کچھ عناصر جیسے کاربن، گندھک، سونا اور نوبل گیسیں، آزاد حالت میں پائی جاتی ہیں جبکہ دوسری زمین کی پرت میں مرکب شکل میں موجود ہیں۔ کسی عنصر کو اس کی مرکب شکل سے نکالنے اور علیحدہ کرنے میں کیمسٹری کے مختلف اصول شامل ہیں۔ ایک خاص عنصر مختلف مرکبات میں پایا جا سکتا ہے۔ دھات کاری اور علیحدگی کا عمل ایسا ہونا چاہیے کہ یہ کیمیائی طور پر ممکن اور تجارتی طور پر قابل عمل ہو۔ پھر بھی، دھاتوں کے تمام نکالنے کے عمل میں کچھ عمومی اصول مشترک ہیں۔ کسی خاص دھات کو حاصل کرنے کے لیے، پہلے ہم ان معدنیات کی تلاش کرتے ہیں جو زمین کی پرت میں قدرتی طور پر پائے جانے والے کیمیائی مادے ہیں جنہیں کان کنی کے ذریعے حاصل کیا جا سکتا ہے۔ بہت سے معدنیات جن میں ایک دھات پائی جا سکتی ہے، ان میں سے صرف چند ہی اس دھات کے ذرائع کے طور پر استعمال ہونے کے قابل ہوتے ہیں۔ ایسے معدنیات کو کچ دھات (ores) کہا جاتا ہے۔

شاذ و نادر ہی، ایک کچ دھات میں صرف ایک مطلوبہ مادہ ہوتا ہے۔ یہ عام طور پر مٹیالے یا ناپسندیدہ مواد سے آلودہ ہوتا ہے جسے گینگ (gangue) کہتے ہیں۔ کچ دھاتوں سے دھاتوں کو نکالنے اور علیحدہ کرنے میں درج ذیل اہم مراحل شامل ہیں:

• کچ دھات کی تخصیص (concentration)،
• اس کی مرتکز کچ دھات سے دھات کی علیحدگی، اور
• دھات کی صفائی۔

دھات کو اس کی کچ دھاتوں سے علیحدہ کرنے کے لیے استعمال ہونے والا پورا سائنسی اور تکنیکی عمل دھات کاری (metallurgy) کہلاتا ہے۔

6.1 دھاتوں کی موجودگی

اس یونٹ میں، پہلے ہم کچ دھاتوں کی مؤثر تخصیص کے لیے مختلف مراحل بیان کریں گے۔ اس کے بعد ہم کچھ عام دھات کاری کے عمل کے اصولوں پر بحث کریں گے۔ ان اصولوں میں مرتکز کچ دھات کو دھات میں مؤثر طریقے سے کم کرنے میں شامل تھرموڈائنامک اور الیکٹروکیمیکل پہلو شامل ہوں گے۔

عناصر کی کثرت میں فرق ہوتا ہے۔ دھاتوں میں، ایلومینیم سب سے زیادہ وافر ہے۔ یہ زمین کی پرت میں تیسرا سب سے زیادہ وافر عنصر ہے (وزن کے لحاظ سے تقریباً $8.3 \%$)۔ یہ بہت سے آتشیں معدنیات کا ایک اہم جزو ہے جن میں مائیکا اور مٹیاں شامل ہیں۔ بہت سے قیمتی پتھر $\mathrm{Al_2} \mathrm{O_3}$ کی ناپاک شکلیں ہیں اور ناخالصیوں کی حد $\mathrm{Cr}$ (‘روبی’ میں) سے Co (‘نیلم’ میں) تک ہوتی ہے۔ لوہا زمین کی پرت میں دوسری سب سے زیادہ وافر دھات ہے۔ یہ مختلف مرکبات بناتا ہے اور ان کے مختلف استعمال اسے ایک بہت اہم عنصر بناتے ہیں۔ یہ حیاتیاتی نظاموں میں ضروری عناصر میں سے ایک بھی ہے۔

ایلومینیم، لوہے، تانبے اور جست کی اہم کچ دھاتوں کو جدول 6.1 میں دیا گیا ہے۔

جدول 6.1: کچھ اہم دھاتوں کی اہم کچ دھاتیں

نکالنے کے مقصد کے لیے، ایلومینیم کے لیے باکسیٹ کا انتخاب کیا جاتا ہے۔ لوہے کے لیے، عام طور پر آکسائیڈ کچ دھاتیں لی جاتی ہیں جو وافر ہیں اور آلودہ کرنے والی گیسیں پیدا نہیں کرتیں (جیسا کہ $\mathrm{SO_2}$ جو آئرن پائریٹس کی صورت میں پیدا ہوتا ہے)۔ تانبے اور جست کے لیے، دستیابی اور دیگر متعلقہ عوامل کے لحاظ سے درج کردہ کچ دھاتوں (جدول 6.1) میں سے کوئی بھی استعمال کی جا سکتی ہے۔ تخصیص کے لیے آگے بڑھنے سے پہلے، کچ دھاتوں کو درجہ بندی کیا جاتا ہے اور مناسب سائز میں پیسا جاتا ہے۔

کچ دھات سے ناپسندیدہ مواد (مثلاً ریت، مٹی وغیرہ) کو ہٹانے کو تخصیص (concentration)، ڈریسنگ (dressing) یا بینیفیکشن (benefaction) کہا جاتا ہے۔ اس میں کئی مراحل شامل ہیں اور ان مراحل کا انتخاب موجود دھات کے مرکب اور گینگ (gangue) کی طبیعی خصوصیات میں فرق پر منحصر ہے۔ دھات کی قسم، دستیاب سہولیات اور ماحولیاتی عوامل کو بھی مدنظر رکھا جاتا ہے۔ کچھ اہم طریقے درج ذیل بیان کیے گئے ہیں۔

6.2 کچ دھاتوں کی تخصیص

کچ دھات سے ناپسندیدہ مواد (مثلاً ریت، مٹی وغیرہ) کو ہٹانے کو تخصیص (concentration)، ڈریسنگ (dressing) یا بینیفیکشن (benefaction) کہا جاتا ہے۔ تخصیص کے لیے آگے بڑھنے سے پہلے، کچ دھاتوں کو درجہ بندی کیا جاتا ہے اور مناسب سائز میں پیسا جاتا ہے۔ کچ دھاتوں کی تخصیص میں کئی مراحل شامل ہیں اور ان مراحل کا انتخاب موجود دھات کے مرکب اور گینگ (gangue) کی طبیعی خصوصیات میں فرق پر منحصر ہے۔ دھات کی قسم، دستیاب سہولیات اور ماحولیاتی عوامل کو بھی مدنظر رکھا جاتا ہے۔ کچ دھات کی تخصیص کے کچھ اہم طریقے درج ذیل بیان کیے گئے ہیں۔

6.2.1 ہائیڈرولک واشنگ

یہ کچ دھات اور گینگ کے ذرات کے مخصوص ثقل (specific gravities) کے درمیان فرق پر مبنی ہے۔ لہذا یہ کشش ثقل کی علیحدگی (gravity separation) کی ایک قسم ہے۔ ایک ایسے عمل میں، پسی ہوئی کچ دھات کو دھونے کے لیے دوڑتے پانی کی اوپر کی طرف بہاؤ والی دھار استعمال کی جاتی ہے۔ ہلکے گینگ کے ذرات بہہ جاتے ہیں اور بھاری کچ دھات کے ذرات پیچھے رہ جاتے ہیں۔

6.2.2 مقناطیسی علیحدگی

یہ کچ دھات کے اجزاء کی مقناطیسی خصوصیات میں فرق پر مبنی ہے۔ اگر کچ دھات یا گینگ میں سے کوئی بھی مقناطیسی میدان کی طرف کھنچتا ہے، تو علیحدگی اس طریقے سے کی جاتی ہے۔ مثال کے طور پر لوہے کی کچ دھاتیں مقناطیس کی طرف کھنچتی ہیں، لہٰذا، غیر مقناطیسی ناخالصیوں کو مقناطیسی علیحدگی کا استعمال کرتے ہوئے ان سے الگ کیا جا سکتا ہے۔ پسی ہوئی کچ دھات ایک کنویئر بیلٹ پر گرائی جاتی ہے جو ایک مقناطیسی رولر کے اوپر سے گزرتی ہے (شکل 6.1) مقناطیسی مادہ بیلٹ کی طرف کھنچا رہتا ہے اور اس کے قریب گرتا ہے۔

6.2.3 فروت فلوٹیشن طریقہ

یہ طریقہ سلفائیڈ کچ دھاتوں سے گینگ کو ہٹانے کے لیے استعمال ہوتا ہے۔ اس عمل میں، پسی ہوئی کچ دھات کی پانی کے ساتھ معلق (suspension) بنائی جاتی ہے۔ اس میں کلیکٹرز (collectors) اور فروت اسٹیبلائزرز (froth stabilisers) ملائے جاتے ہیں۔ کلیکٹرز (مثلاً پائن آئلز، فیٹی ایسڈز، زینتھیٹس وغیرہ) معدنی ذرات کی غیر ترپذیریت (nonwettability) بڑھاتے ہیں اور فروت اسٹیبلائزرز (مثلاً کریسولز، انیلین) فروت کو مستحکم کرتے ہیں۔

معدنی ذرات تیلوں سے تر ہو جاتے ہیں جبکہ گینگ کے ذرات پانی سے۔ ایک گھومنے والا پیڈ (paddle) مرکب کو ہلاتا ہے اور اس میں ہوا کھینچتا ہے۔ نتیجتاً، فروت بنتا ہے جو معدنی ذرات کو اٹھا لیتا ہے۔ فروت ہلکا ہوتا ہے اور اسے اوپر سے ہٹا لیا جاتا ہے۔ پھر کچ دھات کے ذرات کی بازیابی کے لیے اسے خشک کیا جاتا ہے۔

کبھی کبھار، تیل اور پانی کے تناسب کو ایڈجسٹ کرکے یا ‘ڈیپریسنٹس’ (depressants) کا استعمال کرکے دو سلفائیڈ کچ دھاتوں کو الگ کرنا ممکن ہوتا ہے۔ مثال کے طور پر، ZnS اور PbS پر مشتمل کچ دھات کی صورت میں، استعمال ہونے والا ڈیپریسنٹ NaCN ہے۔ یہ انتخابی طور پر ZnS کو فروت میں آنے سے روکتا ہے لیکن PbS کو فروت کے ساتھ آنے دیتا ہے۔

جدت پسند دھوبن

اگر کسی میں سائنسی مزاج ہو اور وہ مشاہدات پر توجہ دیتا ہو تو وہ حیرت انگیز کام کر سکتا ہے۔ ایک دھوبن کے پاس بھی ایک جدت پسند ذہن تھا۔ ایک کان کن کے اوورآل کو دھوتے وقت، اس نے دیکھا کہ ریت اور اسی طرح کی گندگی واش ٹب کی تہہ میں گر گئی۔ جو بات عجیب تھی، وہ تانبے پر مشتمل مرکبات جو کانوں سے کپڑوں پر آئے تھے، صابن کے جھاگ میں پھنس گئے اور اس طرح اوپر آ گئے۔ اس کی ایک کلائنٹ، مسز کیری ایورسن ایک کیمسٹ تھیں۔ دھوبن نے مسز ایورسن کو اپنا تجربہ بتایا۔ مؤخر الذکر نے سوچا کہ اس خیال کو بڑے پیمانے پر پتھریلے اور مٹی کے مواد سے تانبے کے مرکبات کو الگ کرنے کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے۔ اس طرح ایک ایجاد سامنے آئی۔ اس وقت صرف وہی کچ دھاتیں تانبے کے نکالنے کے لیے استعمال ہوتی تھیں، جن میں دھات کی بڑی مقدار ہوتی تھی۔ فروت فلوٹیشن طریقہ کی ایجاد نے کم درجے کی کچ دھاتوں سے بھی تانبے کی کان کنی کو منافع بخش بنا دیا۔ دنیا میں تانبے کی پیداوار بڑھ گئی اور دھات سستی ہو گئی۔

6.2.4 لیچنگ

لیچنگ اکثر استعمال ہوتی ہے اگر کچ دھات کسی مناسب سالوینٹ میں حل پذیر ہو۔ درج ذیل مثالیں طریقہ کار کو واضح کرتی ہیں:

(الف) باکسیٹ سے ایلومینا کی لیچنگ

ایلومینیم کی اہم کچ دھات، باکسیٹ، عام طور پر ناخالصیوں کے طور پر $\mathrm{SiO_2}$، آئرن آکسائیڈز اور ٹائٹینیم آکسائیڈ $\left(\mathrm{TiO_2}\right)$ پر مشتمل ہوتی ہے۔ تخصیص پسی ہوئی کچ دھات کو $\mathrm{NaOH}$ کے مرتکز محلول کے ساتھ $473-523 \mathrm{~K}$ اور $35-36$ بار دباؤ پر ہضم (digesting) کرکے کی جاتی ہے۔ اس طرح، $\mathrm{Al_2} \mathrm{O_3}$ سوڈیم ایلومینیٹ (اور $\mathrm{SiO_2}$ بھی سوڈیم سلیکیٹ) کے طور پر لیچ ہو جاتا ہے اور ناخالصیاں پیچھے رہ جاتی ہیں:

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

محلول میں ایلومینیٹ کو $\mathrm{CO_2}$ گیس گزار کر غیر جانبدار (neutralised) کیا جاتا ہے اور ہائیڈریٹڈ $\mathrm{Al_2} \mathrm{O_3}$ تہ نشین (precipitated) ہو جاتا ہے۔ اس مرحلے پر، محلول میں تازہ تیار کردہ ہائیڈریٹڈ $\mathrm{Al_2} \mathrm{O_3}$ کے نمونوں کے ساتھ بیج (seeded) کیا جاتا ہے جو تہ نشینی کو تحریک دیتا ہے:

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

سوڈیم سلیکیٹ محلول میں رہتا ہے اور ہائیڈریٹڈ ایلومینا کو فلٹر کیا جاتا ہے، خشک کیا جاتا ہے اور گرم کرکے خالص $\mathrm{Al_2} \mathrm{O_3}$ واپس حاصل کیا جاتا ہے:

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

(ب) دیگر مثالیں

چاندی اور سونے کی دھات کاری میں، متعلقہ دھات کو ہوا کی موجودگی میں ($\mathrm{O_2}$ کے لیے) $\mathrm{NaCN}$ یا $\mathrm{KCN}$ کے ہلکے محلول کے ساتھ لیچ کیا جاتا ہے جس سے بعد میں دھات کو تبدیلی (replacement) کے ذریعے حاصل کیا جاتا ہے:

$$ \begin{array}{r} 4 \mathrm{M}(\mathrm{s})+8 \mathrm{CN}^-(\mathrm{aq})+2 \mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{aq})+\mathrm{O_2}(\mathrm{~g}) \rightarrow 4\left[\mathrm{M}(\mathrm{CN})_2\right]^{-}(\mathrm{aq})+ \\ 4 \mathrm{OH}^-(\mathrm{aq})(\mathrm{M}=\mathrm{Ag} \text { or } \mathrm{Au}) \\ 2\left[\mathrm{M}(\mathrm{CN})_2\right]^-(\mathrm{aq})+\mathrm{Zn}(\mathrm{s}) \rightarrow\left[\mathrm{Zn}(\mathrm{CN})_4\right]^{2-}(\mathrm{aq})+2 \mathrm{M}(\mathrm{s}) \tag{6.5} \end{array} $$

6.3 مرتکز کچ دھات سے خام دھات کا نکالنا

مرتکز کچ دھات سے دھات نکالنے کے لیے، اسے ایسی شکل میں تبدیل کیا جانا چاہیے جو دھات میں کمی (reduction) کے لیے موزوں ہو۔ عام طور پر سلفائیڈ کچ دھاتوں کو کمی سے پہلے آکسائیڈ میں تبدیل کیا جاتا ہے کیونکہ آکسائیڈز کو کم کرنا آسان ہوتا ہے۔ لہٰذا مرتکز کچ دھات سے دھاتوں کی علیحدگی میں دو اہم مراحل شامل ہیں یعنی،

(الف) آکسائیڈ میں تبدیلی، اور (ب) آکسائیڈ کو دھات میں کمی۔

(الف) آکسائیڈ میں تبدیلی

(i) کلسی نیشن (Calcination): کلسی نیشن میں حرارت دینا شامل ہے۔ یہ متطیر مادہ (volatile matter) کو ہٹا دیتا ہے جو فرار ہو جاتا ہے اور دھات کا آکسائیڈ پیچھے چھوڑ دیتا ہے:

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

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

(ii) روسٹنگ (Roasting): روسٹنگ میں، کچ دھات کو دھات کے پگھلنے کے نقطہ سے کم درجہ حرارت پر ایک بھٹی میں ہوا کی باقاعدہ فراہمی کے ساتھ گرم کیا جاتا ہے۔ سلفائیڈ کچ دھاتوں سے متعلق کچھ رد عمل یہ ہیں:

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

تانبے کی سلفائیڈ کچ دھاتوں کو ریوربیریٹری فرنس (reverberatory furnace) میں گرم کیا جاتا ہے [شکل 6.3]۔ اگر کچ دھات میں لوہا ہو تو اسے گرم کرنے سے پہلے سلیکا کے ساتھ ملا دیا جاتا ہے۔ آئرن آکسائیڈ آئرن سلیکیٹ کے طور پر ‘سلگ’ (slags off) ہو جاتا ہے اور تانبہ کاپر میٹ (copper matte) کی شکل میں پیدا ہوتا ہے جس میں Cu2S اور FeS ہوتا ہے۔

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

پیدا ہونے والا SO2 H2SO4 کی تیاری کے لیے استعمال ہوتا ہے۔

(ب) آکسائیڈ کو دھات میں کمی

دھات کے آکسائیڈ کی کمی میں عام طور پر اسے کسی دوسرے مادے کے ساتھ گرم کرنا شامل ہوتا ہے جو کمی کرنے والے ایجنٹ (reducing agent) کے طور پر کام کرتا ہے ($\mathrm{C}$ یا $\mathrm{CO}$ یا یہاں تک کہ کوئی اور دھات)۔ کمی کرنے والا ایجنٹ (مثلاً کاربن) دھات کے آکسائیڈ کے آکسیجن کے ساتھ مل جاتا ہے۔

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

کچھ دھاتی آکسائیڈز آسانی سے کم ہو جاتے ہیں جبکہ دوسروں کو کم کرنا بہت مشکل ہوتا ہے (کمی کا مطلب ہے دھاتی آئن کے ذریعے الیکٹران حاصل کرنا)۔ کسی بھی صورت میں، حرارت درکار ہوتی ہے۔

6.4 دھات کاری کے تھرموڈائنامک اصول

تھرموڈائنامکس کے کچھ بنیادی تصورات ہمیں دھات کاری کی تبدیلیوں کے نظریہ کو سمجھنے میں مدد دیتے ہیں۔ گیبز توانائی (Gibbs energy) یہاں سب سے اہم اصطلاح ہے۔ گیبز توانائی میں تبدیلی، $\Delta \mathrm{G}$ کسی بھی مخصوص درجہ حرارت پر کسی بھی عمل کے لیے، مساوات کے ذریعے بیان کی جاتی ہے:

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

جہاں، $\Delta \mathrm{H}$ اینتھیلپی میں تبدیلی ہے اور $\Delta \mathrm{S}$ عمل کے لیے اینٹروپی میں تبدیلی ہے۔ کسی بھی رد عمل کے لیے، یہ تبدیلی مساوات کے ذریعے بھی بیان کی جا سکتی ہے:

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

جہاں، $\mathrm{K}$ درجہ حرارت T پر ‘ری ایکٹنٹ - پروڈکٹ’ سسٹم کا توازن مستقل (equilibrium constant) ہے۔ ایک منفی $\Delta \mathrm{G}$ مساوات 6.15 میں +ve $\mathrm{K}$ کا اشارہ دیتا ہے۔ اور یہ تب ہی ہو سکتا ہے جب رد عمل پروڈکٹس کی طرف بڑھے۔ ان حقائق سے ہم درج ذیل نتائج اخذ کر سکتے ہیں:

1. جب مساوات 6.14 میں $\Delta \mathrm{G}$ کی قدر منفی ہو، تب ہی رد عمل آگے بڑھے گا۔ اگر $\Delta \mathrm{S}$ مثبت ہے، تو درجہ حرارت (T) بڑھانے پر، $\mathrm{T} \Delta \mathrm{S}$ کی قدر $(\Delta \mathrm{H}<\mathrm{T} \Delta \mathrm{S})$ بڑھ جائے گی اور پھر $\Delta \mathrm{G}$ -ve ہو جائے گا۔

2. اگر دو رد عمل کے ری ایکٹنٹس اور پروڈکٹس کو ایک سسٹم میں اکٹھا کیا جائے اور دو ممکنہ رد عمل کا خالص $\Delta \mathrm{G}$ -ve ہو، تو مجموعی رد عمل واقع ہوگا۔ لہٰذا تشریح کے عمل میں دو رد عمل کو جوڑنا، ان کے $\Delta \mathrm{G}$ کا مجموعہ حاصل کرنا اور اس کی مقدار اور علامت دیکھنا شامل ہے۔ ایسے جوڑ کو آکسائیڈز کی تشکیل کے لیے گیبز توانائی $\left(\Delta \mathrm{G}^{\ominus}\right)$ بمقابلہ $\mathrm{T}$ کے پلاٹس (plots) کے ذریعے آسانی سے سمجھا جا سکتا ہے (شکل 6.4)۔

ایلنگھم ڈایاگرام

گیبز توانائی کی گرافیکل نمائندگی سب سے پہلے H.J.T.Ellingham نے استعمال کی تھی۔ یہ آکسائیڈز کی کمی میں کمی کرنے والے ایجنٹ کے انتخاب پر غور کرنے کے لیے ایک مضبوط بنیاد فراہم کرتی ہے۔ اسے ایلنگھم ڈایاگرام (Ellingham Diagram) کہا جاتا ہے۔ ایسے ڈایاگرام ہمیں کچ دھات کی حرارتی کمی (thermal reduction) کی امکانیت (feasibility) کی پیش گوئی میں مدد دیتے ہیں۔ امکانیت کا معیار یہ ہے کہ کسی دیے گئے درجہ حرارت پر، رد عمل کی گیبز توانائی منفی ہونی چاہیے۔

(الف) ایلنگھم ڈایاگرام عام طور پر عناصر کے آکسائیڈز کی تشکیل کے لیے $\Delta_{f} \mathrm{G}^{\ominus} v s \mathrm{~T}$ کے پلاٹس پر مشتمل ہوتا ہے یعنی، رد عمل کے لیے،

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

اس رد عمل میں، گیسی مقدار (اور اس طرح مالیکیولر بے ترتیبی) گیسوں کے استعمال کی وجہ سے بائیں سے دائیں کم ہو رہی ہے جس سے $\Delta \mathrm{S}$ کی -ve قدر آتی ہے جو مساوات (6.14) میں دوسرے ٹرم کی علامت بدل دیتی ہے۔ اس کے بعد $\Delta \mathrm{G}$ $\mathrm{T}$ کے بڑھنے کے باوجود اونچی طرف منتقل ہو جاتا ہے (عام طور پر، $\Delta \mathrm{G}$ کم ہوتا ہے یعنی، درجہ حرارت بڑھنے کے ساتھ نچلی طرف جاتا ہے)۔ نتیجہ $\mathrm{M_\mathrm{x}} \mathrm{O}(\mathrm{s})$ کی تشکیل کے لیے اوپر دکھائے گئے زیادہ تر رد عمل کے لیے وکر (curve) میں +ve ڈھال (slope) ہے۔

(ب) ہر پلاٹ ایک سیدھی لکیر ہے سوائے اس وقت جب کسی فیز میں تبدیلی ($\mathrm{s} \rightarrow$ مائع یا مائع $\rightarrow \mathrm{g}$) واقع ہوتی ہے۔ جس درجہ حرارت پر ایسی تبدیلی واقع ہوتی ہے، اسے +ve طرف ڈھال میں اضافے سے ظاہر کیا جاتا ہے (مثلاً، Zn، ZnO پلاٹ میں، پگھلنے کو وکر میں اچانک تبدیلی سے ظاہر کیا گیا ہے)۔

(ج) وکر میں ایک نقطہ ہوتا ہے جس کے نیچے $\Delta \mathrm{G}$ منفی ہوتا ہے ($\mathrm{So_\mathrm{x}} \mathrm{O}$ مستحکم ہے)۔ اس نقطہ کے اوپر، $\mathrm{M_\mathrm{x}} \mathrm{O}$ خود بخود ٹوٹ جائے گا۔

(د) ایک ایلنگھم ڈایاگرام میں، عام دھاتوں اور کچھ کمی کرنے والے ایجنٹس کے آکسیڈیشن (اور اس لیے متعلقہ انواع کی کمی) کے لیے $\Delta \mathrm{G}^{\ominus}$ کے پلاٹس دیے گئے ہیں۔ مختلف درجہ حرارت پر آکسائیڈز کی تشکیل کے لیے $\Delta_{f} \mathrm{G}^{\ominus}$ وغیرہ کی قدریں دکھائی گئی ہیں جو تشریح کو آسان بناتی ہیں۔

(ہ) سلفائیڈز اور ہیلائیڈز کے لیے بھی اسی طرح کے ڈایاگرام بنائے جاتے ہیں اور یہ واضح ہو جاتا ہے کہ $\mathrm{M_x} \mathrm{~S}$ کی کمی کیوں مشکل ہے۔ وہاں، $\mathrm{M_x} \mathrm{~S}$ کا $\Delta_{f} \mathrm{G}^{\ominus}$ معاوضہ نہیں دیا جاتا۔

ایلنگھم ڈایاگرام کی حدود

1. گراف صرف یہ ظاہر کرتا ہے کہ آیا کوئی رد عمل ممکن ہے یا نہیں، یعنی، کمی کرنے والے ایجنٹ کے ساتھ کمی کی رجحان ظاہر ہوتی ہے۔ ایسا اس لیے ہے کیونکہ یہ صرف تھرموڈائنامک تصورات پر مبنی ہے۔ یہ کمی کے عمل کی حرکیات (kinetics) کی وضاحت نہیں کرتا۔ یہ ایسے سوالات کے جواب نہیں دے سکتا جیسے کہ کمی کتنی تیزی سے آگے بڑھ سکتی ہے؟ تاہم، یہ وضاحت کرتا ہے کہ جب ہر نوع ٹھوس حالت میں ہو تو رد عمل سست کیوں ہوتے ہیں اور جب کچ دھات پگھل جاتی ہے تو ہموار کیوں ہوتے ہیں۔ یہاں یہ بات دلچسپ ہے کہ کسی بھی کیمیائی رد عمل کے لیے DH (اینٹھیلپی تبدیلی) اور DS (اینٹروپی تبدیلی) کی قدریں درجہ حرارت بدلنے پر بھی تقریباً مستقل رہتی ہیں۔ لہٰذا مساوات (6.14) میں واحد غالب متغیر T بن جاتا ہے۔ تاہم، DS مرکب کی طبیعی حالت پر بہت زیادہ منحصر ہے۔ چونکہ اینٹروپی سسٹم میں بے ترتیبی یا بے قاعدگی پر منحصر ہے، یہ بڑھے گی اگر کوئی مرکب پگھل جائے (s® l) یا بخارات بن جائے (l® g) کیونکہ ٹھوس سے مائع یا مائع سے گیس میں فیز بدلنے پر مالیکیولر بے ترتیبی بڑھ جاتی ہے۔

2. $\Delta \mathrm{G}^{\ominus}$ کی تشریح $\mathrm{K}\left(\Delta \mathrm{G}^{\ominus}=-\mathrm{RT} \ln \mathrm{K}\right)$ پر مبنی ہے۔ اس طرح یہ فرض کیا جاتا ہے کہ ری ایکٹنٹس اور پروڈکٹس توازن میں ہیں:

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

یہ ہمیشہ سچ نہیں ہوتا کیونکہ ری ایکٹنٹ/پروڈکٹ ٹھوس ہو سکتا ہے۔ تجارتی عمل میں ری ایکٹنٹس اور پروڈکٹس تھوڑے وقت کے لیے رابطے میں رہتے ہیں۔

مثال 6.1 ایسی شرط تجویز کریں جس کے تحت میگنیشیم ایلومینا کو کم کر سکے۔

حل دو مساواتیں ہیں: (الف) $\frac{4}{3} \mathrm{Al}+\mathrm{O_2} \rightarrow \frac{2}{3} \mathrm{Al_2} \mathrm{O_3}$ (ب) $2 \mathrm{Mg}+\mathrm{O_2} \rightarrow 2 \mathrm{MgO}$

$\mathrm{Al_2} \mathrm{O_3}$ اور $\mathrm{MgO}$ وکرز کے تقاطع (intersection) کے نقطہ پر (ڈایاگرام 6.4 میں “A” سے نشان زد)، رد عمل کے لیے $\Delta \mathrm{G}^{\ominus}$ ZERO ہو جاتا ہے:

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

اس نقطہ کے نیچے میگنیشیم ایلومینا کو کم کر سکتا ہے۔

مثال 6.2

اگرچہ تھرموڈائنامک طور پر ممکن ہے، عملی طور پر، ایلومینیم کی دھات کاری میں ایلومینا کی کمی کے لیے میگنیشیم دھات استعمال نہیں ہوتی۔ کیوں؟

حل $\mathrm{Al_2} \mathrm{O_3}$ اور $\mathrm{MgO}$ وکرز کے تقاطع کے نقطہ سے نیچے کے درجہ حرارت پر، میگنیشیم ایلومینا کو کم کر سکتا ہے۔ لیکن عمل معاشی طور پر ناقابل عمل ہوگا۔

مثال 6.3

اگر کمی کے درجہ حرارت پر بننے والی دھات مائع حالت میں ہو تو دھاتی آکسائیڈ کی کمی آسان کیوں ہوتی ہے؟

حل اینٹروپی زیادہ ہوتی ہے اگر دھات مائع حالت میں ہو بہ نسبت اس کے جب وہ ٹھوس حالت میں ہو۔ کمی کے عمل کی اینٹروپی تبدیلی $(\Delta \mathrm{S})$ کی قدر +ve طرف زیادہ ہوتی ہے جب بننے والی دھات مائع حالت میں ہو اور جس دھاتی آکسائیڈ کو کم کیا جا رہا ہے وہ ٹھوس حالت میں ہو۔ اس طرح $\Delta \mathrm{G}^{\ominus}$ کی قدر منفی طرف زیادہ ہو جاتی ہے اور کمی آسان ہو جاتی ہے۔

6.4.1 اطلاقات

(الف) اس کے آکسائیڈز سے لوہے کا نکالنا

لوہے کی آکسائیڈ کچ دھاتیں، کلسی نیشن/روسٹنگ کے ذریعے تخصیص کے بعد (پانی کو ہٹانے، کاربونیٹس کو تحلیل کرنے اور سلفائیڈز کو آکسیڈائز کرنے کے لیے) چونا پتھر (limestone) اور کوک (coke) کے ساتھ ملا کر بلاست فرنس (Blast furnace) میں اس کے اوپر سے ڈالی جاتی ہیں۔ یہاں، آکسائیڈ دھات میں کم ہو جاتی ہے۔ تھرموڈائنامکس ہمیں یہ سمجھنے میں مدد دیتی ہے کہ کوک آکسائیڈ کو کیسے کم کرتا ہے اور یہ فرنس کیوں منتخب کیا جاتا ہے۔ اس عمل میں اہم کمی کے مراحل میں سے ایک ہے:

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

اسے دو سادہ رد عمل کے جوڑے کے طور پر دیکھا جا سکتا ہے۔ ایک میں، $\mathrm{FeO}$ کی کمی ہو رہی ہے اور دوسرے میں، $\mathrm{C}$ کو $\mathrm{CO}$ میں آکسیڈائز کیا جا رہا ہے:

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

جب دونوں رد عمل مساوات (6.24) حاصل کرنے کے لیے ہوتے ہیں، تو خالص گیبز توانائی میں تبدیلی بن جاتی ہے:

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

قدرتی طور پر، نتیجے کا رد عمل اس وقت ہوگا جب مساوات 6.27 میں دائیں ہاتھ کی طرف منفی ہو۔ رد عمل 6.25 کی نمائندگی کرنے والے $\Delta \mathrm{G}^{\ominus}$ بمقابلہ $\mathrm{T}$ پلاٹ میں، پلاٹ اوپر کی طرف جاتا ہے اور تبدیلی $\mathrm{C} \rightarrow \mathrm{CO}$ کی نمائندگی کرنے والا

(C,CO) نیچے کی طرف جاتا ہے۔ تقریباً 1073K سے اوپر کے درجہ حرارت پر، $\mathrm{C}, \mathrm{CO}$ لائن $\left[\Delta \mathrm{G_(\mathrm{C}, \mathrm{CO})}<\Delta \mathrm{G_(\mathrm{Fe}, \mathrm{FeO})}\right]$ $\mathrm{Fe}, \mathrm{FeO}$ لائن کے نیچے آ جاتی ہے۔ لہٰذا اس رینج میں، کوک $\mathrm{FeO}$ کو کم کرے گا اور خود $\mathrm{CO}$ میں آکسیڈائز ہو جائے گا۔ اسی طرح نسبتاً کم درجہ حرارت پر $\mathrm{Fe_3} \mathrm{O_4}$ اور $\mathrm{Fe_2} \mathrm{O_3}$ کی $\mathrm{CO}$ کے ذریعے کمی کو ان کے وکرز کے $\mathrm{CO}, \mathrm{CO_2}$ وکر کے ساتھ تقاطع کے نچلے پوائنٹس کی بنیاد پر سمجھایا جا سکتا ہے (شکل 6.4)۔

بلاست فرنس میں، لوہے کے