrm{G}^{\ominus}=-\mathrm{RT} \ln \mathrm{K} \tag{6.15} \end{equation*} $$

जहाँ, $\mathrm{K}$ तापमान, T पर ‘अभिकरक - उत्पाद’ प्रणाली के साम्य स्थिरांक है। एक नकारात्मक $\Delta \mathrm{G}$ समीकरण 6.15 में एक धनात्मक $\mathrm{K}$ को दर्शाता है। और यह केवल तब हो सकता है जब अभिक्रिया उत्पादों की ओर बढ़ रही हो। इन तथ्यों से हम निम्नलिखित निष्कर्ष निकाल सकते हैं:

1. समीकरण 6.14 में $\Delta \mathrm{G}$ का मान नकारात्मक होने पर तब केवल अभिक्रिया आगे बढ़ेगी। यदि $\Delta \mathrm{S}$ धनात्मक हो, तो तापमान (T) के बढ़ने से $\mathrm{T} \Delta \mathrm{S}$ का मान बढ़ेगा $(\Delta \mathrm{H}<\mathrm{T} \Delta \mathrm{S})$ और तब $\Delta \mathrm{G}$ नकारात्मक हो जाएगा।

2. यदि दो अभिक्रियाओं के अभिकर्मक और उत्पाद एक तंत्र में मिलाए जाएं और दो संभावित अभिक्रियाओं के लिए शुद्ध $\Delta \mathrm{G}$ का मान नकारात्मक हो, तो संयुक्त अभिक्रिया होगी। इस प्रक्रिया की व्याख्या करने में दोनों अभिक्रियाओं के संयोजन के माध्यम से चलायाजाता है, उनके $\Delta \mathrm{G}$ के योग की गणना की जाती है और उसके मान और चिह्न की जांच की जाती है। ऐसा संयोजन ऑक्साइड के निर्माण के लिए गिब्स ऊर्जा $\left(\Delta \mathrm{G}^{\ominus}\right)$ और $\mathrm{T}$ के आलेख (चित्र 6.4) के माध्यम से आसानी से समझा जा सकता है।

एलिंघम आरेख

गिब्स ऊर्जा की ग्राफिकल प्रस्तुति के उपयोग का पहला प्रस्ताव H.J.T.Ellingham द्वारा दिया गया था। यह ऑक्साइड के अपचायक एजेंट के चयन के लिए एक ठोस आधार प्रदान करता है। इसे एलिंघम आरेख के रूप में जाना जाता है। ऐसे आरेख हमें एक खनिज के तापीय अपचयन की संभावना का अनुमान लगाने में सहायता करते हैं। संभावना के मानक यह है कि एक दिए गए तापमान पर, अभिक्रिया की गिब्स ऊर्जा नकारात्मक होनी चाहिए।

(ए) एलिंघम आरेख आमतौर पर तत्वों के ऑक्साइड के निर्माण के लिए $\Delta_{f} \mathrm{G}^{\ominus} v s \mathrm{~T}$ के आलेखों का संग्रह होता है, अर्थात अभिक्रिया,

$$ 2 \mathrm{xM}(\mathrm{s})+\mathrm{O_2}(\mathrm{~g}) \rightarrow 2 \mathrm{M_\mathrm{x}} \mathrm{O}(\mathrm{s}) $$

इस अभिक्रिया में, बाएँ से दाएँ गैसीय मात्रा (अतः अणुओं के बिखराव) कम हो रही है क्योंकि गैसों के उपयोग के कारण $\Delta \mathrm{S}$ का मान -वृद्धि हो रहा है, जो समीकरण (6.14) में दूसरे पद के चिह्न को बदल देता है। इसके परिणामस्वरूप, $\Delta \mathrm{G}$ तापमान के बढ़ने के बावजूद ऊँचे तरफ बढ़ रहा है (आमतौर पर $\Delta \mathrm{G}$ तापमान के बढ़ने के साथ कम हो जाता है, अर्थात नीचे की ओर जाता है)। परिणामस्वरूप, ऊपर दिखाए गए अधिकांश अभिक्रियाओं के लिए $\mathrm{M_\mathrm{x}} \mathrm{O}(\mathrm{s})$ के निर्माण के लिए वक्र के +वृद्धि ढलान होता है।

(b) प्रत्येक ग्राफ एक सीधी रेखा होती है, जब तक कि कुछ चरण परिवर्तन ( $\mathrm{s} \rightarrow$ द्रव या द्रव $\rightarrow \mathrm{g}$ ) होता है। ऐसे परिवर्तन के तापमान पर ग्राफ के धनात्मक ओर ढलान में वृद्धि द्वारा इंगित किया जाता है (उदाहरण के लिए, Zn, ZnO ग्राफ में, पिघलना एक अचानक वक्र में परिवर्तन द्वारा दर्शाया जाता है)।

(c) एक वक्र में एक बिंदु होता है, जहां नीचे $\Delta \mathrm{G}$ नकारात्मक होता है ( $\mathrm{So_\mathrm{x}} \mathrm{O}$ स्थायी होता है)। इस बिंदु के ऊपर $\mathrm{M_\mathrm{x}} \mathrm{O}$ स्वतंत्र रूप से विघटित हो जाता है।

(d) एलिंगहम आलेख में, सामान्य धातुओं और कुछ अपचायक एजेंट के ऑक्सीकरण (और इसलिए उनके संगत विषम वस्तुओं के अपचयन) के लिए $\Delta \mathrm{G}^{\ominus}$ के आलेख दिए गए होते हैं। विभिन्न तापमानों पर ऑक्साइड के निर्माण के लिए $\Delta_{f} \mathrm{G}^{\ominus}$, आदि के मान चित्रित किए गए होते हैं जो व्याख्या करने को आसान बनाते हैं।

(e) सल्फाइड और हैलाइड के लिए भी ऐसे समान आलेख बनाए जाते हैं और इसके कारण $\mathrm{M_x} \mathrm{~S}$ के अपचयन कठिन क्यों होता है, इसकी स्पष्टि हो जाती है। वहाँ $\mathrm{M_x} \mathrm{~S}$ के $\Delta_{f} \mathrm{G}^{\ominus}$ का बदला नहीं दिया जाता।

एलिंगहम आरेख की सीमाएं

1. ग्राफ केवल एक अभिक्रिया के संभव होने के बारे में सूचित करता है, अर्थात एक अपचायक एजेंट के साथ अपचयन की प्रवृत्ति को दर्शाता है। इसका कारण यह है कि यह केवल ताप रासायनिक सिद्धांतों पर आधारित है। यह अपचयन प्रक्रिया के वेग के बारे में नहीं समझाता है। यह नहीं बता सकता कि अपचयन कितनी तेजी से हो सकता है? हालांकि, यह समझाता है कि जब सभी अणु साल्ड अवस्था में होते हैं तो अभिक्रियाएं धीमी चलती हैं और जब खनिज पिघल जाता है तो अभिक्रियाएं तेजी से चलती हैं। यह दिलचस्प बात है कि किसी भी रासायनिक अभिक्रिया के डीएच (ऊष्मा परिवर्तन) और डीएस (एन्ट्रॉपी परिवर्तन) के मान तापमान में परिवर्तन होने पर भी लगभग स्थिर रहते हैं। इसलिए समीकरण (6.14) में एकमात्र अग्रिम चर T होता है। हालांकि, एन्ट्रॉपी अपने भौतिक अवस्था पर बहुत निर्भर करती है। क्योंकि एन्ट्रॉपी प्रणाली में बिखराव या अस्पष्टता पर निर्भर करती है, इसलिए यदि कोई यौगिक पिघल जाता है (ठोस से तरल में) या वाष्प बन जाता है (तरल से गैस में), तो एन्ट्रॉपी बढ़ जाती है क्योंकि अणुओं की बिखराव अवस्था में ठोस से तरल या तरल से गैस में बदलने पर बढ़ जाती है।

2. $\Delta \mathrm{G}^{\ominus}$ के व्याख्या के आधार को $\mathrm{K}\left(\Delta \mathrm{G}^{\ominus}=-\mathrm{RT} \ln \mathrm{K}\right)$ पर रखा जाता है। इसलिए, मान लिया जाता है कि अभिकर्मक और उत्पाद अपसारी संतुलन में हैं:

$$ \mathrm{M_\mathrm{x}} \mathrm{O}+\mathrm{A_\mathrm{red}} \rightleftharpoons \mathrm{xM}+\mathrm{AO_\mathrm{ox}} $$

यह हमेशा सत्य नहीं होता क्योंकि अभिकर्मक/उत्पाद ठोस हो सकते हैं। व्यावसायिक प्रक्रियाओं में अभिकर्मक और उत्पाद एक छोटे समय के लिए संपर्क में होते हैं।

उदाहरण 6.1 मैग्नीशियम के एलुमिना को अपचयित कर सके ऐसी एक स्थिति का सुझाव दें।

हल दो समीकरण हैं: (a) $\frac{4}{3} \mathrm{Al}+\mathrm{O_2} \rightarrow \frac{2}{3} \mathrm{Al_2} \mathrm{O_3}$ (b) $2 \mathrm{Mg}+\mathrm{O_2} \rightarrow 2 \mathrm{MgO}$

$\mathrm{Al_2} \mathrm{O_3}$ और $\mathrm{MgO}$ वक्रों के प्रतिच्छेद बिंदु (चित्र 6.4 में “A” द्वारा चिह्नित) पर, अभिक्रिया के लिए $\Delta \mathrm{G}^{\ominus}$ शून्य हो जाता है:

$$ \frac{2}{3} \mathrm{Al_2} \mathrm{O_3}+2 \mathrm{Mg} \rightarrow 2 \mathrm{MgO}+\frac{4}{3} \mathrm{Al} $$

उस बिंदु के नीचे मैग्नीशियम एलुमिना को घटाने में सक्षम होता है।

उदाहरण 6.2

हालांकि ऊष्मागतिक रूप से संभव है, व्यावहारिक दृष्टिकोण से मैग्नीशियम धातु का एलुमिना के अपचयन के लिए उपयोग नहीं किया जाता है। क्यों?

हल तापमान $\mathrm{Al_2} \mathrm{O_3}$ और $\mathrm{MgO}$ वक्रों के प्रतिच्छेद बिंदु से नीचे होने पर, मैग्नीशियम एलुमिना के अपचयन कर सकता है। लेकिन प्रक्रिया अर्थव्यवस्थात्मक रूप से असंगत होगी।

उदाहरण 6.3

अपचयन तापमान पर धातु के द्रव अवस्था में होने पर धातु ऑक्साइड के अपचयन करना क्यों आसान हो जाता है?

हल धातु के द्रव अवस्था में होने पर एन्ट्रॉपी अधिक होती है जबकि ठोस अवस्था में नहीं। अपचयन प्रक्रिया के एन्ट्रॉपी परिवर्तन $(\Delta \mathrm{S})$ का मान धातु के द्रव अवस्था में और धातु ऑक्साइड के ठोस अवस्था में होने पर धनात्मक ओर अधिक होता है। इसलिए $\Delta \mathrm{G}^{\ominus}$ का मान ऋणात्मक ओर अधिक हो जाता है और अपचयन करना आसान हो जाता है।

6.4.1 अनुप्रयोग

(a) लोहे के ऑक्साइड से लोहे के निष्कर्षण के लिए

लोहे के ऑक्साइड अयस्क, गर्मी द्वारा गर्म करके (जिससे पानी बर्बाद हो जाता है, कार्बोनेट विघटित हो जाते हैं और सल्फाइड ऑक्सीकृत हो जाते हैं) केंद्रित कर लिया जाता है, फिर इसे चूना पत्थर और कोक के साथ मिलाकर इसके शीर्ष से ब्लास्ट फर्नेस में डाल दिया जाता है। यहां, ऑक्साइड धातु में घटा दिया जाता है। थर्मोडाइनामिक्स हमें बताती है कि कोक ऑक्साइड को कैसे घटाता है और क्यों यह फर्नेस चुना जाता है। इस प्रक्रिया में एक मुख्य घटना इस प्रकार है:

$$ \begin{equation*} \mathrm{FeO}(\mathrm{s})+\mathrm{C}(\mathrm{s}) \rightarrow \mathrm{Fe}(\mathrm{s} / \mathrm{l})+\mathrm{CO}(\mathrm{g}) \tag{6.24}

\end{equation*} $$

इसे दो सरल अभिक्रियाओं के एक जोड़े के रूप में देखा जा सकता है। एक में $\mathrm{FeO}$ का अपचयन हो रहा है और दूसरे में $\mathrm{C}$ का ऑक्सीकरण $\mathrm{CO}$ में हो रहा है:

$$ \begin{array}{ll} \mathrm{FeO}(\mathrm{s}) \rightarrow \mathrm{Fe}(\mathrm{s})+\frac{1}{2} \mathrm{O_2}(\mathrm{~g}) & {\left[\Delta \mathrm{G_(\mathrm{FeO}, \mathrm{Fe})}\right]} \\ \mathrm{C}(\mathrm{s})+\frac{1}{3} \mathrm{O_2}(\mathrm{~g}) \rightarrow \mathrm{CO}(\mathrm{g}) & {\left[\Delta \mathrm{G_(\mathrm{C}, \mathrm{CO})}\right]} \tag{6.26}

\end{array} $$

जब दोनों अभिक्रियाएं अभिक्रिया (6.24) के रूप में अंतर्भूत हो जाती हैं, तो शुद्ध गिब्स ऊर्जा परिवर्तन निम्नलिखित हो जाता है:

$$ \begin{equation*} \Delta \mathrm{G_(\mathrm{C}, \mathrm{CO})}+\Delta \mathrm{G_(\mathrm{FeO}, \mathrm{Fe})}=\Delta_{\mathrm{r}} \mathrm{G} \tag{6.27} \end{equation*} $$

स्वाभाविक रूप से, जब अभिक्रिया 6.27 के दाहिने पक्ष नकारात्मक होता है, तो परिणामी अभिक्रिया होती है। $\Delta \mathrm{G}^{\ominus}$ vs $\mathrm{T}$ ग्राफ जो अभिक्रिया 6.25 को प्रस्तुत करता है, ऊपर जाता है और जो $\mathrm{C} \rightarrow \mathrm{CO}$ परिवर्तन को प्रस्तुत करता है, वह ऊपर जाता है।

(C,CO) नीचे की ओर जाता है। 1073K (लगभग) से ऊपर के तापमानों पर, $\mathrm{C}, \mathrm{CO}$ रेखा $\mathrm{Fe}, \mathrm{FeO}$ रेखा से नीचे आ जाती है $\left[\Delta \mathrm{G_(\mathrm{C}, \mathrm{CO})}<\Delta \mathrm{G_(\mathrm{Fe}, \mathrm{FeO})}\right]$. इस परिसर में, कोक $\mathrm{FeO}$ के अपचायक के रूप में कार्य करेगा और खुद $\mathrm{CO}$ में ऑक्सीकृत हो जाएगा। इसी तरह, आंतरिक तापमान पर $\mathrm{Fe_3} \mathrm{O_4}$ और $\mathrm{Fe_2} \mathrm{O_3}$ के $\mathrm{CO}$ द्वारा अपचयन को आकृति 6.4 में उनकी वक्रों के $\mathrm{CO}, \mathrm{CO_2}$ वक्र से कम ऊंचाई पर प्रतिच्छेद बिंदुओं के आधार पर समझा जा सकता है।

ब्लास्ट फर्नेस में लौह ऑक्साइड के अपचयन क्रम में विभिन्न तापमान के रेंज में होता है। फर्नेस के नीचे से गर्म हवा बुलाई जाती है और कोक के जलने से नीचले हिस्से में लगभग $2200 \mathrm{~K}$ तक तापमान पहुंच जाता है। इसलिए कोक के जलने से प्रक्रिया में आवश्यक अधिकांश ऊष्मा प्राप्त हो जाती है। $\mathrm{CO}$ और ऊष्मा फर्नेस के ऊपरी हिस्से में जाती है। ऊपरी हिस्से में तापमान कम होता है और ऊपर से आ रहे लौह ऑक्साइड $\left(\mathrm{Fe_2} \mathrm{O_3}\right.$ और $\left.\mathrm{Fe_3} \mathrm{O_4}\right)$ के चरण चरण रूप से $\mathrm{FeO}$ में अपचयित होते हैं। इस प्रकार, निम्न तापमान रेंज और उच्च तापमान रेंज में होने वाले अपचयन अभिक्रियाएं, $\Delta_{\mathrm{r}} \mathrm{G}^{\ominus} \mathrm{vs}$ T ग्राफ में संगत बिंदुओं के आधार पर निर्भर करती हैं। इन अभिक्रियाओं को निम्नलिखित रूप में सारांशित किया जा सकता है:

500 - $800 \mathrm{~K}$ (ब्लास्ट फर्नेस में कम तापमान श्रेणी)-

$$ \begin{align*} & 3 \mathrm{Fe_2} \mathrm{O_3}+\mathrm{CO} \rightarrow 2 \mathrm{Fe_3} \mathrm{O_4}+\mathrm{CO_2} \tag{6.28}\\ & \mathrm{Fe_3} \mathrm{O_4}+4 \mathrm{CO} \rightarrow 3 \mathrm{Fe}+4 \mathrm{CO_2} \tag{6.29}\\ & \mathrm{Fe_2} \mathrm{O_3}+\mathrm{CO} \rightarrow 2 \mathrm{FeO}+\mathrm{CO_2} \tag{6.30} \end{align*} $$

$$ \begin{align*} \mathrm{C}+\mathrm{CO_2} & \rightarrow 2 \mathrm{CO} \tag{6.31}\\ \mathrm{FeO} & +\mathrm{CO} \rightarrow \mathrm{Fe}+\mathrm{CO_2} \tag{6.32} \end{align*} $$

लाइमस्टोन भी $\mathrm{CaO}$ में विघटित हो जाता है जो खनिज के सिलिकेट अशुद्धियों को लावा के रूप में हटा देता है। लावा गली हुई अवस्था में होता है और लोहे से अलग हो जाता है।

ब्लास्ट फर्नेस से प्राप्त लोहा लगभग $4 \%$ कार्बन और कई अशुद्धियों (जैसे, S, P, Si, $\mathrm{Mn}$) के छोटी मात्रा में रहता है। इसे पिग आयरन कहते हैं और इसे विविध आकारों में ढलाई जाता है। कास्ट आयरन पिग आयरन से भिन्न होता है और इसे पिग आयरन, लौह अंश और कोक के साथ गर्म हवा के ब्लास्ट के साथ पिघलाकर बनाया जाता है। इसमें कार्बन की मात्रा थोड़ी कम होती है (लगभग $3 \%$) और यह बहुत अधिक कठोर और टूटने वाला होता है।

अतिरिक्त कमी

लौह धातु या मृदु लौह शुद्धतम व्यावसायिक लौह के रूप में होते हैं और इन्हें एक गलित लौह से एक रेवर्बरेटरी उपकरण में एक हेमेटाइट से सुसज्जित करके अशुद्धियों के ऑक्सीकरण द्वारा तैयार किया जाता है। हेमेटाइट कार्बन को कार्बन मोनोऑक्साइड में ऑक्सीकृत करता है:

$$ \begin{equation*} \mathrm{Fe_2} \mathrm{O_3}+3 \mathrm{C} \rightarrow 2 \mathrm{Fe}+3 \mathrm{CO} \tag{6.33} \end{equation*} $$

चूना पत्थर के रूप में एक बर्फ जोड़ा जाता है और सल्फर, सिलिकॉन और फॉस्फोरस के ऑक्सीकरण के द्वारा लागू कर दिया जाता है और इन्हें धुंआ में भेज दिया जाता है। धातु को हटा लिया जाता है और धुंआ से मुक्त कर दिया जाता है जब इसे रोलर के माध्यम से गुजारा जाता है।

(ब) कॉपर के क्षारीय ऑक्साइड [कॉपर (I) ऑक्साइड] से कॉपर के निष्कर्षण

$\Delta_{\mathrm{r}} \mathrm{G}^{\ominus} \mathrm{vs} \mathrm{T}$ के ग्राफ में ऑक्साइड के निर्माण के लिए (चित्र 6.4), $\mathrm{Cu_2} \mathrm{O}$ की रेखा लगभग शीर्ष पर है। इसलिए कॉपर के ऑक्साइड खनिजों को ताप आवेश के साथ कोक के साथ गरम करके धातु में सीधे घटाना बहुत आसान है (दोनों $\mathrm{C}, \mathrm{CO}$ और $\mathrm{C}, \mathrm{CO_2}$ की रेखाएँ ग्राफ में विशेष रूप से $500-600 \mathrm{~K}$ के बाद बहुत कम स्थिति में हैं)। हालाँकि अधिकांश खनिज अम्लीय होते हैं और कुछ में लोहा भी हो सकता है। अम्लीय खनिजों को गरम करके ऑक्साइड बनाया जाता है:

$$ \begin{equation*} 2 \mathrm{Cu_2} \mathrm{~S}+3 \mathrm{O_2} \rightarrow 2 \mathrm{Cu_2} \mathrm{O}+2 \mathrm{SO_2} \tag{6.34} \end{equation*} $$

इस ऑक्साइड को तत्काल बर्तन में कोक के साथ मिश्रण करके धात्विक तांबा में आसानी से घटाया जा सकता है:

$$ \begin{equation*} \mathrm{Cu_2} \mathrm{O}+\mathrm{C} \rightarrow 2 \mathrm{Cu}+\mathrm{CO} \tag{6.35} \end{equation*} $$

वास्तविक प्रक्रिया में, खनिज को सिलिका के साथ मिश्रण करके एक रेवर्बरेटरी उपकरण में गरम किया जाता है। उपकरण में, लौह ऑक्साइड ‘लौह सिलिकेट के रूप में धुंआ बनता है और तांबा के रूप में तांबा मैट बनता है। इसमें $\mathrm{Cu_2} \mathrm{~S}$ और $\mathrm{FeS}$ होते हैं।

$$ \begin{equation*} \mathrm{FeO}+\mathrm{SiO_2} \rightarrow \underset{\text { (Slag) }}{\mathrm{FeSiO_3}} \tag{6.36} \end{equation*} $$

सीसा मैट फिर सिलिका सुसज्जित कन्वर्टर में डाला जाता है। कुछ सिलिका भी जोड़ा जाता है और गर्म हवा के ब्लास्ट के माध्यम से शेष बचे हुए

FeS, $\mathrm{FeO}$ और $\mathrm{Cu_2} \mathrm{~S} / \mathrm{Cu_2} \mathrm{O}$ को धात्विक सीसा में परिवर्तित कर दिया जाता है। निम्नलिखित अभिक्रियाएं होती हैं:

$$ \begin{align*} & 2 \mathrm{FeS}+3 \mathrm{O_2} \rightarrow 2 \mathrm{FeO}+2 \mathrm{SO_2} \tag{6.37}\ $$

& \mathrm{FeO}+\mathrm{SiO_2} \rightarrow \mathrm{FeSiO_3} \tag{6.38}\\ & 2 \mathrm{Cu_2} \mathrm{~S}+3 \mathrm{O_2} \rightarrow 2 \mathrm{Cu_2} \mathrm{O}+2 \mathrm{SO_2} \tag{6.39}\\ & 2 \mathrm{Cu_2} \mathrm{O}+\mathrm{Cu_2} \mathrm{~S} \rightarrow 6 \mathrm{Cu}+\mathrm{SO_2} \tag{6.40} \end{align*} $$

प्राप्त ठंढ़ा तांबा SO₂ के उत्सर्जन के कारण बुलबुला वाला दिखाई देता है और इसलिए इसे बुलबुला तांबा कहते हैं।

(c) जिंक ऑक्साइड से जिंक के निष्कर्षण जिंक ऑक्साइड के अपचयन के लिए कोक का उपयोग किया जाता है। इस मामले में तापमान कुप्राय के मामले में तापमान से अधिक होता है। ताप उत्पादन के उद्देश्य के लिए, ऑक्साइड को कोक और क्ले के साथ ब्रिकेट में बनाया जाता है।

$$ \begin{equation*} \mathrm{ZnO}+\mathrm{C} \xrightarrow{\text { coke, } 1673 \mathrm{~K}} \mathrm{Zn}+\mathrm{CO} \tag{6.41} \end{equation*} $$

मैटल को उबला लिया जाता है और तेज ठंडा करके संग्रहित किया जाता है।

6.5 धातुकर्म के विद्युतरसायनिक सिद्धांत

हमने देखा है कि ऊष्मागतिकी के सिद्धांत पाइरोमेटल्लुर्जी में कैसे लागू किए जाते हैं। समान सिद्धांत विलयन या गलित अवस्था में धातु आयनों के अपचयन में भी प्रभावी होते हैं। यहाँ अपचयन विद्युत अपघटन या कुछ अपचायक तत्वों के जोड़ने से किया जाता है।

गलित धातु लवण के अपचयन में विद्युत अपघटन किया जाता है। ऐसे विधियाँ विद्युत रासायनिक सिद्धांत पर आधारित होती हैं जिन्हें समीकरण के माध्यम से समझा जा सकता है, $$ \begin{equation*} \Delta \mathrm{G}^{\ominus}=-\mathrm{nE}^{\ominus} \mathrm{F} \tag{6.42}

\end{equation*} $$

यहाँ $\mathrm{n}$ इलेक्ट्रॉन की संख्या है और $\mathrm{E}^{\ominus}$ प्रणाली में बने रेडॉक्स युग्म के इलेक्ट्रोड विभव को दर्शाता है। अधिक प्रतिक्रियाशील धातुओं के इलेक्ट्रोड विभव के मान बड़े नकारात्मक होते हैं। इसलिए उनके अपचयन करना कठिन होता है। यदि दो $\mathrm{E}^{\ominus}$ मानों के अंतर समीकरण 6.42 में एक धनात्मक $\mathrm{E}^{\ominus}$ और इसलिए नकारात्मक $\Delta \mathrm{G}^{\ominus}$ के संगत हो, तो कम प्रतिक्रियाशील धातु विलयन से बाहर आएगी और अधिक प्रतिक्रियाशील धातु विलयन में जाएगी, उदाहरण के लिए,

$$ \begin{equation*} \mathrm{Cu}^{2+}(\mathrm{aq})+\mathrm{Fe}(\mathrm{s}) \rightarrow \mathrm{Cu}(\mathrm{s})+\mathrm{Fe}^{2+}(\mathrm{aq}) \tag{6.43} \end{equation*} $$

सरल विद्युत अपघटन में, $\mathrm{M}^{\mathrm{n}+}$ आयन ऋणात्मक ध्रुव (कैथोड) पर अपसारित होते हैं और वहां जमा हो जाते हैं। उत्पादित धातु के प्रतिक्रियाशीलता के अनुसार सावधानी बरती जाती है और उपयुक्त सामग्री के ध्रुव के रूप में उपयोग किया जाता है। कभी-कभी एक बहुलक के उपयोग से विद्युत चालकता वाले विद्युत चालक द्रव मास को बनाया जाता है।

अल्युमिनियम

अल्युमिनियम के धातुकर्म में, शुद्ध $\mathrm{Al_2} \mathrm{O_3}$ को $\mathrm{Na_3} \mathrm{AlF_6}$ के साथ मिश्रित किया जाता है, कार्बन कैथोड के रूप में कार्य करता है और ग्राफाइट एनोड का उपयोग किया जाता है। समग्र प्रतिक्रिया निम्नलिखित रूप में लिखी जा सकती है:

$$ \begin{equation*} 2 \mathrm{Al_2} \mathrm{O_3}+3 \mathrm{C} \rightarrow 4 \mathrm{Al}+3 \mathrm{CO_2} \tag{6.44}

\end{equation*} $$

इस विद्युत अपघटन की प्रक्रिया को व्यापक रूप से हॉल-हेरूल्ट प्रक्रिया के रूप में जाना जाता है।

इस प्रकार विद्युत अपघटन के मल्टन मास के अपघटन को एक विद्युत अपघटन बर्तन में कार्बन इलेक्ट्रोड का उपयोग करके किया जाता है। एनोड पर मुक्त होने वाली ऑक्सीजन, एनोड के कार्बन के साथ $\mathrm{CO}$ और $\mathrm{CO_2}$ बनाती है। इस तरह प्रति $\mathrm{kg}$ एल्यूमिनियम के उत्पादन के लिए लगभग $0.5 \mathrm{~kg}$ कार्बन एनोड जल जाता है। विद्युत अपघटन अभिक्रियाएं हैं: कैथोड: $\mathrm{Al}^{3+}$ (पिघला हुआ) $+3 \mathrm{e}^{-} \rightarrow \mathrm{Al}(\mathrm{l})$

एनोड:

$$ \begin{equation*} \mathrm{C}(\mathrm{s})+\mathrm{O}^{2-} \text { (मिश्रण) } \rightarrow \mathrm{CO}(\mathrm{g})+2 \mathrm{e}^{-} \tag{6.45} \end{equation*} $$

$$ \begin{equation*} \mathrm{C}(\mathrm{s})+2 \mathrm{O}^{2-}(\text { मिश्रण }) \rightarrow \mathrm{CO_2}(\mathrm{~g})+4 \mathrm{e}^{-} \tag{6.46} \end{equation*} $$

6.6 ऑक्सीकरण-अपचयन

अपचयन के अलावा, कुछ निष्कर्षण विशेष रूप से अधातुओं के लिए ऑक्सीकरण पर आधारित होते हैं। ऑक्सीकरण पर आधारित निष्कर्षण के एक बहुत ही सामान्य उदाहरण साल्ट वाले जल के बर्न में क्लोरीन के निष्कर्षण है (क्लोरीन समुद्री जल में सामान्य नमक के रूप में अधिक मात्रा में मौजूद होता है)।

$$ \begin{equation*} 2 \mathrm{Cl}^{-}(\mathrm{aq})+2 \mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) \rightarrow 2 \mathrm{OH}^{-}(\mathrm{aq})+\mathrm{H_2}(\mathrm{~g})+\mathrm{Cl_2}(\mathrm{~g}) \tag{6.49} \end{equation*} $$

इस अभिक्रिया के लिए $\Delta \mathrm{G}^{\ominus}$ $+422 \mathrm{~kJ}$ है। इसे $\mathrm{E}^{\ominus}$ में बदलने पर (उपयोग करते हुए $\Delta \mathrm{G}^{\ominus}=-\mathrm{nE}^{\ominus} \mathrm{F}$), हमें $\mathrm{E}^{\ominus}=-2.2 \mathrm{~V}$ प्राप्त होता है। प्राकृतिक रूप से, इसके लिए बाहरी e.m.f. की आवश्यकता होती है जो $2.2 \mathrm{~V}$ से अधिक हो। लेकिन विद्युत अपघटन के लिए कुछ अन्य बाधा रहित अभिक्रियाओं को पार करने के लिए अतिरिक्त विभव की आवश्यकता होती है। इसलिए, $\mathrm{Cl_2}$ विद्युत अपघटन द्वारा प्राप्त किया जाता है जिसके द्वारा $\mathrm{H_2}$ और जलीय $\mathrm{NaOH}$ उत्पाद के रूप में अपशिष्ट उत्पाद के रूप में उत्पन्न होते हैं। मल्टन $\mathrm{NaCl}$ के विद्युत अपघटन को भी किया जाता है। लेकिन इस स्थिति में $\mathrm{Na}$ धातु उत्पन्न होती है और नहीं $\mathrm{NaOH}$.

केंद्रीय अध्ययन के अनुसार, स्वर्ण और चांदी के निकालने में धातु को $\mathrm{CN}^-$ के साथ अपचयन किया जाता है। यह एक ऑक्सीकरण अभिक्रिया भी है $\left(\mathrm{Ag} \rightarrow \mathrm{Ag}^{+}\right)$ या $\left(\mathrm{Au} \rightarrow \mathrm{Au}^{+}\right)$. बाद में धातु को विस्थापन विधि द्वारा पुनः प्राप्त किया जाता है।

$$ \begin{gather*} 4 \mathrm{Au}(\mathrm{s})+8 \mathrm{CN}^- \mathrm{aq}+2 \mathrm{H_2} \mathrm{O}\mathrm{aq}+ \mathrm{O_2} \mathrm{~g} \rightarrow \\ \end{gather*} $$

$$ \begin {gather*} 4\left[\mathrm{Au}(\mathrm{CN})_{2}\right]^{-}(\mathrm{aq})+4 \mathrm{OH}^- \mathrm{aq} \tag{6.50} $$

$$ \begin{gather*} 2\left[\mathrm{Au}\mathrm{CN}_2 \right]^{-}\mathrm{aq}+\mathrm{Zn}(\mathrm{s}) \rightarrow 2 \mathrm{Au}(\mathrm{s})+\left[\mathrm{Zn} \mathrm{CN}_4 \right]^{2-}\mathrm{aq} \tag{6.51} \end{gather*} $$

$$ \end{gather*} $$

6.7 शुद्ध करना

कोई भी विधि से निकाले गए धातु में आमतौर पर कुछ अशुद्धियाँ मिली रहती हैं। उच्च शुद्धता वाले धातुओं के प्राप्त करने के लिए धातु और अशुद्धि के गुणों में अंतर के आधार पर कई तकनीकों का उपयोग किया जाता है। इनमें से कुछ नीचे दिए गए हैं।

(a) वाष्पन (b) विलयन (c) विद्युत अपघटन (d) क्षेत्र शोधन (e) वाष्प चरण शोधन (f ) वर्णक्रम विधियाँ

इनका विस्तारपूर्वक वर्णन यहाँ दिया गया है।

(a) वाष्पन

यह निम्न गलनांक वाले धातुओं जैसे जिंक और पारा के लिए बहुत उपयोगी होता है। अशुद्ध धातु को वाष्पित करके शुद्ध धातु को वाष्प शोधन के रूप में प्राप्त किया जाता है।

(b) विलयन

इस विधि में एक निम्न गलनांक वाली धातु जैसे टिन को ढलान वाली सतह पर बहाकर अलग किया जा सकता है। इस तरह यह उच्च गलनांक वाली अशुद्धियों से अलग किया जाता है।

(c) विद्युत अपघटन

इस विधि में, अशुद्ध धातु को एनोड के रूप में उपयोग किया जाता है। शुद्ध रूप में एक टुकड़ा उसी धातु का उपयोग कैथोड के रूप में किया जाता है। वे एक उपयुक्त विद्युत अपघटनी विलयन में रखे जाते हैं, जिसमें उसी धातु के घुलनशील लवण की उपस्थिति होती है। अधिक मूलभूत धातु विलयन में रहती है और कम मूलभूत धातुएं एनोड मुद में जाती हैं। यह प्रक्रिया आपके पिछले अनुभागों में देखे गए इलेक्ट्रोड विभव, ओवर विभव और गिब्स ऊर्जा के अवधारणा का उपयोग करके भी समझी जा सकती है। अभिक्रियाएं हैं:

एनोड: $\quad \mathrm{M} \rightarrow \mathrm{M}^{\mathrm{n}+}+\mathrm{ne}^{-}$

कैथोड: $\mathrm{M}^{\mathrm{n}+}+\mathrm{ne}^{-} \rightarrow \mathrm{M}$

कॉपर को विद्युत अपघटन विधि के द्वारा शुद्ध किया जाता है। एनोड अशुद्ध कॉपर के बर्तन होते हैं और शुद्ध कॉपर के बर्तन कैथोड के रूप में लिए जाते हैं। विद्युत अपघटन के लिए विलायक अम्लीय कॉपर सल्फेट के विलयन होता है और विद्युत अपघटन के परिणामस्वरूप अशुद्ध कॉपर से शुद्ध कॉपर कैथोड पर अंतरित हो जाता है:

एनोड: $\quad \mathrm{Cu} \rightarrow \mathrm{Cu}^{2+}+2 \mathrm{e}^{-}$

कैथोड: $\mathrm{Cu}^{2+}+2 \mathrm{e}^{-} \rightarrow \mathrm{Cu}$

अशुद्धियाँ ब्लिस्टर कॉपर निक्षेप से एनोड मुद के रूप में निकलती हैं जिसमें एंटिमनी, सीलेनियम, टेलरियम, चांदी, सोना और प्लैटिनम होते हैं; इन तत्वों के पुनः प्राप्त करने के लिए शुद्धीकरण की लागत के बराबर आय बन सकती है। जिंक को इस तरह से भी शुद्ध किया जा सकता है।

(d) क्षेत्र शुद्धीकरण : यह विधि यह सिद्धांत पर आधारित है कि अशुद्धियाँ धातु के ठोस अवस्था की तुलना में विलय में अधिक विलेय होती हैं। एक अशुद्ध धातु के छड़ के चारों ओर एक गतिशील तापक फिक्स किया जाता है (चित्र 6.7)। विलय क्षेत्र तापक के साथ आगे बढ़ता है। जब तापक आगे बढ़ता है, तो शुद्ध धातु विलय के बचे हुए हिस्से से ठंडा होकर बनती है और अशुद्धियाँ तापक के गति के कारण उत्पन्न नए विलय क्षेत्र में जाती हैं। इस प्रक्रिया को कई बार दोहराया जाता है और तापक को एक ही दिशा में बार बार आगे बढ़ाया जाता है। अशुद्धियाँ एक सिरे पर एकत्रित हो जाती हैं। इस सिरे को काट दिया जाता है। यह विधि बहुत उपयोगी है उच्च शुद्ढता वाले सेमीकंडक्टर और अन्य धातुओं के उत्पादन के लिए, जैसे जर्मेनियम, सिलिकॉन, बोरॉन, गैलियम और इंडियम।

(e) वाष्प अपचयन विधि: इस विधि में, धातु को अपने वाष्पशील यौगिक में परिवर्तित किया जाता है, जिसे संग्रहित करके और विघटित करके शुद्ध धातु प्राप्त की जाती है। इसलिए, दो आवश्यकताएं होती हैं:

(i) धातु को उपलब्ध अभिकर्मक के साथ एक वाष्पशील यौगिक बनाना चाहिए,

(ii) वाष्पशील यौगिक को आसानी से विघटित किया जा सके, ताकि पुनः प्राप्ति आसान हो।

निम्नलिखित उदाहरण इस तकनीक को स्पष्ट करेंगे।

निकेल के शुद्धीकरण के मोंड प्रक्रम: इस प्रक्रम में, निकेल को कार्बन मोनोऑक्साइड के धारा में गरम करके एक वाष्पशील संकर यौगिक निकेल टेट्राकार्बोनाइल के रूप में बनाया जाता है। इस संकर यौगिक को उच्च तापमान पर विघटित करके शुद्ध धातु प्राप्त की जाती है।

$$ \begin{equation*} \mathrm{Ni}+4 \mathrm{CO} \xrightarrow{330-350 \mathrm{~K}} \mathrm{Ni}(\mathrm{CO})_{4} \tag{6.54} \end{equation*} $$

कार्बोनिल को उच्च तापमान पर उपचार किया जाता है ताकि यह शुद्ध धातु के रूप में विघटित हो सके:

$$ \begin{equation*} \mathrm{Ni}(\mathrm{CO})_{4} \xrightarrow{450-470 \mathrm{~K}} \mathrm{Ni}+4 \mathrm{CO} \tag{6.55} \end{equation*} $$

जिरकोनियम या टिटन के शुद्धीकरण के वैन अर्केल विधि: यह विधि विशेष धातुओं जैसे Zr और Ti में उपस्थित ऑक्सीजन और नाइट्रोजन के अशुद्धि के रूप में सभी ऑक्सीजन और नाइट्रोजन को हटाने के लिए बहुत उपयोगी है। अशुद्ध धातु को आयोडीन के साथ एक वैक्यूम बर्तन में गरम किया जाता है। धातु आयोडाइड अधिक सहसंयोजी होने के कारण वाष्पशील हो जाता है:

$$ \begin{equation*} \mathrm{Zr}+2 \mathrm{I_2} \rightarrow \mathrm{ZrI_4} \tag{6.56} \end{equation*} $$

तांबा आयोडाइड टंगस्टन फिलामेंट पर ताप लगाकर लगभग $1800 \mathrm{~K}$ तक ऊष्मायन किया जाता है। इस प्रकार शुद्ध धातु फिलामेंट पर जमा हो जाती है।

$$ \begin {equation*} \mathrm{ZrI_4} \rightarrow \mathrm{Zr}+2 \mathrm{I_2} \tag{6.57} \end{equation*} $$

(f) वर्णक्रमण विधियाँ : आप कक्षा XI (इकाई-12) में पदार्थ के शुद्धीकरण के वर्णक्रमण तकनीक के बारे में सीख चुके होंगे।

स्तंभ अपचयन विधि उन तत्वों के शुद्धीकरण में बहुत उपयोगी होती है जो बहुत कम मात्रा में उपलब्ध होते हैं और जिनके अशुद्धियाँ शुद्ध तत्व से रासायनिक गुणों में बहुत अलग नहीं होती हैं।

6.8 एल्यूमीनियम, कॉपर, जिंक और लोहे के उपयोग

एल्यूमीनियम फोइल खाद्य पदार्थों के लिए ढक्कन के रूप में उपयोग किए जाते हैं। धातु का छोटा धूल पेंट और लक्कर में उपयोग किया जाता है। एल्यूमीनियम, अत्यधिक अभिक्रियाशील होने के कारण, इसके ऑक्साइड से क्रोमियम और मैंगनीज के निष्कर्षण में भी उपयोग किया जाता है। एल्यूमीनियम के तार विद्युत के चालक के रूप में उपयोग किए जाते हैं। एल्यूमीनियम वाले संयोजन, लचीले होने के कारण, बहुत उपयोगी होते हैं।

तांबा विद्युत उद्योग में उपयोग किए जाने वाले तारों के निर्माण में और पानी और भाप पाइप के निर्माण में उपयोग किया जाता है। यह तांबा के साथ विभिन्न संयोजनों में भी उपयोग किया जाता है जो धातु के स्वयं के बराबर बलीदार होते हैं, जैसे कि ब्रास (जिंक के साथ), ब्रॉन्ज (टिन के साथ) और सिक्का संयोजन (निकल के साथ)।

जिंक लोहे के गैल्वनीकरण के लिए उपयोग किया जाता है। यह बैटरी में बड़ी मात्रा में भी उपयोग किया जाता है, कई मिश्र धातुओं के घटक के रूप में, जैसे कि तांबा (Cu 60 $\%$, Zn $40 \%$ ) और जर्मन सिल्वर (Cu $25-30 \%$, Zn $25-30 \%$, Ni $40-50 \%$ ) में। जिंक धूल का उपयोग रंग बनाने, पेंट आदि के निर्माण में एक अपचायक एजेंट के रूप में किया जाता है।

कास्ट लोहा, जो लोहे की सबसे महत्वपूर्ण रूप है, चिमनी, रेलवे बर्डन, छत के पाइप, खिलौने आदि के निर्माण के लिए उपयोग किया जाता है। इसका उपयोग गढ़ा लोहा और स्टील के निर्माण में भी किया जाता है। गढ़ा लोहा बनाने में उपयोग किया जाता है, जैसे कि बर्तन, तार, बोल्ट, चेन और कृषि उपकरण। स्टील के कई उपयोग होते हैं। जब अन्य धातुओं को इसमें मिलाया जाता है तो एलॉय स्टील प्राप्त होती है। निकेल स्टील के उपयोग काबल लाइन, ऑटोमोबाइल और विमान भाग, पेंडुलम, मापन के टेप आदि के निर्माण में होते हैं। क्रोम स्टील के उपयोग काटने वाले उपकरण और धुंआ बर्बाद करने वाले मशीनों में होते हैं, और अयस्क स्टील चक्कू, ऑटोमोबाइल, बर्तन, पेन आदि के निर्माण में उपयोग किया जाता है।

सारांश

हालांकि औद्योगिक क्रांति के बाद आधुनिक धातु कला में एक्सपोनेंशियल विकास हुआ है, लेकिन धातु कला में कई आधुनिक अवधारणाएं प्राचीन अभ्यासों से उत्पन्न हुई हैं जो औद्योगिक क्रांति से पहले थीं। भारत में 7000 साल से अधिक समय तक धातु कला के उच्च पारंपरिक कौशल की उपलब्धि रही है। प्राचीन भारतीय धातु कला विशेषज्ञों ने धातु कला के विश्व इतिहास में अपनी जगह बनाने योग्य महत्वपूर्ण योगदान किए हैं। जिंक और उच्च-कार्बन इस्पात के मामले में, प्राचीन भारत ने आधुनिक धातु कला के विकास के आधार के लिए महत्वपूर्ण योगदान दिया है, जिसने धातु कला के अध्ययन को प्रेरित किया जो औद्योगिक क्रांति के लिए जिम्मेदार रहा है।

धातुएं विभिन्न उद्देश्यों के लिए आवश्यक होती हैं। इसके लिए हमें उनके उपस्थित खनिजों से उनके निष्कर्षण के व्यावसायिक रूप से संभव होने वाले खनिजों से उनका निष्कर्षण करना पड़ता है। इन खनिजों को खनिज कहा जाता है। धातु के खनिज अनेक अशुद्धियों के साथ संबंधित होते हैं। इन अशुद्धियों के आंशिक रूप से हटाने के लिए सांद्रण कदम लिए जाते हैं। फिर सांद्रित खनिज के रासायनिक उपचार के बाद धातु प्राप्त की जाती है। आमतौर पर धातु के यौगिक (जैसे, ऑक्साइड, सल्फाइड) धातु में रूपांतरित किए जाते हैं। इसके लिए उपयोग किए जाने वाले अपचायक एजेंट कार्बन, CO या कुछ धातुएं हो सकते हैं।

इन अपचयन प्रक्रियाओं में, ताप रासायनिक एवं विद्युत रासायनिक सिद्धांतों को अधिक महत्व दिया जाता है। धातु ऑक्साइड एक अपचायक एजेंट के साथ अभिक्रिया करता है; ऑक्साइड धातु में अपचयित हो जाता है और अपचायक एजेंट ऑक्सीकृत हो जाता है। दोनों अभिक्रियाओं में नेट गिब्स ऊर्जा परिवर्तन नकारात्मक होता है, जो तापमान के बढ़ने के साथ और भी नकारात्मक हो जाता है। ठोस से द्रव या गैस में अवस्था परिवर्तन और गैसीय अवस्था के निर्माण पूरे प्रणाली के लिए गिब्स ऊर्जा के कम होने को सुविधा प्रदान करते हैं। इस सिद्धांत को ऐसे ऑक्सीकरण/अपचयन अभिक्रियाओं के लिए DG0 vs T (एलिंगम आरेख) के आलेख में ग्राफिकल रूप से प्रदर्शित किया जाता है। विद्युत ध्रुव विभव के सिद्धांत का उपयोग धातुओं (जैसे, Al, Ag, Au) के अलग करने में उपयोगी होता है, जहां दो रेडॉक्स युग्मों के योग धनात्मक होता है ताकि गिब्स ऊर जा परिवर्तन नकारात्मक हो जाए। सामान्य विधियों द्वारा प्राप्त धातुएं अभी भी छोटे अशुद्धियों के साथ होती हैं। शुद्ध धातुओं के प्राप्त करने के लिए शोधन प्रक्रिया की आवश्यकता होती है। शोधन प्रक्रिया धातु और अशुद्धियों के गुणों में अंतर पर निर्भर करती है। एल्यूमीनियम के निष्कर्षण के लिए इसके बॉक्साइट अयस्क को NaOH के साथ अपघटन करके किया जाता है। इस तरह बना सोडियम एल्यूमिनेट, अलग कर लिया जाता है और फिर उसे उदासीन करके जलयुक्त ऑक्साइड के रूप में वापस दिया जाता है, जिसे फ्लक्स के रूप में क्रायोलाइट का उपयोग करके विद्युत अपघटन किया जाता है। लौह धातु के निष्कर्षण के लिए इसके ऑक्साइड अयस्क के अपचयन के लिए ब्लास्ट फर्नस में किया जाता है। तांबा के निष्कर्षण के लिए इसे रेवर्बरेटरी फर्नस में गर्म करके गलन कर लिया जाता है। जिंक ऑक्साइड से जिंक के निष्कर्षण के लिए कोक का उपयोग किया जाता है। धातु के शोधन के लिए कई विधियों का उपयोग किया जाता है। सामान्य रूप से, धातुएं बहुत व्यापक रूप से उपयोग की जाती हैं और विभिन्न उद्योगों के विकास में महत्वपूर्ण योगदान देती हैं।