धातुकर्म
प्रकृति में पाए जाने वाले धातु के यौगिक को खनिज कहा जाता है। वे खनिज जिनसे धातु आर्थिक रूप से और आसानी से निकाली जा सकती है, अयस्क कहलाते हैं। एक अयस्क आमतौर पर मिट्टी या अवांछित सामग्री से दूषित होता है जिसे गैंग कहा जाता है।
(ए) देशी अयस्कों में धातु मुक्त अवस्था में होती है। चाँदी, सोना, प्लैटिनम आदि देशी अयस्कों के रूप में पाए जाते हैं।
(बी) ऑक्सीकृत अयस्कों में धातुओं के ऑक्साइड या ऑक्सीलवण (जैसे कार्बोनेट, फॉस्फेट, सल्फेट और सिलिकेट) होते हैं।
(सी) सल्फरयुक्त अयस्कों में लोहा, सीसा, जस्ता, पारा आदि धातुओं के सल्फाइड होते हैं।
(डी) हैलाइड अयस्कों में धातुओं के हैलाइड होते हैं।
धातुकर्म:
धातु को उसके अयस्क से निकालने/पृथक करने के लिए उपयोग की जाने वाली वैज्ञानिक और तकनीकी प्रक्रिया को धातुकर्म कहा जाता है।
अयस्कों से धातुओं के पृथक्करण और निष्कर्षण में निम्नलिखित प्रमुख चरण शामिल हैं:
(ए) कुचलना और पीसना: अयस्क को पहले जॉ क्रशर द्वारा कुचला जाता है और पीसकर पाउडर बनाया जाता है।
(बी) एकाग्रता:
अयस्क से अवांछित बेकार अशुद्धियों को निकालना अयस्क का ड्रेसिंग, सांद्रण या लाभकारीीकरण कहलाता है।
(i) हाइड्रोलिक धुलाई या गुरुत्वाकर्षण पृथक्करण या लेविगेशन विधि:
यह गैंग और अयस्क कणों के घनत्व में अंतर पर आधारित है। इस विधि का उपयोग आम तौर पर ऑक्साइड और देशी अयस्कों की सांद्रता के लिए किया जाता है।
(ii) विद्युत चुम्बकीय पृथक्करण:
यह अयस्क घटकों के चुंबकीय गुणों में अंतर पर आधारित है। क्रोमाइट अयस्क $(FeO.Cr_2O_3)$ गैर-चुंबकीय सिलिसियस अशुद्धियों और कैसिटेराइट अयस्क से अलग किया जाता है $(SnO_2)$ चुंबकीय वुल्फ्रामाइट से अलग किया जाता है $(FeWO_4 + MnWO_4)$.
(iii) झाग उत्प्लावन प्रक्रिया। इस विधि का उपयोग आमतौर पर निम्न श्रेणी के सल्फाइड अयस्कों जैसे गैलेना, पीबीएस (पीबी का अयस्क) की सांद्रता के लिए किया जाता है; कॉपर पाइराइट $Cu_2S.Fe_2S_3$ या $CuFeS_2$ (तांबे का अयस्क) ; जिंक ब्लेंड, $\mathrm{ZnS}$ (जस्ता का अयस्क) आदि, और इस तथ्य पर आधारित है कि गैंग और अयस्क के कणों में पानी और पाइन तेल के साथ घुलनशीलता की अलग-अलग डिग्री होती है; गैंग के कणों को अधिमानतः पानी से गीला किया जाता है जबकि अयस्क के कणों को तेल से गीला किया जाता है। इस प्रक्रिया में एक या अधिक रासायनिक झाग बनाने वाले एजेंट मिलाये जाते हैं।
(iv) लीचिंग: यदि अयस्क किसी उपयुक्त विलायक, जैसे एसिड, क्षार और उपयुक्त रासायनिक अभिकर्मकों में घुलनशील है, तो लीचिंग का उपयोग अक्सर किया जाता है।
(सी) सांद्रित अयस्क से कच्ची धातु का निष्कर्षण:
संकेंद्रित अयस्क से धातुओं के पृथक्करण में नीचे दिए गए अनुसार दो प्रमुख चरण शामिल हैं।
(i) ऑक्साइड में रूपांतरण :
कैल्सीनेशन। यह हवा की सीमित आपूर्ति में या हवा की अनुपस्थिति में केंद्रित अयस्क को दृढ़ता से गर्म करने की एक प्रक्रिया है। कैल्सीनेशन की प्रक्रिया निम्नलिखित परिवर्तन लाती है:
(ए) कार्बोनेट अयस्क विघटित होकर धातु का ऑक्साइड बनाता है।
(बी) हाइड्रेटेड ऑक्साइड अयस्क में मौजूद क्रिस्टलीकरण का पानी नमी के रूप में नष्ट हो जाता है।
(सी) कार्बनिक पदार्थ, यदि अयस्क में मौजूद है, निष्कासित हो जाता है और अयस्क छिद्रपूर्ण हो जाता है। वाष्पशील अशुद्धियाँ दूर हो जाती हैं।
भुनना:
यह सांद्रित अयस्क (आमतौर पर सल्फाइड अयस्क) को हवा की अधिकता में दृढ़ता से गर्म करने की एक प्रक्रिया है $\mathrm{O}_{2}$ इसके गलनांक से नीचे। भूनना एक ऊष्माक्षेपी प्रक्रिया है जिसे एक बार शुरू करने के बाद अतिरिक्त तापन की आवश्यकता नहीं होती है।
गलाना:
स्लैग निर्माण: कई निष्कर्षण प्रक्रियाओं में, अन्य अशुद्धियों के साथ संयोजन करने और पिघली हुई धातु के साथ अमिश्रणीय एक स्थिर पिघला हुआ चरण बनाने के लिए एक ऑक्साइड को जानबूझकर जोड़ा जाता है जिसे स्लैग कहा जाता है। इस प्रक्रिया को गलाना कहा जाता है।
स्लैग निर्माण का सिद्धांत मूलतः निम्नलिखित है:
अधातु ऑक्साइड (अम्लीय ऑक्साइड) + धातु ऑक्साइड (क्षारीय ऑक्साइड) $\longrightarrow$ फ़्यूज़िबल (आसानी से पिघलने वाला) स्लैग
अवांछित क्षारीय और अम्लीय ऑक्साइड को हटाना: उदाहरण के लिए, $\mathrm{FeO}$ के निष्कर्षण में अशुद्धता है $\mathrm{Cu}$ कॉपर पाइराइट से.
मैट में आयरन (II) सल्फाइड की भी बहुत कम मात्रा होती है।
रेत आदि जैसी अवांछित अम्लीय अशुद्धियों को दूर करने के लिए $P_4O_{10}$गलाने का कार्य चूना पत्थर की उपस्थिति में किया जाता है।
$CaCO_3 \longrightarrow CaO+CO_2$
$CaO + SiO_2 \longrightarrow CaSiO_3(\text{fusible slag})$
$6CaO + P_4O_{10} \longrightarrow 2Ca_3(PO_4)_2 (\text{fusible slag - Thomas slag})$
(ii) धातु ऑक्साइड का अपचयन :
मुक्त धातु रासायनिक कम करने वाले एजेंट या इलेक्ट्रोलिसिस का उपयोग करके एक यौगिक की कमी से प्राप्त की जाती है।
रासायनिक न्यूनीकरण विधि :
कार्बन से कमी :
$$ \mathrm{PbO}+\mathrm{C} \longrightarrow \mathrm{Pb}+\mathrm{CO} \text { (सीसा निकालना) } $$
के साथ कमी $\mathrm{CO}$ : कुछ मामलों में $\mathrm{CO}$ भट्टी में ही उत्पादित पदार्थ को कम करने वाले एजेंट के रूप में उपयोग किया जाता है।
$$ Fe_2O_3 + 3CO \लंबा दायां तीर 2Fe + 3CO_2 $$
अन्य धातुओं द्वारा कमी :
धात्विक ऑक्साइड ( $\mathrm{Cr}$ और $\mathrm{Mn}$ ) को एल्युमीनियम जैसी अत्यधिक विद्युत धनात्मक धातु द्वारा कम किया जा सकता है जो बड़ी मात्रा में ऊर्जा मुक्त करती है (1675 $\mathrm{kJ} / \mathrm{mol}$ ) ऑक्सीकरण पर $Al_2 O_3$. इस प्रक्रिया को गोल्डस्मिड्ट या के नाम से जाना जाता है एल्यूमिनोथर्मिक प्रक्रिया और प्रतिक्रिया को थर्माइट प्रतिक्रिया के रूप में जाना जाता है।
$$ Cr_2O_3 + Al\दायां तीर 2Cr(l) + Al_2O_3 $$
मैग्नीशियम कटौती विधि: मैग्नीशियम का उपयोग ऑक्साइड को कम करने के लिए इसी तरह किया जाता है। कुछ मामलों में जहां ऑक्साइड कम करने के लिए बहुत स्थिर है, वहां हैलाइड को कम करने के लिए इलेक्ट्रोपोसिटिव धातुओं का उपयोग किया जाता है।
$TiCl_4 + 2 Mg \xrightarrow[1000-1150^circC] {\text{ Krollprocess }} Ti + 2 MgCl_2$
$TiCl_4 + 4 Na \xrightarrow { \text{IMI process }} Ti + 4 NaCl$
स्वयं कटौती विधि:
इस विधि को स्वतः न्यूनीकरण विधि या वायु न्यूनीकरण विधि भी कहा जाता है। यदि सल्फाइड अयस्क की तरह कुछ कम विद्युत धनात्मक धातुएँ हैं $\mathrm{Hg}, \mathrm{Cu}$, $\mathrm{Pb}, \mathrm{Sb}$आदि को हवा में गर्म किया जाता है, इनका एक भाग ऑक्साइड या सल्फेट में बदल जाता है, फिर वह सल्फाइड अयस्क के शेष भाग के साथ प्रतिक्रिया करके अपनी धातु बनाता है और $\mathrm{SO}_{2}$.
$Cu_2S + 3O_2 \longrightarrow 3Cu_2O + 2SO_2$
$2Cu_2O + Cu_2S \longrightarrow 6Cu + SO_2$
इलेक्ट्रोलाइटिक कमी:
यह कटौती की सबसे शक्तिशाली विधि प्रस्तुत करता है और एक बहुत ही शुद्ध उत्पाद देता है। चूँकि यह रासायनिक विधियों की तुलना में एक महंगी विधि है, इसका उपयोग या तो बहुत प्रतिक्रियाशील धातुओं जैसे मैग्नीशियम या एल्यूमीनियम के लिए या उच्च शुद्धता के नमूनों के उत्पादन के लिए किया जाता है।
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जलीय घोल में: जलीय घोल में इलेक्ट्रोलिसिस आसानी से और सस्ते में किया जा सकता है ताकि उत्पाद पानी के साथ प्रतिक्रिया न करें। तांबा और जस्ता उनके सल्फेटों के जलीय घोल के इलेक्ट्रोलिसिस द्वारा प्राप्त किए जाते हैं।
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फ्यूज्ड मेल्ट में: एल्युमीनियम को फ्यूज्ड मिश्रण के इलेक्ट्रोलिसिस द्वारा प्राप्त किया जाता है $Al_2O_3$ और क्रायोलाइट $Na_3[AIF_6]$.
एल्यूमीनियम का निष्कर्षण: इसमें निम्नलिखित प्रक्रियाएं शामिल हैं
(ए) बॉक्साइट का शुद्धिकरण:
(बी) इलेक्ट्रोलाइटिक कमी (हॉल-हेरोल्ट प्रक्रिया):
$$ 2Al_2O_3 + 3C \लंबा दायां तीर 4Al + 3CO_2 $$
कैथोड :
$$ \mathrm{Al}^{3+}(\mathrm{पिघल})+3 \mathrm{e}^{-} \longrightarrow \mathrm{Al}(\mathrm{l}) $$
एनोड:
$$ \शुरू{संरेखित} और \mathrm{C}(\mathrm{s})+\mathrm{O}^{2-}(\text { पिघला }) \longrightarrow \mathrm{CO}(\mathrm{g})+2 \mathrm{ ई}^{-} \\ और \mathrm{C}(\mathrm{s})+2 \mathrm{O}^{2-}(\mathrm{पिघल}) \longrightarrow \mathrm{CO}_{2}(\mathrm{~g} )+4 \mathrm{e}^{-} \अंत{संरेखित} $$
कुछ महत्वपूर्ण धातुओं का धातुकर्म
1. हेमेटाइट अयस्क से लोहे का निष्कर्षण
प्रतिक्रियाएं शामिल:
पर $500-800 \mathrm{~K}$ (ब्लास्ट फर्नेस में निम्न तापमान सीमा)
$3Fe_2O_3 + CO \longrightarrow 2Fe_3O_4 + CO_2$
$Fe_3O_4 + CO \longrightarrow 3Fe + 4CO_2$
$Fe_2O_3 + CO \longrightarrow 2FeO + CO_2$
पर $900-1500 \mathrm{~K}$ (ब्लास्ट फर्नेस में उच्च तापमान सीमा):
$C + CO_2 \longrightarrow 2 CO ; \quad FeO + CO \longrightarrow Fe + CO_2$
चूना पत्थर भी विघटित होता है $\mathrm{CaO}$ जो अयस्क की सिलिकेट अशुद्धता को स्लैग के रूप में हटा देता है। धातुमल पिघली हुई अवस्था में होता है और लोहे से अलग हो जाता है।
$CaCO_3 \longrightarrow CaO + CO_2 ; \quad CaO + SiO_2 \longrightarrow CaSiO_3$
2. तांबे का निष्कर्षण:
कॉपर ग्लांस से मैं कॉपर पाइराइट (स्वयं न्यूनीकरण) :
$2CuFeS_2 + 4O_2 \longrightarrow Cu_2S + 2FeO + 3SO_2$
$Cu_2S + FeO + SiO_2 \longrightarrow FeSiO_3$ (फ्यूजिबल स्लैग) $+Cu_2S$ (मैट)
$2FeS + 3O_2 \longrightarrow 2FeO + 2SO_2 \quad ; FeO + SiO_2 \longrightarrow FeSiO_3$
$2Cu_2S + 3O_2 \longrightarrow 2Cu_2O + 2SO_2$;
$2Cu_2O + Cu_2S \longrightarrow 6Cu + SO_2$ (स्वयं कमी)
3. सीसा का निष्कर्षण:
(मैं) $2PbS(s) + 3O_2$ (जी) $\stackrel{\Delta}{\longrightarrow} 2PbO(s) \xrightarrow[\Delta]{+C} 2 Pb(\ell) + CO_2(g)$
(ii) $3PbS(s) \xrightarrow[\text { air }]{\text { heat in }} PbS(s) + 2PbO$ (एस) $\xrightarrow{\text { absence of air }}{\text { Heat in }} 3Pb(\ell) + SO_2(g)$
4. जिंक मिश्रण से जिंक का निष्कर्षण:
तापमान पर हवा की अधिकता की उपस्थिति में अयस्क को भूना जाता है $1200 \mathrm{~K}$.
$$ 2ZnS + 3O_2 \लंबा दायां तीर 2ZnO + 2SO_2 $$
जिंक ऑक्साइड का अपचयन कोक का उपयोग करके किया जाता है।
$$ \mathrm{ZnO}+\mathrm{C} \xrightarrow{\text { कोक,1673K }} \mathrm{Zn}+\mathrm{CO} $$
5. कैसिटेराइट से टिन का निष्कर्षण:
वुल्फ्रामाइट की चुंबकीय अशुद्धता को दूर करने के लिए संकेंद्रित अयस्क को विद्युत चुम्बकीय पृथक्करण के अधीन किया जाता है।
$\mathrm{SnO}_{2}$ कार्बन का उपयोग करके धातु में अपचयित किया जाता है $1200-1300^{\circ} \mathrm{C}$ एक विद्युत भट्ठी में. उत्पाद में अक्सर इसके अंश होते हैं $\mathrm{Fe}$, जिसे ऑक्सीकरण के लिए पिघले हुए मिश्रण के माध्यम से हवा प्रवाहित करके हटा दिया जाता है $\mathrm{FeO}$ जो फिर सतह पर तैरता है।
6. मैग्नीशियम का निष्कर्षण:
समुद्र के पानी से (डॉव की प्रक्रिया):
समुद्र के पानी में शामिल हैं $0.13 %$ मैग्नीशियम क्लोराइड और सल्फेट के रूप में। इसमें निम्नलिखित चरण शामिल हैं।
(ए) बुझे हुए चूने द्वारा मैग्नीशियम हाइड्रॉक्साइड के रूप में मैग्नीशियम का अवक्षेपण।
(बी) हेक्साहाइड्रेटेड मैग्नीशियम क्लोराइड की तैयारी।
सांद्रण और क्रिस्टलीकरण पर विलयन के क्रिस्टल प्राप्त होते हैं $MgCl_2 \cdot 6H_2O$.
(सी) निर्जल मैग्नीशियम क्लोराइड की तैयारी।
(डी) जुड़े हुए निर्जल का इलेक्ट्रोलिसिस $\mathrm{MgCl}_{2}$ की उपस्थिति में $\mathrm{NaCl}$.
$$ \mathrm{MgCl}_{2} \rightleftharpoons \mathrm{Mg}^{2+}+2 \mathrm{Cl}^{-} $$
कैथोड पर: $\quad \mathrm{Mg}^{2+}+2 \mathrm{e}^{-} \longrightarrow \mathrm{Mg} (99$ % शुद्ध );
एनोड पर: $\quad 2 \mathrm{Cl}^{-} \longrightarrow \mathrm{Cl}_{2}+2 \mathrm{e}^{-}$
7. सोने और चांदी का निष्कर्षण (मैकआर्थर-फॉरेस्ट साइनाइड प्रक्रिया)
(ए) देशी अयस्कों से: सोने और चांदी के निष्कर्षण में धातु को निक्षालित करना शामिल है $\mathrm{CN}^{-}$.
$4Au / Ag(s) + 8CN^-(aq) + 2H_2O(aq) + O_2(g) \longrightarrow 4\left[Au / Ag(CN)_2\right]^-(aq) + $ $4 OH-(aq)$
$2\left[Au/ Ag(CN)_2\right]^{-}(aq) + Zn(s) \longrightarrow 2Au / Ag(s) + \left[Zn(CN)_4\right]^{2-}(aq)$
(बी) अर्जेंटाइट अयस्क से:
$Ag_2S$ (सांद्र अयस्क) $ + 2NaCN \stackrel{\text { Air }}{\rightleftharpoons} 2AgCN + Na_2S$.
$4Na_2S + 5O_2 + 2H_2O \longrightarrow 2Na_2SO_4 + 4NaOH + 2S$
$AgCN + NaCN \longrightarrow Na\left[Ag(CN)_2\right]$ (घुलनशील परिसर)
$2Na\left[Ag(CN)_2\right] + Zn$ (धूल) $\longrightarrow 2Ag \downarrow + Na_2\left[Zn(CN)_4\right]$.
(डी) धातुओं का शुद्धिकरण या शोधन:
भौतिक तरीके:
इन विधियों में निम्नलिखित प्रक्रियाएँ शामिल हैं:
(I) द्रवीकरण प्रक्रिया: इस प्रक्रिया का उपयोग धातु के शुद्धिकरण के लिए किया जाता है, जो स्वयं आसानी से गलने योग्य होती है, लेकिन इसमें मौजूद अशुद्धियाँ नहीं होती हैं, जिनका उपयोग धातु के शुद्धिकरण के लिए किया जाता है। $\mathrm{Sn}$ और $\mathrm{Zn}$, और हटाने के लिए $\mathrm{Pb}$ से $\mathrm{Zn}-\mathrm{Ag}$ मिश्रधातु.
(II) आंशिक आसवन प्रक्रिया: इस प्रक्रिया का उपयोग उन धातुओं को शुद्ध करने के लिए किया जाता है जो स्वयं अस्थिर होती हैं और उनमें अशुद्धियाँ गैर-वाष्पशील होती हैं और इसके विपरीत। $\mathrm{Zn}, \mathrm{Cd}$ और $\mathrm{Hg}$ इस प्रक्रिया द्वारा शुद्ध किया जाता है।
(III) ज़ोन शोधन विधि (फ्रैक्शनल क्रिस्टलीकरण विधि): इस प्रक्रिया का उपयोग तब किया जाता है जब विशिष्ट अनुप्रयोग के लिए धातुओं को बहुत उच्च शुद्धता की आवश्यकता होती है। उदाहरण के लिए शुद्ध $\mathrm{Si}$ और $\mathrm{Ge}$ अर्धचालकों में उपयोग किया जाता है
रासायनिक विधियाँ: इन विधियों में निम्नलिखित विधियाँ शामिल हैं:
(I) ऑक्सीडेटिव रिफ़ाइनिंग:
इस विधि का प्रयोग आमतौर पर धातुओं को परिष्कृत करने के लिए किया जाता है $\mathrm{Pb}, \mathrm{Ag}$, $\mathrm{Cu}, \mathrm{Fe}$, आदि। इस विधि में पिघली हुई अशुद्ध धातु का विभिन्न तरीकों से ऑक्सीकरण किया जाता है।
(II) पोलिंग प्रक्रिया:
इस प्रक्रिया का उपयोग तांबे और टिन के शुद्धिकरण के लिए किया जाता है जिसमें उनके स्वयं के ऑक्साइड की अशुद्धियाँ होती हैं।
$\text { Green wood } \rightarrow \text { Hydrocarbons } \rightarrow CH_4$
$4CuO + CH_4 \rightarrow 4Cu\text { (pure metal) } + CO_2 + 2H_2O$
(III) इलेक्ट्रोलाइटिक रिफ़ाइनिंग:
कुछ धातुएँ जैसे $\mathrm{Cu}, \mathrm{Ni}$, और $\mathrm{Al}$ इलेक्ट्रोलाइटिक रूप से परिष्कृत किया जाता है।
(IV) वाष्प चरण शोधन:
(i) निकेल का निष्कर्षण (मोंड की प्रक्रिया): प्रतिक्रिया का क्रम है
$H_2O(g )+ C \longrightarrow CO(g) + H_2$
$ Ni(s) + 4CO(s) $ $ \xrightarrow{50^{\circ} C}$ $ Ni(CO_4) (g) $
$ Ni(CO)_4 (g) \xrightarrow{200^{\circ} C} Ni + 4CO(g)$
(ii) वैन आर्केल-डी बोअर प्रक्रिया:
$$\text { अशुद्ध } Ti + 2I_2 \xrightarrow{50-250^{\circ} \mathrm{C}}til_4 \xrightarrow[\text { टंगस्टन फिलामेंट }]{1400^{\circ} \mathrm{C}} Ti +2आई_2 $$
