तत्वों के निष्कर्षण के सामान्य सिद्धांत एवं प्रक्रम — अध्ययन नोट्स

1. परिचय

तत्वों के निष्कर्षण के सामान्य सिद्धांत एवं प्रक्रम (General Principles and Processes of Isolation of Elements) में धातुओं तथा अन्य तत्वों को उनके अयस्कों से निकालने की विधियों का अध्ययन किया जाता है। खनिज पृथ्वी की परत में प्राकृतिक रूप से पाए जाने वाले पदार्थ हैं, जबकि अयस्क वे खनिज हैं जिनसे धातु लाभकारी रूप से निकाली जा सकती है। इस अध्याय में अयस्क सांद्रण, निष्कर्षण (धातुकर्म), शोधन और परिष्करण की प्रक्रियाएँ, धातुओं की क्रियाशीलता श्रेणी, तथा विभिन्न धातुओं के निष्कर्षण के विशेष प्रक्रमों — अल्युमिनियम, लोहा, ताँबा, जस्ता — का वर्णन है। धातुकर्म धातुकर्म विज्ञान की वह शाखा है जिसमें धातुओं को अयस्कों से निकालने तथा शोधित करने का अध्ययन किया जाता है।

2. अयस्कों का सांद्रण (Concentration of Ores)

अयस्कों से अपद्रव्यों (गैंग) को हटाकर धातु की मात्रा बढ़ाने की प्रक्रिया सांद्रण या प्रगाढ़न कहलाती है। प्रमुख विधियाँ:

1. गुरुत्वीय पृथक्करण (Gravity Separation): घनत्व के अंतर के आधार पर। सोने के अयस्क, ऑक्साइड अयस्कों के लिए।
2. हाइड्रोलिक वाशिंग: जल की धारा द्वारा हल्के अपद्रव्य बहा दिए जाते हैं।
3. चुंबकीय पृथक्करण (Magnetic Separation): चुंबकीय तथा अचुंबकीय खनिजों को अलग करना। जब अयस्क चुंबकीय हो (जैसे Fe₂O₃) या गैंग चुंबकीय हो।
4. अपघर्षण (Froth Flotation): सल्फाइड अयस्कों के सांद्रण की विधि। इसमें फोम बनाने वाले (frothing agent — पाइन तेल), प्रभावक (collector — सोडियम एथिल जैंथेट) तथा स्टेबलाइज़र का उपयोग होता है। सल्फाइड कण झाग के साथ ऊपर आ जाते हैं।
5. निष्कासन (Leaching): विलायक द्वारा अयस्क से धातु का विलयन में निष्कासन। - बॉक्साइट से एल्युमिना निकालना: Baeyer प्रक्रम — $Al_2O_3 + 2NaOH \rightarrow 2NaAlO_2 + H_2O$। - साइनाइड निष्कासन: चाँदी तथा सोने के लिए $4Au + 8CN^- + 2H_2O + O_2 \rightarrow 4[Au(CN)_2]^- + 4OH^-$।

3. धातुकर्म के सामान्य सिद्धांत (Principles of Metallurgy)

धातुकर्म की मुख्य पदावलियाँ: 1. अयस्क का सांद्रण (Concentration) 2. अयस्क का भर्जन या निस्तापन (Roasting or Calcination) 3. धातु का अपचयन (Reduction to metal) 4. धातु का परिष्करण (Refining)

भर्जन (Roasting)

अयस्क को वायु की उपस्थिति में अपने गलनांक से नीचे के ताप पर गर्म करना। सल्फाइड अयस्कों पर भर्जन होता है। $$2ZnS + 3O_2 \rightarrow 2ZnO + 2SO_2$$ $$2Cu_2S + 3O_2 \rightarrow 2Cu_2O + 2SO_2$$

निस्तापन (Calcination)

अयस्क को वायु की अनुपस्थिति (या सीमित वायु) में उच्च ताप पर गर्म करना। कार्बोनेट तथा हाइड्रेटेड ऑक्साइड अयस्कों पर। $$CaCO_3 \rightarrow CaO + CO_2$$ $$Al_2O_3 \cdot xH_2O \rightarrow Al_2O_3 + xH_2O$$

4. अयस्कों से धातुओं का निष्कर्षण (Extraction of Metals)

अपचयन के विभिन्न उपाय

1. कार्बन द्वारा अपचयन: उन धातुओं के लिए जो कार्बन से कम क्रियाशील होती हैं (Zn, Pb, Fe)। $$ZnO + C \rightarrow Zn + CO$$ $$Fe_2O_3 + 3C \rightarrow 2Fe + 3CO$$
2. उत्पादित ताप अपचयन (Self-reduction): Cu₂S का स्मेल्टन — $Cu_2S + 2Cu_2O \rightarrow 6Cu + SO_2$।
3. वैद्युत-अपघटनी अपचयन: अत्यधिक क्रियाशील धातुएँ (Na, K, Ca, Al)। - अल्युमिनियम: हॉल-हेरोल्ट प्रक्रम में $Al_2O_3$ को क्रायोलाइट ($Na_3AlF_6$) में गलाकर वैद्युत-अपघटन। - कैथोड पर: $Al^{3+} + 3e^- \rightarrow Al$
4. उष्मितीय प्रक्रम (Thermite Process): $Fe_2O_3 + 2Al \rightarrow 2Fe + Al_2O_3$ (अत्यधिक ऊष्मा, ऊष्माक्षेपी) — रेल पटरी जोड़ने में उपयोग।

अपचायक की प्रकृति — एलिंघम आरेख (Ellingham Diagram)

एलिंघम आरेख ΔG° बनाम ताप (T) का आलेख है, जो ऑक्साइड के निर्माण की मुक्त ऊर्जा दर्शाता है। यह बताता है कि कौन सा अपचायक (C, CO, H₂) किस ताप पर प्रभावी होगा। ऑक्साइड की स्थिरता ΔG° के ऋणात्मक होने से बढ़ती है।

5. धातुओं की क्रियाशीलता श्रेणी तथा अपचयन विधि

क्रियाशीलता श्रेणी के आधार पर धातुओं का निष्कर्षण: - अत्यधिक क्रियाशील (K, Na, Ca, Mg, Al): वैद्युत-अपघटनी अपचयन। - मध्यम क्रियाशील (Zn, Fe, Pb): कार्बन/CO द्वारा अपचयन। - कम क्रियाशील (Cu, Ag, Au): सामान्यतः मुक्त अवस्था या सरल निष्कर्षण।

6. अल्युमिनियम का निष्कर्षण (Extraction of Aluminium)

• अयस्क: बॉक्साइट ($Al_2O_3 \cdot 2H_2O$)
• सांद्रण: Baeyer प्रक्रम (NaOH द्वारा निष्कासन) — $Al_2O_3 + 2NaOH \rightarrow 2NaAlO_2 + H_2O$
• शुद्धीकरण: $2NaAlO_2 + 3H_2O \rightarrow 2Al(OH)_3 + 2NaOH$ (अपघटन); $2Al(OH)_3 \rightarrow Al_2O_3 + 3H_2O$
• निष्कर्षण: हॉल-हेरोल्ट प्रक्रम — $Al_2O_3$ को क्रायोलाइट ($Na_3AlF_6$) में गलाकर वैद्युत-अपघटन।
• कैथोड (ग्रेफाइट): $Al^{3+} + 3e^- \rightarrow Al$ (गलित Al नीचे इकट्ठा होता है)
• एनोड (ग्रेफाइट): $2O^{2-} \rightarrow O_2 + 4e^-$
• क्रायोलाइट का कार्य: गलनांक कम करना तथा चालकता बढ़ाना।

7. लोहे का निष्कर्षण (Extraction of Iron)

• अयस्क: हेमेटाइट ($Fe_2O_3$), मैग्नेटाइट ($Fe_3O_4$), साइडेराइट ($FeCO_3$), लिमोनाइट ($Fe_2O_3 \cdot 3H_2O$)
• ब्लास्ट फर्नेस में लोहे का निष्कर्षण:
• कोक, चूना पत्थर, अयस्क की परतें।
• $C + O_2 \rightarrow CO_2$; $CO_2 + C \rightarrow 2CO$
• $Fe_2O_3 + 3CO \rightarrow 2Fe + 3CO_2$
• चूना पत्थर गैंग को हटाकर धातुमल (CaSiO₃) बनाता है: $CaO + SiO_2 \rightarrow CaSiO_3$
• उत्पाद: पिग आयरन (कच्चा लोहा, कार्बन 4%), कास्ट आयरन, रॉट आयरन (0.1-0.2% C), स्टील।

स्टील बनाना

• बेस्सेमर प्रक्रम (Bessemer): वायु द्वारा अतिरिक्त कार्बन का ऑक्सीकरण।
• ऑक्सीजन स्टील निर्माण (BOS/LD): शुद्ध O₂ प्रवाहित करके।

8. ताँबे का निष्कर्षण (Extraction of Copper)

• अयस्क: कॉपर पाइराइट्स ($CuFeS_2$), मैलाकाइट ($CuCO_3 \cdot Cu(OH)_2$)
• प्रक्रम: 1. अपघर्षण द्वारा सांद्रण। 2. भर्जन: $2CuFeS_2 + O_2 \rightarrow Cu_2S + 2FeS + SO_2$ 3. स्मेल्टन: $FeS + O_2 \rightarrow FeO + SO_2$; FeO धातुमल में। 4. बेस्सेमर कन्वर्टर में: $Cu_2S + 2Cu_2O \rightarrow 6Cu + SO_2$ (स्व-अपचयन) 5. परिष्करण: वैद्युत-अपघटनी परिष्करण (एनोड अशुद्ध Cu, कैथोड शुद्ध Cu)।

ताँबे का वैद्युत-अपघटनी परिष्करण

• एनोड: अशुद्ध ताँबा; कैथोड: शुद्ध ताँबे की पतली पट्टी; विद्युत-अपघट्य: CuSO₄ + H₂SO₄।
• एनोड पर अशुद्धियाँ (Ag, Au) एनोड कीचड़ (Anode mud) के रूप में नीचे जमा होती हैं।

9. जस्ते का निष्कर्षण (Extraction of Zinc)

• अयस्क: जिंक ब्लेंड (ZnS), कैलेमाइन (ZnCO₃)
• प्रक्रम: 1. ZnS का अपघर्षण सांद्रण। 2. भर्जन: $2ZnS + 3O_2 \rightarrow 2ZnO + 2SO_2$ 3. अपचयन: $ZnO + C \rightarrow Zn + CO$ 4. परिष्करण: आसवन या वैद्युत-अपघटनी परिष्करण।

10. धातुओं का परिष्करण (Refining of Metals)

1. विद्युत-अपघटनी परिष्करण: अधिकांश धातुओं के लिए (Cu, Ag, Au, Al)।
2. विलायक निष्कर्षण।
3. क्षेत्र शोधन (Zone Refining): अतिशुद्ध अर्धचालक (Ge, Si) के लिए।
4. वाष्प चरण परिष्करण (Vapour Phase Refining): Ni का मॉन्ड प्रक्रम — $Ni + 4CO \rightarrow Ni(CO)_4 \rightarrow Ni + 4CO$; Ti का वान आर्केल प्रक्रम।
5. आसवन परिष्करण: कम क्वथनांक वाली धातुएँ (Hg, Zn)।

मॉन्ड प्रक्रम

$$Ni + 4CO \xrightarrow{60-80^\circ C} Ni(CO)_4 \xrightarrow{180^\circ C} Ni + 4CO$$ अशुद्ध निकल कार्बोनिल बनाता है, जो गर्म करने पर शुद्ध Ni देता है।

क्षेत्र शोधन

पतली धातु की छड़ को विद्युत चालित ताप कुंडली से गर्म करके अशुद्धियों को एक सिरे से दूसरे सिरे तक ले जाना। अर्धचालकों (Si, Ge) के परिष्करण में उपयोगी।

त्वरित पुनरावृत्ति तालिकाएँ

तालिका 1: महत्वपूर्ण अयस्क

तालिका 2: निष्कर्षण प्रक्रम

तालिका 3: भर्जन बनाम निस्तापन

माइंड मैप

महत्वपूर्ण आरेख (SVG)

आरेख 1: ब्लास्ट फर्नेस

आरेख 2: ताँबे का वैद्युत-अपघटनी परिष्करण

सामान्य गलतियाँ

1. खनिज और अयस्क को एक मानना — अयस्क वह खनिज है जिससे धातु लाभप्रद रूप से निकाली जा सके।
2. भर्जन (वायु उपस्थिति, सल्फाइड) और निस्तापन (वायु की अनुपस्थिति, कार्बोनेट) को उल्टा करना।
3. अपघर्षण विधि को केवल सल्फाइड अयस्कों के लिए मानना और ऑक्साइड के लिए नहीं — यह सही है कि यह सल्फाइड के लिए है; ऑक्साइड के लिए गुरुत्वीय विधि उपयुक्त है।
4. हॉल-हेरोल्ट प्रक्रम में क्रायोलाइट का कार्य भूलना — यह गलनांक घटाकर चालकता बढ़ाता है।
5. ताँबे का स्व-अपचयन समीकरण गलत लिखना — $Cu_2S + 2Cu_2O \rightarrow 6Cu + SO_2$ (स्व-अपचयन उत्पादित ताप अपचयन)।
6. मॉन्ड प्रक्रम को Ni के स्थान पर अन्य धातुओं से जोड़ना।
7. बेस्सेमर प्रक्रम को स्टील के स्थान पर कच्चा लोहा बनाने की विधि समझना — वह लोहे से अतिरिक्त C हटाने के लिए है।

परीक्षा युक्तियाँ

1. अयस्क-सूत्र-धातु के युग्मों की तालिका याद रखें — बॉक्साइट, हेमेटाइट, कॉपर पाइराइट्स, जिंक ब्लेंड, कैलेमाइन।
2. अपचयन विधि को क्रियाशीलता श्रेणी से जोड़कर समझें — अधिक क्रियाशील धातु के लिए वैद्युत-अपघटन।
3. एलिंघम आरेख से प्रश्न आने पर — ΔG° जितना कम (ऋणात्मक), ऑक्साइड उतना स्थिर; C/CO उच्च ताप पर बेहतर अपचायक।
4. वैद्युत-अपघटनी परिष्करण में एनोड/कैथोड का विवरण सही लिखें।
5. क्षेत्र शोधन — Ge, Si; मॉन्ड — Ni; वान आर्केल — Ti के युग्म अक्सर पूछे जाते हैं।
6. साइनाइड निष्कासन केवल Ag और Au के लिए होता है — यह तथ्य याद रखें।

निष्कर्ष

धातुओं के निष्कर्षण के सिद्धांतों में खनिज-अयस्क की संकल्पना, सांद्रण की विधियाँ, भर्जन-निस्तापन, अपचयन के उपाय तथा परिष्करण की विधियाँ सम्मिलित हैं। एलिंघम आरेख अपचायकों के चयन में सहायक है। अल्युमिनियम, लोहा, ताँबा तथा जस्ते के निष्कर्षण के विशेष प्रक्रमों की समझ इस अध्याय का केंद्र है। इन प्रक्रमों की क्रमबद्ध अभ्यास से परीक्षा में उच्च अंक प्राप्त किए जा सकते हैं।