મધ્યમ, નીચી અને ઊંચી સક્રિયતા શ્રેણીની ધાતુઓનું નિષ્કર્ષણ અને વિધુતવિભાજનીય શુદ્ધિકરણ | Metals Extraction and Purification Process

ધાતુઓની પ્રાપ્તિ

🌎 ધાતુઓની પ્રાપ્તિ

પૃથ્વીનું ભૂપૃષ્ઠ (પોપડો) ધાતુઓનો મોટો સ્રોત છે.

દરિયાનું પાણી પણ સોડિયમ ક્લોરાઈડ અને મેગ્નેશિયમ ક્લોરાઈડ જેવી દ્રાવ્ય ક્ષારો ધરાવે છે.

⛏️ ખનીજો

જે તત્ત્વો કે સંયોજનો પૃથ્વીના ભૂપૃષ્ઠમાંથી કુદરતી રીતે મળે છે તેને ખનીજો કહે છે.

⚙️ કાચી ધાતુ (અયસ્ક)

જે ખનીજો કોઈ ચોક્કસ ધાતુનું ઘણું ઊંચું ટકાવાર પ્રમાણ ધરાવે છે અને તેમાંથી ધાતુનું નિષ્કર્ષણ લાભદાયી હોય, તેને કાચી ધાતુ (અયસ્ક) કહેવાય છે.

⚡ ધાતુઓનું નિષ્કર્ષણ

કેટલીક ધાતુઓ પૃથ્વીના ભૂપૃષ્ઠમાંથી મુક્ત અવસ્થામાં મળે છે, જેમ કે: સોનું (Au), ચાંદી (Ag), પ્લેટિનમ (Pt), કોપર (Cu).

કોપર અને સિલ્વર તેમના સલ્ફાઈડ અથવા ઓક્સાઈડ અયસ્ક સ્વરૂપે સંયોજિત અવસ્થામાં પણ મળે છે.

⚖️ સક્રિયતા શ્રેણી અનુસાર વિભાજન

🔝 ટોચ પર રહેલી ધાતુઓ (K, Na, Ca, Mg, Al) એટલી સક્રિય છે કે મુક્ત અવસ્થામાં નથી મળતી.

⚖️ મધ્યમ સક્રિય ધાતુઓ (Zn, Fe, Pb વગેરે) ઓક્સાઈડ, સલ્ફાઈડ કે કાર્બોનેટ સ્વરૂપે મળી આવે છે.

☁️ ઓક્સાઈડ અયસ્કનું મહત્ત્વ

ઘણી ધાતુઓ ઓક્સાઈડ સ્વરૂપે મળે છે કારણ કે ઓક્સિજન ખુબજ સક્રિય તત્વ છે અને પૃથ્વી પર વિશાળ પ્રમાણમાં મળે છે.

🪨 અયસ્કોની સમૃદ્ધિ (Beneficiation)

પૃથ્વીમાંથી ખોદીને બહાર કાઢેલી અયસ્કો સામાન્ય રીતે મોટા પ્રમાણમાં અશુદ્ધિઓ જેવી કે માટી, રેતી વગેરે ધરાવે છે જેને ગેંગ (Gangue) કહે છે.

અયસ્કમાંથી ગેંગને દૂર કરવા માટેના રીતો તેમના ભૌતિક અથવા રાસાયણિક ગુણધર્મોના તફાવત પર આધારિત છે.

⚡ સક્રિયતા શ્રેણી અને ધાતુઓનું વર્ગીકરણ

સક્રિયતાના આધારે ધાતુઓને ત્રણ પ્રકારમાં વર્ગીકૃત કરી શકાય છે:

• 🔹 ઊંચી સક્રિયતા ધરાવતી ધાતુઓ
• 🔹 મધ્યમ સક્રિયતા ધરાવતી ધાતુઓ
• 🔹 નીચી સક્રિયતા ધરાવતી ધાતુઓ

ઓછું સક્રિય

🔥 સક્રિયતા શ્રેણીમાં નીચે રહેલી ધાતુઓનું નિષ્કર્ષણ

આ ધાતુઓ ખૂબ જ નિષ્ક્રિય હોય છે અને તેમના ઓક્સાઈડને માત્ર ગરમ કરીને રિડક્શન કરી શકાય છે.

ઉદાહરણ:

મરક્યુરી (Hg) માટે:

2HgS(s) + 3O₂(g) → 2HgO(s) + 2SO₂(g)

2HgO(s) → 2Hg(l) + O₂(g)

કોપર (Cu) માટે:

2Cu₂S(s) + 3O₂(g) → 2Cu₂O(s) + 2SO₂(g)

2Cu₂O(s) + Cu₂S(s) → 6Cu(s) + SO₂(g)

⚙️ થર્મિટ પ્રક્રિયા (Thermite Process)

વધુ સક્રિય ધાતુઓ ઓછી સક્રિયતા ધરાવતી ધાતુઓના સંયોજનોમાંથી ધાતુને વિસ્થાપિત કરી શકે છે.

આ પ્રક્રિયા ખૂબ જ ઉષ્માક્ષેપક છે અને ઉત્પન્ન થતી ઉષ્માથી ધાતુ પીગળી જાય છે.

ઉદાહરણ:

Fe₂O₃(s) + 2Al → 2Fe(l) + Al₂O₃(s) + ઉષ્મા

આ પ્રક્રિયાનો ઉપયોગ રેલવેના પાટા કે મશીનના તૂટેલા ભાગો જોડવા માટે થાય છે.

મધ્યમ સક્રિયતા શ્રેણી

📌 પરિચય

સક્રિયતા શ્રેણીની મધ્યમાં રહેલી ધાતુઓ જેવી કે લોખંડ (Fe), સીસું (Pb), કોપર (Cu) વગેરે મધ્યમ પ્રતિક્રિયાત્મક હોય છે.

આવી ધાતુઓ કુદરતમાં પ્રત્યક્ષ ઓક્સાઈડ તરીકે ઓછું મળે છે; વધુ પડતા સલ્ફાઈડ અથવા કાર્બોનેટ સ્વરૂપે જોવા મળે છે.

આથી, પહેલા તેમને ઓક્સાઈડમાં ફેરવવું જરૂરી હોય છે, પછી તેનું રિડક્શન કરીને શુદ્ધ ધાતુ પ્રાપ્ત થાય છે.

🔥 ભૂંજન (Roasting)

સલ્ફાઈડ કાચી ધાતુને વધારે પ્રમાણમાં ઓક્સીજન (હવા) સાથે તાપ આપવાથી તે ધાતુ ઓક્સાઈડમાં ફેરવાય છે.

2ZnS(s) + 3O₂(g) → 2ZnO(s) + 2SO₂(g)

🔥 કેલ્શિનેશન (Calcination)

કાર્બોનેટ કાચી ધાતુને મર્યાદિત પ્રમાણમાં હવામાં સખત ગરમ કરતાં તે ઓક્સાઈડમાં ફેરવાય છે.

2ZnCO₃(s) → 2ZnO(s) + 2CO₂(g)

🔻 રિડક્શન (Reduction)

ભૂંજન અથવા કેલ્શિનેશન બાદ મેળવાયેલા ઓક્સાઈડને યોગ્ય રિડક્શનકર્તા (જેવી કે કાર્બન) સાથે તાપ આપીને શુદ્ધ ધાતુ પ્રાપ્ત થાય છે.

ZnO(s) + C(s) → Zn(s) + CO(g)

વધારે સક્રિય

📌 પરિચય

સક્રિયતા શ્રેણીમાં ટોચ પર રહેલી ધાતુઓ જેમ કે સોડિયમ (Na), મેગ્નેશિયમ (Mg), કેલ્શિયમ (Ca), એલ્યુમિનિયમ (Al) ખૂબ જ સક્રિય હોય છે.

આવી ધાતુઓનાં ઓક્સાઈડને કાર્બન વડે રિડ્યુસ કરી શકાતું નથી કારણ કે ઓક્સિજન સાથે તેમનું બંધન કાર્બન કરતાં મજબૂત છે.

⚡ વિધુતવિભાજન દ્વારા નિષ્કર્ષણ

આવી ધાતુઓને તેમના પિગળેલા લવણોનું વિધુતવિભાજન કરીને મેળવવામાં આવે છે.

ઉદાહરણ તરીકે: સોડિયમ, મેગ્નેશિયમ અને કેલ્શિયમના પિગળેલા ક્લોરાઈડનું વિધુતવિભાજન કરીને તેમને મળવી શકે છે.

⚡ વિધુતધ્રુવો પર થતી પ્રક્રિયાઓ

કેથોડ પર (ઋણ ધ્રુવ):

Na⁺ + e⁻ → Na

એનોડ પર (ધન ધ્રુવ):

2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻

અંતે ધાતુ કેથોડ પર જમા થાય છે અને ક્લોરિન એનોડ પર બહાર આવે છે.

⚡ એલ્યુમિનિયમનું નિષ્કર્ષણ

એલ્યુમિનિયમને પણ એલ્યુમિનિયમ ઓક્સાઈડ (Al₂O₃)નું વિધુતવિભાજન કરીને મેળવવામાં આવે છે.

ધાતુઓનું શુદ્ધિકરણ

📌 પરિચય

રિડક્શન જેવી પ્રક્રિયાઓથી મળતી ધાતુઓ સંપૂર્ણપણે શુદ્ધ હોતી નથી. તેથી ધાતુઓનું શુદ્ધિકરણ જરૂરી બને છે.

સૌથી વ્યાપક રીતે વપરાતી પદ્ધતિ છે: વિધુતવિભાજનીય શુદ્ધિકરણ ⚡.

⚡ વિધુતવિભાજનીય શુદ્ધિકરણ

વિધુતવિભાજનીય શુદ્ધિકરણમાં અશુદ્ધ ધાતુનું સળિયું એનોડ અને શુદ્ધ ધાતુની પાતળી પટ્ટી કેથોડ તરીકે લેવાય છે.

ધાતુ ક્ષારના દ્રાવણનો ઉપયોગ વિધુતવિભાજ્ય તરીકે થાય છે.

⚡ પ્રક્રિયાની સમજણ

• એનોડ પરથી ધાતુ ઓગળી વિધુતવિભાજ્યમાં જાય છે.
• કેથોડ પર શુદ્ધ ધાતુ જમા થાય છે.
• દ્રાવ્ય અશુદ્ધિઓ દ્રાવણમાં ઓગળે છે.
• અદ્રાવ્ય અશુદ્ધિઓ એનોડના તળિયે જમા થાય છે (એનોડ પંક).

🧪 ઉદાહરણ: કોપરનું શુદ્ધિકરણ

કોપર ધાતુના શુદ્ધિકરણ માટે:

• વિધુતવિભાજ્ય તરીકે કોપર સલ્ફેટ (CuSO₄)નું દ્રાવણ લેવાય છે.
• એનોડ: અશુદ્ધ કોપરનું સળિયું
• કેથોડ: શુદ્ધ કોપરની પાતળી પટ્ટી
• વિધુત પ્રવાહ પસાર થતા કેથોડ પર શુદ્ધ કોપર જમા થાય છે.