कक्षा 12 रसायन विज्ञान NCERT समाधान: तत्वों के निष्कर्षण के सिद्धांत एवं प्रक्रम

Solution: चुम्बकीय पृथक्करण विधि का उपयोग उन अयस्कों के सांद्रण के लिए किया जाता है जिनमें अयस्क या गैंग का कोई एक घटक चुम्बकीय गुण प्रदर्शित करता है। इस विधि में, अयस्क को एक शक्तिशाली चुम्बकीय क्षेत्र से गुजारा जाता है। चुम्बकीय घटक चुम्बक की ओर आकर्षित होता है और अलग एकत्र हो जाता है, जबकि गैर-चुम्बकीय घटक अलग गिर जाता है।

उदाहरण के लिए, मैग्नेटाइट ($Fe\_3O\_4$) और हेमेटाइट ($Fe\_2O\_3$) जैसे लौह अयस्कों को इस विधि से सांद्रित किया जा सकता है, क्योंकि इनमें लौह के ऑक्साइड चुम्बकीय होते हैं। सिडेराइट ($FeCO\_3$) भी कुछ हद तक चुम्बकीय गुण प्रदर्शित कर सकता है।

Solution: एल्यूमीनियम के निष्कर्षण में, विशेष रूप से बॉक्साइट अयस्क से, निक्षालन एक महत्वपूर्ण चरण है। बॉक्साइट अयस्क में एल्यूमीनियम ऑक्साइड ($Al\_2O\_3$) के साथ-साथ सिलिका ($SiO\_2$), आयरन ऑक्साइड ($Fe\_2O\_3$) और टाइटेनियम डाइऑक्साइड ($TiO\_2$) जैसी अशुद्धियाँ भी मौजूद होती हैं।

निक्षालन प्रक्रिया में, बॉक्साइट अयस्क को एक उपयुक्त अभिकर्मक के साथ उपचारित किया जाता है ताकि एल्यूमीनियम ऑक्साइड को घुलनशील रूप में परिवर्तित किया जा सके, जबकि अशुद्धियाँ या तो अघुलनशील रहती हैं या अलग रूप में अवक्षेपित हो जाती हैं। बॉक्साइट के लिए सामान्यतः कास्टिक सोडा (NaOH) का उपयोग किया जाता है।

बॉक्साइट को सांद्रित NaOH विलयन के साथ उच्च ताप और दाब पर अभिकृत करने पर एल्यूमीनियम ऑक्साइड घुलनशील सोडियम एल्यूमिनेट ($Na[Al(OH)\_4]$) बनाता है:

$$Al\_2O\_3(s)\; +\; 2NaOH(aq)\; +\; 3H\_2O(l)\; \backslash longrightarrow\; 2Na[Al(OH)\_4](aq)$$

सिलिका जैसी अशुद्धियाँ भी NaOH से अभिक्रिया कर सकती हैं, लेकिन उन्हें अलग करने के लिए अभिक्रिया की परिस्थितियों को नियंत्रित किया जाता है। आयरन ऑक्साइड और टाइटेनियम डाइऑक्साइड जैसी अन्य अशुद्धियाँ अविलेय रहती हैं और उन्हें छानकर अलग किया जा सकता है।

इसके बाद, सोडियम एल्यूमिनेट विलयन को ठंडा किया जाता है और उसमें एल्यूमीनियम हाइड्रॉक्साइड के बीज मिलाकर एल्यूमीनियम हाइड्रॉक्साइड ($Al(OH)\_3$) का अवक्षेपण कराया जाता है:

$$Na[Al(OH)\_4](aq)\; \backslash longrightarrow\; Al(OH)\_3(s)\; +\; NaOH(aq)$$

अंत में, एल्यूमीनियम हाइड्रॉक्साइड को गर्म करके शुद्ध एल्यूमिना ($Al\_2O\_3$) प्राप्त किया जाता है, जिसका उपयोग एल्यूमीनियम धातु के विद्युत अपघटन में किया जाता है। इस प्रकार, निक्षालन एल्यूमीनियम निष्कर्षण के लिए शुद्ध एल्यूमिना प्राप्त करने का एक महत्वपूर्ण चरण है।

Solution: अभिक्रिया $Cr\_2O\_3\; +\; 2Al\; \backslash longrightarrow\; Al\_2O\_3\; +\; 2Cr$ का गिब्स ऊर्जा परिवर्तन ($\backslash Delta\; G^\backslash circ\; =\; -421\; \backslash text\{\; kJ\}$) ऋणात्मक है, जो दर्शाता है कि यह अभिक्रिया ऊष्मागतिकी के अनुसार स्वतःप्रवर्तित (spontaneous) है। हालाँकि, कक्ष ताप पर यह अभिक्रिया सम्पन्न नहीं होती है। इसका मुख्य कारण यह है कि किसी भी रासायनिक अभिक्रिया के होने के लिए अभिकारकों को एक निश्चित न्यूनतम ऊर्जा की आवश्यकता होती है, जिसे सक्रियण ऊर्जा ($E\_a$) कहते हैं।

कक्ष ताप पर, अभिकारकों (जैसे $Cr\_2O\_3$ और $Al$) के पास इस अभिक्रिया को शुरू करने के लिए पर्याप्त सक्रियण ऊर्जा नहीं होती है। यद्यपि अभिक्रिया ऊष्मागतिकी रूप से अनुकूल है, लेकिन इसकी दर बहुत धीमी होती है क्योंकि सक्रियण ऊर्जा की बाधा को पार करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा उपलब्ध नहीं है। इस अभिक्रिया को सम्पन्न कराने के लिए, अभिकारकों को गर्म करके उनकी गतिज ऊर्जा बढ़ानी पड़ती है ताकि वे सक्रियण ऊर्जा बाधा को पार कर सकें और अभिक्रिया की दर बढ़ सके।

Solution: हाँ, यह सत्य है कि कुछ विशिष्ट परिस्थितियों में मैग्नीशियम (Mg), एल्यूमीनियम ऑक्साइड ($Al\_2O\_3$) को अपचयित कर सकता है, और एल्यूमीनियम (Al), मैग्नीशियम ऑक्साइड (MgO) को अपचयित कर सकता है। इन परिस्थितियों को समझने के लिए एलिंघम आरेख (Ellingham diagram) का उपयोग किया जाता है। एलिंघम आरेख तापमान के फलन के रूप में धातु ऑक्साइड के निर्माण के लिए गिब्स ऊर्जा परिवर्तन ($\backslash Delta\; G^\backslash circ$) को दर्शाता है।

एलिघम आरेख के अनुसार, $Al$ और $Mg$ के ऑक्साइड निर्माण के वक्र एक-दूसरे को लगभग 1623 K (या 1350°C) पर काटते हैं।

परिस्थितियाँ:

1. जब तापमान 1623 K से कम हो: इस तापमान सीमा में, $Mg$ के ऑक्साइड निर्माण का $\backslash Delta\; G^\backslash circ$ मान $Al$ के ऑक्साइड निर्माण के $\backslash Delta\; G^\backslash circ$ मान से अधिक ऋणात्मक होता है। इसका मतलब है कि $MgO$ का निर्माण $Al\_2O\_3$ के निर्माण की तुलना में अधिक स्थिर है। इसलिए, इस तापमान सीमा में, मैग्नीशियम ($Mg$) एक प्रबल अपचायक के रूप में कार्य करता है और एल्यूमीनियम ऑक्साइड ($Al\_2O\_3$) को अपचयित करके एल्यूमीनियम धातु ($Al$) मुक्त कर सकता है। अभिक्रिया इस प्रकार होगी:

   $$\backslash frac\{3\}\{2\}\; MgO(s)\; +\; Al(l)\; \backslash longrightarrow\; \backslash frac\{1\}\{2\}\; Al\_2O\_3(s)\; +\; Mg(g)$$

2. जब तापमान 1623 K से अधिक हो: इस तापमान सीमा में, $Al$ के ऑक्साइड निर्माण का $\backslash Delta\; G^\backslash circ$ मान $Mg$ के ऑक्साइड निर्माण के $\backslash Delta\; G^\backslash circ$ मान से अधिक ऋणात्मक हो जाता है। इसका मतलब है कि $Al\_2O\_3$ का निर्माण $MgO$ के निर्माण की तुलना में अधिक स्थिर है। इसलिए, इस तापमान सीमा में, एल्यूमीनियम ($Al$) एक प्रबल अपचायक के रूप में कार्य करता है और मैग्नीशियम ऑक्साइड ($MgO$) को अपचयित करके मैग्नीशियम धातु ($Mg$) मुक्त कर सकता है। अभिक्रिया इस प्रकार होगी:

   $$\backslash frac\{1\}\{2\}\; Al\_2O\_3(s)\; +\; Mg(l)\; \backslash longrightarrow\; Al(l)\; +\; MgO(s)$$

संक्षेप में, यह तापमान पर निर्भर करता है कि कौन सी धातु दूसरी धातु के ऑक्साइड को अपचयित कर सकती है। जिस धातु का ऑक्साइड निर्माण के लिए $\backslash Delta\; G^\backslash circ$ मान अधिक ऋणात्मक होता है, वह दूसरी धातु के ऑक्साइड को अपचयित करने में सक्षम होती है।

Solution: हाइड्रोधातुकर्म (Hydrometallurgy) एक ऐसी प्रक्रिया है जिसमें धातु को उसके जलीय विलयन से अपचयन द्वारा निष्कर्षित किया जाता है। इस विधि की सफलता इस बात पर निर्भर करती है कि क्या हम एक धातु आयन को दूसरे धातु द्वारा विस्थापित कर सकते हैं।

कॉपर ($Cu$) और जिंक ($Zn$) के निष्कर्षण में अंतर को उनके इलेक्ट्रोड विभव ($E^\backslash circ$) से समझा जा सकता है:

• कॉपर के लिए, $E^\backslash circ(Cu^\{2+\}/Cu)\; =\; +0.34\backslash ,\backslash mathrm\{V\}$
• जिंक के लिए, $E^\backslash circ(Zn^\{2+\}/Zn)\; =\; -0.76\backslash ,\backslash mathrm\{V\}$

चूंकि जिंक का मानक इलेक्ट्रोड विभव कॉपर की तुलना में बहुत अधिक ऋणात्मक है, जिंक एक प्रबल अपचायक है। इसका मतलब है कि जिंक, कॉपर आयनों को आसानी से अपचयित कर सकता है।

कॉपर के निष्कर्षण में, कॉपर सल्फाइड अयस्क को पहले भर्जित करके कॉपर (I) ऑक्साइड ($Cu\_2O$) में बदला जाता है, जिसे बाद में पिघले हुए कॉपर से अपचयित किया जाता है। हाइड्रोधातुकर्म का उपयोग तब किया जाता है जब कॉपर को उसके विलयन से प्राप्त करना हो। उदाहरण के लिए, यदि कॉपर आयनों ($Cu^\{2+\}$) का विलयन मौजूद है, तो जिंक धातु का उपयोग करके कॉपर को विस्थापित किया जा सकता है:

$$[Cu(CN)\_2]^-\; +\; Zn\; \backslash longrightarrow\; [Zn(CN)\_4]^\{2-\}\; +\; Cu\; \backslash downarrow$$

इसके विपरीत, जिंक का निष्कर्षण हाइड्रोधातुकर्म द्वारा करना कठिन है। यदि हम जिंक आयनों ($Zn^\{2+\}$) के विलयन से जिंक को अपचयित करने का प्रयास करते हैं, तो हमें एक ऐसे अपचायक की आवश्यकता होगी जिसका इलेक्ट्रोड विभव $Zn^\{2+\}/Zn$ से अधिक ऋणात्मक हो। सामान्यतः उपयोग किए जाने वाले प्रबल अपचायक जैसे कैल्शियम ($Ca$), मैग्नीशियम ($Mg$), या एल्यूमीनियम ($Al$) जल से अभिक्रिया करके हाइड्रोजन गैस उत्पन्न करते हैं। उदाहरण के लिए:

$$Ca(s)\; +\; 2H\_2O(l)\; \backslash longrightarrow\; Ca(OH)\_2(aq)\; +\; H\_2(g)$$

इस प्रकार, ये प्रबल अपचायक जलीय विलयन में जिंक आयनों को अपचयित करने के बजाय जल से अभिक्रिया कर लेते हैं। इसलिए, जिंक का निष्कर्षण सामान्यतः विद्युत अपघटनी विधियों या उच्च ताप पर कार्बन द्वारा अपचयन जैसी विधियों से किया जाता है, न कि हाइड्रोधातुकर्म द्वारा।

Solution: फेन प्लवन विधि (Froth Flotation Method) का उपयोग मुख्य रूप से सल्फाइड अयस्कों के सांद्रण के लिए किया जाता है। इस विधि में, अयस्क को पानी के साथ मिलाकर एक टैंक में डाला जाता है, और हवा को प्रवाहित किया जाता है। एक फेन बनाने वाला अभिकर्मक (जैसे पाइन तेल) मिलाया जाता है जो हवा के बुलबुलों के साथ मिलकर एक स्थायी फेन बनाता है।

जब अवनमक (Depressant) का उपयोग किया जाता है, तो इसका उद्देश्य दो या दो से अधिक सल्फाइड अयस्कों के मिश्रण में से एक विशेष सल्फाइड अयस्क को फेन में आने से रोकना होता है, जबकि दूसरे सल्फाइड अयस्क को फेन में आने देना होता है। अवनमक एक ऐसे आयन के रूप में कार्य करता है जो एक सल्फाइड अयस्क की सतह पर अधिशोषित होकर उसे जलरागी (hydrophilic) बना देता है, जिससे वह फेन के बुलबुलों से चिपक नहीं पाता।

उदाहरण के लिए, यदि हमारे पास जिंक सल्फाइड ($ZnS$) और लेड सल्फाइड ($PbS$) का मिश्रण है, और हम $ZnS$ को अलग करना चाहते हैं, तो सोडियम साइनाइड ($NaCN$) को अवनमक के रूप में उपयोग किया जा सकता है। $NaCN$ $ZnS$ की सतह पर एक जटिल यौगिक बनाकर उसे जलरागी बना देता है, जिससे वह फेन में नहीं आता और टैंक के तल में बैठ जाता है। दूसरी ओर, $PbS$ जलविरागी (hydrophobic) बना रहता है और फेन के बुलबुलों के साथ ऊपर आकर फेन के रूप में एकत्र हो जाता है।

इस प्रकार, अवनमक फेन प्लवन विधि में अयस्कों के चयनात्मक पृथक्करण (selective separation) में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है।

Solution: पाइराइट (Pyrite) मुख्य रूप से कॉपर सल्फाइड ($Cu\_2S$) होता है। ऑक्साइड अयस्कों की तुलना में सल्फाइड अयस्कों से धातु का निष्कर्षण सामान्यतः अधिक जटिल होता है क्योंकि सल्फाइड आयन ($S^\{2-\}$) को हटाना या ऑक्सीकृत करना अधिक कठिन होता है।

कॉपर सल्फाइड ($Cu\_2S$) के निष्कर्षण में मुख्य कठिनाई यह है कि $Cu\_2S$ का कार्बन ($C$) या हाइड्रोजन ($H\_2$) द्वारा अपचयन ऊष्मागतिकी रूप से अनुकूल नहीं होता है। कॉपर सल्फाइड के निर्माण के लिए गिब्स ऊर्जा परिवर्तन ($\backslash Delta\_f\; G^\backslash circ$) का मान कार्बन मोनोऑक्साइड ($CO$) या जल ($H\_2O$) के निर्माण के लिए गिब्स ऊर्जा परिवर्तन से अधिक ऋणात्मक होता है। इसका मतलब है कि $Cu\_2S$ का अपचयन स्वतःप्रवर्तित नहीं होता है।

उदाहरण के लिए:

• कार्बन द्वारा अपचयन:

  $$2\; Cu\_2S\; +\; C\; \backslash longrightarrow\; 4\; Cu\; +\; CS\_2$$

  यह अभिक्रिया स्वतःप्रवर्तित नहीं है।

• हाइड्रोजन द्वारा अपचयन:

  $$Cu\_2S\; +\; H\_2\; \backslash longrightarrow\; 2\; Cu\; +\; H\_2S$$

  यह अभिक्रिया भी स्वतःप्रवर्तित नहीं है।

इसके विपरीत, कॉपर ऑक्साइड ($CuO$ या $Cu\_2O$) का कार्बन या हाइड्रोजन द्वारा अपचयन अधिक आसानी से हो जाता है क्योंकि कॉपर ऑक्साइड के निर्माण के लिए $\backslash Delta\_f\; G^\backslash circ$ का मान $CO$ या $H\_2O$ के निर्माण के मान से कम ऋणात्मक होता है।

इसलिए, सल्फाइड अयस्कों, जैसे पाइराइट ($Cu\_2S$) से कॉपर का निष्कर्षण करने के लिए, पहले अयस्क का भर्जन (Roasting) किया जाता है। भर्जन प्रक्रिया में, सल्फाइड अयस्क को हवा की उपस्थिति में गर्म किया जाता है, जिससे वह ऑक्साइड में परिवर्तित हो जाता है:

$$2\; Cu\_2S(s)\; +\; 3O\_2(g)\; \backslash longrightarrow\; 2\; Cu\_2O(s)\; +\; 2\; SO\_2(g)$$

इसके बाद, प्राप्त कॉपर ऑक्साइड ($Cu\_2O$) को कार्बन या किसी अन्य अपचायक द्वारा आसानी से अपचयित करके कॉपर धातु प्राप्त की जाती है:

$$Cu\_2O(s)\; +\; C(s)\; \backslash longrightarrow\; 2\; Cu(l)\; +\; CO(g)$$

इस प्रकार, सल्फाइड अयस्कों से सीधे अपचयन द्वारा कॉपर का निष्कर्षण कठिन होता है, जबकि ऑक्साइड अयस्कों से यह अपेक्षाकृत आसान होता है।