یونٹ 6 عناصر کے عام اصول اور علیحدگی کے عمل—حذف شدہ

چند عناصر جیسے کاربن، سلفر، سونا اور نجیری گیسیں آزاد حالت میں پائے جاتے ہیں جبکہ دیگر زمین کی پوست میں مرکب صورت میں موجود ہیں۔ کسی عنصر کو اس کے مرکب سے نکالنا اور علیحدہ کرنا کیمیائی اصولوں کے مختلف پہلوؤں سے متعلق ہوتا ہے۔ کوئی خاص عنصر مختلف مرکبوں کی صورت میں پایا جا سکتا ہے۔ دھات کشی اور علیحدگی کا عمل ایسا ہونا چاہیے کہ وہ کیمیائی طور پر ممکن ہو اور تجارتی طور پر بھی قابلِ عمل ہو۔ بہرحال، کچھ عمومی اصول تمام دھاتوں کی کشیدگی کے عمل پر مشترکہ طور پر لاگو ہوتے ہیں۔ کسی خاص دھات کے حصول کے لیے ہم پہلے معدنیات تلاش کرتے ہیں جو زمین کی پوست میں قدرتی طور پر پائی جانے والی کیمیائی اشیاء ہیں اور کان کنی سے حاصل کی جا سکتی ہیں۔ بہت سی معدنیات جن میں کوئی دھات پائی جا سکتی ہے، صرف چند ہی اس دھات کے ماخذ کے طور پر قابلِ استعمال ہوتی ہیں۔ ایسی معدنیات کو کچے دھات کہا جاتا ہے۔

شاذ و نادر ہی کوئی کچا دھات صرف مطلوبہ مادہ پر مشتمل ہوتا ہے۔ عام طور پر یہ زمینی یا غیر مطلوبہ مواد سے آلودہ ہوتا ہے جسے گینگ کہا جاتا ہے۔ کچے دھات سے دھات کی کشیدگی اور علیحدگی میں درج ذیل اہم مراحل شامل ہوتے ہیں:

• کچے دھات کی کثافت سازی،
• کثافت شدہ کچے دھات سے دھات کی علیحدگی، اور
• دھات کی purification.

اس سائنسی اور تکنیکی عمل کو جو کچے دھات سے دھات کی علیحدگی کے لیے استعمال کیا جاتا ہے، دھات کشی کہا جاتا ہے۔

6.1 دھاتوں کی موجودگی#

اس یونٹ میں ہم پہلے کچے دھات کی مؤثر کثافت سازی کے مختلف مراحل کی وضاحت کریں گے۔ اس کے بعد ہم کچھ عام دھات کشی کے اصولوں پر بحث کریں گے۔ ان اصولوں میں تھرموڈائنامک اور برقی کیمیائی پہلو شامل ہوں گے جو کثافت شدہ کچے دھات کو دھات میں مؤثر کم کرنے سے متعلق ہیں۔

عناصر کی فراوانی مختلف ہوتی ہے۔ دھاتوں میں ایلومینیم سب سے زیادہ فراوان ہے۔ یہ زمین کی پوست میں تیسرا سب سے زیادہ فراوان عنصر ہے ($8.3 \%$ تقریباً وزن کے لحاظ سے)۔ یہ بہت سے آتش فشانی معدنیات بشمول مائیکا اور مٹیوں کا ایک بڑا جزو ہے۔ بہت سے قیمتی پتھر $\mathrm{Al_2} \mathrm{O_3}$ کے غیر خالص روپ ہوتے ہیں اور نجاستیں $\mathrm{Cr}$ (رُبی میں) سے Co (سفائر میں) تک ہوتی ہیں۔ آئرن زمین کی پوست میں دوسری سب سے زیادہ فراوان دھات ہے۔ یہ مختلف مرکب بناتا ہے اور ان کے مختلف استعمالات اسے ایک بہت اہم عنصر بناتے ہیں۔ یہ حیاتیاتی نظاموں میں بھی ضروری عناصر میں سے ایک ہے۔

ایلومینیم، آئرن، تانبے اور زنک کے اہم کچے دھات Table 6.1 میں دیے گئے ہیں۔

Table 6.1: کچھ اہم دھاتوں کے اہم کچے دھات

دھات	ترکیب
ایلومینیم	باکسائٹ	$\mathrm{AlO_\mathrm{x}}(\mathrm{OH})_{3-2 \mathrm{x}}$
آئرن		$\left[\mathrm{where}^{\mathrm{O}}<\mathrm{x}<1\right]$
	کاؤلینائٹ (مٹی کی ایک قسم)	$\left[\mathrm{Al_2}(\mathrm{OH})_{4} \mathrm{Si_2} \mathrm{O_5}\right]$
	ہیمیٹائٹ	$\mathrm{Fe_2} \mathrm{O_3}$
	میگنیٹائٹ	$\mathrm{Fe_3} \mathrm{O_4}$
	$\mathrm{FeCO_3}$
	آئرن پائریٹس	$\mathrm{FeS_2}$
	تانبا پائریٹس	$\mathrm{CuFeS_2}$
	میلاکائٹ	$\mathrm{CuCO_3} \cdot \mathrm{Cu}(\mathrm{OH})_{2}$
	کپرائٹ	$\mathrm{Cu_2} \mathrm{O}$
	کپر گلانس	$\mathrm{Cu_2} \mathrm{~S}$
	زنک بلینڈ یا سفلرائٹ	$\mathrm{ZnS}$
	کیلامائن	$\mathrm{ZnCO} \mathrm{Zn_3}$
	زنکائٹ	$\mathrm{ZnO}$

کشیدگی کے مقصد کے لیے، ایلومینیم کے لیے باکسائٹ کا انتخاب کیا جاتا ہے۔ آئرن کے لیے، عام طور پر آکسائڈ کچے دھات جو فراوان ہیں اور آلودہ گیسیں پیدا نہیں کرتیں (جیسے $\mathrm{SO_2}$ جو آئرن پائریٹس کے معاملے میں پیدا ہوتی ہے) لیے جاتے ہیں۔ تانبے اور زنک کے لیے، Table 6.1 میں درج کسی بھی کچے دھات کو استعمال کیا جا سکتا ہے جو دستیابی اور دیگر متعلقہ عوامل پر منحصر ہو۔ کثافت سازی سے پہلے، کچے دھات کو درجہ بندی اور معقول سائز میں کچا کیا جاتا ہے۔

کچے دھات سے غیر مطلوبہ مواد (مثلاً ریت، مٹی وغیرہ) کو ہٹانا کثافت، ڈریسنگ یا benefaction کہلاتا ہے۔ اس میں کئی مراحل شامل ہوتے ہیں اور ان مراحل کا انتخاب دھات کے مرکب اور گینگ کے جسمانی خصوصیات کے فرق پر منحصر ہوتا ہے۔ دھات کی قسم، دستیاب سہولیات اور ماحولیاتی عوامل کو بھی مدنظر رکھا جاتا ہے۔ کچھ اہم طریقے ذیل میں بیان کیے گئے ہیں۔

6.2 کچے دھات کی کثافت سازی#

کچے دھات سے غیر مطلوبہ مواد (مثلاً ریت، مٹی وغیرہ) کو ہٹانا کثافت، ڈریسنگ یا benefaction کہلاتا ہے۔ کثافت سازی سے پہلے، کچے دھات کو درجہ بندی اور معقول سائز میں کچا کیا جاتا ہے۔ کچے دھات کی کثافت سازی میں کئی مراحل شامل ہوتے ہیں اور ان مراحل کا انتخاب دھات کے مرکب اور گینگ کے جسمانی خصوصیات کے فرق پر منحصر ہوتا ہے۔ دھات کی قسم، دستیاب سہولیات اور ماحولیاتی عوامل کو بھی مدنظر رکھا جاتا ہے۔ کچے دھات کی کثافت سازی کے لیے کچھ اہم طریقے ذیل میں بیان کیے گئے ہیں۔

6.2.1 ہائیڈرالک واشنگ#

یہ کچے دھات اور گینگ ذرات کے مخصوص کشادوں کے فرق پر مبنی ہے۔ یہ اس لیے کششِ ثقل کے علیحدگی کی ایک قسم ہے۔ ایک ایسے عمل میں، چلتے ہوئے پانی کی اوپر کی دھار کا استعمال پسی ہوئی کچے دھات کو دھونے کے لیے کیا جاتا ہے۔ ہلکے گینگ ذرات بہہ جاتے ہیں اور بھاری کچے دھات کے ذرات پیچھے رہ جاتے ہیں۔

6.2.2 مقناطیسی علیحدگی#

یہ کچے دھات کے اجزاء کی مقناطیسی خصوصیات کے فرق پر مبنی ہے۔ اگر کچے دھات یا گینگ مقناطیسی میدان کی طرف راغب ہو، تو علیحدگی اس طریقے سے کی جاتی ہے۔ مثال کے طور پر آئرن کے کچے دھات مقناطیس کی طرف راغب ہوتے ہیں، اس لیے غیر مقناطیسی نجاستوں کو ان سے علیحدہ کیا جا سکتا ہے۔ پسی ہوئی کچے دھات کو ایک conveyer belt پر ڈالا جاتا ہے جو ایک مقناطیسی roller پر چلتی ہے (Fig.6.1) مقناطیسی مادہ belt کی طرف راغب رہتا ہے اور اس کے قریب گرتا ہے۔

6.2.3 فوم فلوٹیشن طریقہ#

یہ طریقہ سلفائیڈ کچے دھات سے گینگ کو ہٹانے کے لیے استعمال کیا جاتا ہے۔ اس عمل میں پسی ہوئی کچے دھات کا پانی کے ساتھ ایک معلق محلول بنایا جاتا ہے۔ اس میں collectors اور froth stabilisers شامل کیے جاتے ہیں۔ Collectors (مثلاً pine oils, fatty acids, xanthates وغیرہ) معدنی ذرات کی غیر ترطیب پزیری کو بڑھاتے ہیں اور froth stabilisers (مثلاً cresols, aniline) froth کو مستحکم کرتے ہیں۔

معدنی ذرات تیلوں سے تر ہو جاتے ہیں جبکہ گینگ ذرات پانی سے۔ ایک گھومنے والا paddle محلول کو ہلاتا ہے اور اس میں ہوا کھینچتا ہے۔ نتیجتاً froth بنتا ہے جو معدنی ذرات کو لے جاتا ہے۔ froth ہلکا ہوتا ہے اور اسے ہٹا لیا جاتا ہے۔ اسے پھر کچے دھات کے ذرات کی وصولی کے لیے خشک کیا جاتا ہے۔

کبھی کبھی دو سلفائیڈ کچے دھات کو تیل اور پانی کے تناسب کو ایڈجسٹ کر کے یا ‘depressants’ کا استعمال کر کے علیحدہ کیا جا سکتا ہے۔ مثال کے طور پر، ایک کچے دھات میں ZnS اور PbS موجود ہوں، تو NaCN کو depressant کے طور پر استعمال کیا جاتا ہے۔ یہ انتخابی طور پر ZnS کو froth میں آنے سے روکتا ہے لیکن PbS کو froth کے ساتھ آنے دیتا ہے۔

ایک جدید دھوبن

اگر کسی میں سائنسی مزاج ہو اور مشاہدات پر توجہ دے، تو وہ کمال کر سکتا ہے۔ ایک دھوبن کے پاس بھی ایک جدید ذہن تھا۔ جب وہ ایک کان کن کے overalls دھو رہی تھی، اس نے دیکھا کہ ریت اور اسی قسم کی گندگی washtub کے نیچے جا گری۔ عجیب بات یہ تھی کہ کان سے کپڑوں پر آنے والے تانبے والے مرکب صابن کے جھاگ میں پھنس گئے اور اوپر آ گئے۔ اس کے ایک گاہک، Mrs. Carrie Everson ایک کیمسٹ تھیں۔ دھوبن نے اپنی تجربہ Mrs. Everson کو سنایا۔ بعد میں اس نے سوچا کہ یہ خیال بڑے پیمانے پر تانبے کے مرکب کو پتھریلی اور زمینی مواد سے علیحدہ کرنے کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے۔ اس طرح ایک ایجاد سامنے آئی۔ اس وقت صرف وہی کچے دھات تانبے کی کشیدگی کے لیے استعمال کیے جاتے تھے جن میں دھات کی بڑی مقدار ہوتی تھی۔ فوم فلوٹیشن طریقہ کی ایجاد سے کم معیار کے کچے دھات سے بھی تانبے کی کان کنی منافع بخش ہو گئی۔ دنیا میں تانبے کی پیداوار میں اضافہ ہوا اور دھات سستی ہو گئی۔

6.2.4 لیچنگ#

لیچنگ کا استعمال اکثر کیا جاتا ہے اگر کچے دھات کسی مناسب solvent میں حل ہو۔ درج ذیل مثالیں طریقہ کار کی وضاحت کرتی ہیں:

(a) باکسائٹ سے ایلومینا کا لیچنگ

ایلومینیم کا اہم کچا دھات، باکسائٹ، عام طور پر $\mathrm{SiO_2}$، آئرن آکسائڈز اور ٹائٹینیم آکسائڈ $\left(\mathrm{TiO_2}\right)$ کو نجاست کے طور پر رکھتا ہے۔ کثافت سازی پسی ہوئی کچے دھات کو $\mathrm{NaOH}$ کے concentrated محلول کے ساتھ ہضم کر کے کی جاتی ہے $473-523 \mathrm{~K}$ اور $35-36$ bar دباؤ پر۔ اس طرح، $\mathrm{Al_2} \mathrm{O_3}$ sodium aluminate کے طور پر لیچ ہو جاتا ہے (اور $\mathrm{SiO_2}$ بھی sodium silicate کے طور پر) نجاستوں کو پیچھے چھوڑ کر:

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

محلول میں موجود aluminate کو $\mathrm{CO_2}$ گیس پاس کر کے neutralise کیا جاتا ہے اور hydrated $\mathrm{Al_2} \mathrm{O_3}$ precipitate ہو جاتا ہے۔ اس مرحلے پر، محلول کو hydrated $\mathrm{Al_2} \mathrm{O_3}$ کے تازہ تیار کردہ نمونوں کے ساتھ بیج دیا جاتا ہے جو precipitation کو متاثر کرتا ہے:

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

Sodium silicate محلول میں رہتا ہے اور hydrated alumina کو فلٹر کیا جاتا ہے، خشک کیا جاتا ہے اور pure $\mathrm{Al_2} \mathrm{O_3}$ واپس حاصل کرنے کے لیے گرم کیا جاتا ہے:

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

(b) دیگر مثالیں

چاندی اور سونے کی دھات کشی میں، متعلقہ دھات کو ہوا کی موجودگی میں $\mathrm{NaCN}$ یا $\mathrm{KCN}$ کے dilute محلول کے ساتھ لیچ کیا جاتا ہے ($\mathrm{O_2}$ کے لیے) جس سے بعد میں displacement طریقہ سے دھات حاصل کی جاتی 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 کثافت شدہ کچے دھات سے خام دھات کی کشیدگی#

کثافت شدہ کچے دھات سے دھات نکالنے کے لیے، اسے ایک ایسی شکل میں تبدیل کیا جانا چاہیے جو دھات میں کم کرنے کے لیے موزوں ہو۔ عام طور پر سلفائیڈ کچے دھات کو کم کرنے سے پہلے آکسائڈ میں تبدیل کیا جاتا ہے کیونکہ آکسائڈز کو کم کرنا آسان ہوتا ہے۔ اس طرح کثافت شدہ کچے دھات سے دھات کی علیحدگی میں دو اہم مراحل شامل ہوتے ہیں، یعنی،

(a) آکسائڈ میں تبدیلی، اور (b) آکسائڈ کو دھات میں کم کرنا۔

( a ) آکسائڈ میں تبدیلی

(i) کیلسینیشن: کیلسینیشن میں گرم کرنا شامل ہے۔ یہ volatile مادہ کو ہٹا دیتا ہے جو بھاگ جاتا ہے اور پیچھے دھات کا آکسائڈ 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: رواسٹنگ میں، کچے دھات کو ایک بھٹی میں ہوا کی باقاعدہ فراہمی کے ساتھ دھات کے melting point سے کم درجہ حرارت پر گرم کیا جاتا ہے۔ سلفائیڈ کچے دھات سے متعلق کچھ ردعمل درج ذیل 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 کے سلفائیڈ کچے دھات کو reverberatory furnace [Fig. 6.3] میں گرم کیا جاتا ہے۔ اگر کچے دھات میں آئرن ہو، تو اسے گرمانے سے پہلے سلیکا کے ساتھ ملا دیا جاتا ہے۔ آئرن آکسائڈ ‘slags of ’* آئرن silicate کے طور پر اور تانبہ copper matte کی صورت میں پیدا ہوتا ہے جو Cu2S اور FeS پر مشتمل 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 بنانے کے لیے استعمال کیا جاتا ہے۔

(b) آکسائڈ کو دھات میں کم کرنا

دھات کے آکسائڈ کو کم کرنا عام طور پر اس میں کسی اور مادہ کو reducing agent کے طور پر گرم کرنے سے متعلق ہوتا ہے ( $\mathrm{C}$ یا $\mathrm{CO}$ یا کسی اور دھات)۔ Reducing agent (مثلاً کاربن) دھات کے آکسائڈ 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 دھات آکسائڈز آسانی سے کم ہو جاتے ہیں جبکہ دوسرے کو کم کرنا بہت مشکل ہوتا ہے (کم کرنے کا مطلب دھات کے آئن کے ذریعے electron gain)۔ کسی بھی صورت میں، گرم کرنا ضروری ہوتا ہے۔

6.4 دھات کشی کے تھرموڈائنامک اصول#

تھرموڈائنامکس کے کچھ بنیادی تصورات ہمیں دھات کشی کی تبدیلیوں کے نظریہ کو سمجھنے میں مدد دیتے ہیں۔ Gibbs energy یہاں سب سے اہم اصطلاح ہے۔ Gibbs energy میں تبدیلی، $\Delta \mathrm{G}$ کسی بھی عمل کے لیے کسی بھی مخصوص درجہ حرارت پر، 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، $\Delta \mathrm{H}$ enthalpy change ہے اور $\Delta \mathrm{S}$ عمل کے لیے entropy change ہے۔ کسی بھی ردعمل کے لیے، یہ تبدیل 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، $\mathrm{K}$ ‘reactant - product’ نظام کا equilibrium constant ہے درجہ حرارت،T پر۔ ایک منفی $\Delta \mathrm{G}$ مساوات 6.15 میں +ve $\mathrm{K}$ کو ظاہر کرتا ہے۔ اور یہ صرف تب ہو سکتا ہے جب ردعمل products کی طرف بڑھے۔ ان حقیقتوں سے ہم درج ذیل نتائج اخذ کر سکتے ہیں:

1. مساوات 6.14 میں $\Delta \mathrm{G}$ کی قیمت منفی ہو تو ہی ردعمل آگے بڑھے گا۔ اگر $\Delta \mathrm{S}$ مثبت ہے، تو درجہ حرارت (T) بڑھانے سے $\mathrm{T} \Delta \mathrm{S}$ کی قیمت بڑھے گی $(\Delta \mathrm{H}<\mathrm{T} \Delta \mathrm{S})$ اور پھر $\Delta \mathrm{G}$ منفی ہو جائے گا۔

2. اگر دو ردعمل کے reactants اور products کو ایک نظام میں رکھا جائے اور دو ممکنہ ردعمل کے net $\Delta \mathrm{G}$ منفی ہو، تو مجموعی ردعمل ہو گا۔ اس لیے تشریح کے عمل میں دو ردعمل کو جوڑنا، ان کے $\Delta \mathrm{G}$ کا sum حاصل کرنا اور اس کی مقدار اور sign کو دیکھنا شامل ہے۔ ایسا coupling Gibbs energy $\left(\Delta \mathrm{G}^{\ominus}\right)$ vs $\mathrm{T}$ oxides کی formation کے plots کے ذریعے آسانی سے سمجھا جا سکتا ہے (Fig. 6.4)۔

Ellingham Diagram

Gibbs energy کی graphical representation کا استعمال سب سے پہلے H.J.T.Ellingham نے کیا تھا۔ یہ oxides کی reduction میں reducing agent کے انتخاب پر غور کرنے کے لیے ایک مضبوط بنیاد فراہم کرتا ہے۔ اسے Ellingham Diagram کہا جاتا ہے۔ ایسے diagrams ہمیں کچے دھات کی thermal reduction کی feasibility کی پیشین گوئی کرنے میں مدد دیتے ہیں۔ Feasibility کا معیار یہ ہے کہ کسی مخصوص درجہ حرارت پر، ردعمل کی Gibbs energy منفی ہونی چاہیے۔

(a) Ellingham diagram عام طور پر elements کے oxides کی formation کے لیے $\Delta_{f} \mathrm{G}^{\ominus} v s \mathrm{~T}$ کے plots پر مشتمل ہوتا ہے، یعنی، ردعمل کے لیے،

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

اس ردعمل میں، gaseous مقدار (اس لیے molecular randomness) بائیں سے دائیں کم ہو رہی ہے گیسوں کی consumption کی وجہ سے جس سے $\Delta \mathrm{S}$ کی -ve قیمت ہوتی ہے جو مساوات (6.14) میں دوسرے term کے sign کو بدل دیتی ہے۔ بعد میں $\Delta \mathrm{G}$ higher side کی طرف بڑھ جاتا ہے باوجود $\mathrm{T}$ بڑھ رہی ہو (عام طور پر، $\Delta \mathrm{G}$ کم ہوتی ہے یعنی increasing temperature کے ساتھ lower side پر جاتی ہے)۔ نتیجتاً $\mathrm{M_\mathrm{x}} \mathrm{O}(\mathrm{s})$ کی formation کے لیے زیادہ تر ردعمل کے لیے curve میں +ve slope ہوتا ہے۔

(b) ہر plot ایک سیدھی لکیر ہوتی ہے سوائے جب کسی phase میں تبدیلی ( $\mathrm{s} \rightarrow$ liq یا liq $\rightarrow \mathrm{g}$ ) ہو۔ ایسی تبدیلی جس درجہ حرارت پر ہوتی ہے، +ve side پر slope میں اضافے سے ظاہر کی جاتی ہے (مثلاً، Zn، ZnO plot میں، melting میں curve میں اچانک تبدیلی سے ظاہر ہوتی ہے)۔

(c) curve میں ایک نقطہ ہوتا ہے جس کے نیچے $\Delta \mathrm{G}$ منفی ہو ( $\mathrm{So_\mathrm{x}} \mathrm{O}$ stable ہے)۔ اس نقطے کے اوپر، $\mathrm{M_\mathrm{x}} \mathrm{O}$ خود ہی ٹوٹ جائے گا۔

(d) Ellingham diagram میں، oxides کی formation کے لیے $\Delta \mathrm{G}^{\ominus}$ کے plots (اور اس لیے متعلقہ species کی reduction) عام دھاتوں اور کچھ reducing agents کے لیے دیے جاتے ہیں۔ $\Delta_{f} \mathrm{G}^{\ominus}$ وغیرہ کی قیمتیں (oxides کی formation کے لیے) مختلف درجہ حرارت پر ظاہر کی جاتی ہیں جو تشریح کو آسان بناتی ہیں۔

(e) ایسے ہی diagrams sulfides اور halides کے لیے بھی بنائے جاتے ہیں اور یہ واضح ہو جاتا ہے کہ $\mathrm{M_x} \mathrm{~S}$ کی reductions کیوں مشکل ہیں۔ وہاں، $\Delta_{f} \mathrm{G}^{\ominus}$ of $\mathrm{M_x} \mathrm{~S}$ compensate نہیں ہوتا۔

Ellingham Diagram کی محدودیتیں

1. Graph صرف یہ ظاہر کرتا ہے کہ کوئی ردعمل ممکن ہے یا نہیں، یعنی، reducing agent کے ساتھ reduction کی tendency ظاہر ہوتی ہے۔ یہ صرف thermodynamic concepts پر مبنی ہے۔ یہ reduction process کی kinetics کو وضاحت نہیں کرتا۔ یہ سوالات کا جواب نہیں دے سکتا جیسے reduction کتنی تیزی سے آگے بڑھ سکتی ہے؟ تاہم، یہ وضاحت کرتا ہے کہ ردعمل sluggish کیوں ہوتے ہیں جب ہر species solid state میں ہو اور smooth کیوں ہوتے ہیں جب کچے دھات پگھل جائے۔ یہاں یہ دلچسپ ہے کہ DH (enthalpy change) اور DS (entropy change) کی قیمتیں کسی بھی کیمیائی ردعمل کے لیے درجہ حرارت کو بدلنے پر تقریباً constant رہتی ہیں۔ اس لیے مساوات(6.14) میں واحد dominant variable T بن جاتا ہے۔ تاہم، DS compound کی physical state پر بہت depend کرتا ہے۔ چونکہ entropy نظام میں disorder یا randomness پر depend کرتی ہے، یہ بڑھ جائے گی اگر کوئی compound پگھل جائے (s® l) یا vapourise ہو جائے (l® g) چونکہ molecular randomness solid سے liquid یا liquid سے gas میں تبدیلی پر 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 لیے یہ فرض کیا جاتا ہے کہ reactants اور products 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 reactant/product solid ہو سکتا ہے۔ تجارتی عمل میں reactants اور products تھوڑے وقت کے لیے رابطے میں ہوتے ہیں۔

مثال 6.1 ایسی condition تجویز کریں جس میں میگنیشیم ایلومینا کو کم کر سکے۔

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

$\mathrm{Al_2} \mathrm{O_3}$ اور $\mathrm{MgO}$ curves کے intersection کے نقطے پر (diagram 6.4 میں “A” کے نشان کے ساتھ)، ردعمل 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 نقطے کے نیچے میگنیشیم ایلومینا کو کم کر سکتا ہے۔

مثال 6.2

اگرچہ thermodynamically feasible ہے، عملی طور پر، ایلومینیم کی دھات کشی میں ایلومینا کی reduction کے لیے میگنیشیم دھات استعمال نہیں کی جاتی۔ کیوں؟

حل $\mathrm{Al_2} \mathrm{O_3}$ اور $\mathrm{MgO}$ curves کے intersection کے نقطے کے نیچے درجہ حرارت پر، میگنیشیم ایلومینا کو کم کر سکتا ہے۔ لیکن یہ عمل غیر معاشی ہو گا۔

مثال 6.3

اگر reduction کے درجہ حرارت پر formed دھات liquid state میں ہو، تو دھات کے آکسائڈ کی reduction آسان کیوں ہوتی ہے؟

حل اگر دھات liquid state میں ہو تو entropy زیادہ ہوتی ہے جبکہ solid state میں ہو۔ Entropy change $(\Delta \mathrm{S})$ کی قیمت reduction process کے لیے زیادہ +ve side پر ہوتی ہے جب formed دھات liquid state میں ہو اور دھات کا آکسائڈ جو reduce ہو رہا ہے solid state میں ہو۔ اس طرح $\Delta \mathrm{G}^{\ominus}$ کی قیمت زیادہ negative side پر ہو جاتی ہے اور reduction آسان ہو جاتی ہے۔

6.4.1 اطلاقات#

(a) آئرن کی اس کے آکسائڈ سے کشیدگی

آئرن کے آکسائڈ کچے دھات، calcination/rosating کے ذریعے concentration کے بعد (پانی کو ہٹانے کے لیے، carbonates کو توڑنے کے لیے اور sulfides کو oxidise کرنے کے لیے) limestone اور coke کے ساتھ مل کر Blast furnace کے اوپر سے ڈالے جاتے ہیں۔ یہاں، آکسائڈ کو دھات میں کم کیا جاتا ہے۔ Thermodynamics ہمیں یہ سمجھنے میں مدد دیتا ہے کہ coke آکسائڈ کو کیسے کم کرتا ہے اور یہ furnace کیوں چنا جاتا ہے۔ اس process میں ایک اہم reduction step یہ ہے:

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

یہ دو simpler ردعمل کے جوڑے کے طور پر دیکھا جا سکتا ہے۔ ایک میں، $\mathrm{FeO}$ کی reduction ہو رہی ہے اور دوسرے میں، $\mathrm{C}$ کو $\mathrm{CO}$ میں oxidise 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 ردعمل مساوات (6.24) کو پورا کرنے کے لیے ہوتے ہیں، تو net Gibbs energy change ہو جاتا 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، resultant ردعمل تب ہو گا جب مساوات 6.27 میں right hand side منفی ہو۔ $\Delta \mathrm{G}^{\ominus}$ vs $\mathrm{T}$ plot میں جو ردعمل 6.25 کی نمائندگی کرتا ہے، plot اوپر کی طرف جاتا ہے اور $\mathrm{C} \rightarrow \mathrm{CO}$

(C,CO) کی تبدیلی کی نمائندگی کرنے والا plot نیچے کی طرف جاتا ہے۔ 1073K (تقریباً) سے زیادہ درجہ حرارت پر، $\mathrm{C}, \mathrm{CO}$ line $\mathrm{Fe}, \mathrm{FeO}$ line کے نیچے آ جاتی ہے $\left[\Delta \mathrm{G_(\mathrm{C}, \mathrm{CO})}<\Delta \mathrm{G_(\mathrm{Fe}, \mathrm{FeO})}\right]$۔ اس لیے اس range میں، coke $\mathrm{FeO}$ کو کم کرے گا اور خود کو $\mathrm{CO}$ میں oxidise کرے گا۔ اسی طرح $\mathrm{Fe_3} \mathrm{O_4}$ اور $\mathrm{Fe_2} \mathrm{O_3}$ کی relatively کم درجہ حرارت پر $\mathrm{CO}$ کے ذریعے reduction کو Fig. 6.4 میں ان کے curves کے $\mathrm{CO}, \mathrm{CO_2}$ curve کے ساتھ intersection کے lower lying points کی بنیاد پر وضاحت دی جا سکتی ہے۔

Blast furnace میں، آئرن آکسائڈز کی reduction مختلف درجہ حرارت کی ranges میں ہوتی ہے۔ گرم ہوا furnace کے bottom سے پھونکی جاتی ہے اور coke کو جلایا جاتا ہے تاکہ تقریباً $2200 \mathrm{~K}$ تک درجہ حرارت lower portion میں ہی حاصل ہو۔ Coke کے جلنے سے اس process میں درکار زیادہ تر heat فراہم ہوتی ہے۔ $\mathrm{CO}$ اور heat furnace کے upper part میں چلی جاتی ہے۔ Upper part میں، درجہ حرارت کم ہوتا ہے اور اوپر سے آنے والے آئرن آکسائڈز $\left(\mathrm{Fe_2} \mathrm{O_3}\right.$ اور $\left.\mathrm{Fe_3} \mathrm{O_4}\right)$ کو مرحلہ وار $\mathrm{FeO}$ میں کم کیا جاتا ہے۔ اس طرح، کم درجہ حرارت کی range اور زیادہ درجہ حرارت کی range میں ہونے والی reduction ردعمل، $\Delta_{\mathrm{r}} \mathrm{G}^{\ominus} \mathrm{vs}$ T plots میں متعلقہ intersection کے points پر depend کرتی ہیں۔ ان ردعمل کو درج ذیل طور پر خلاصہ کیا جا سکتا ہے:

500 - $800 \mathrm{~K}$ پر (blast furnace میں کم درجہ حرارت کی range)-

$$ \begin{align*} & 3 \mathrm{Fe_2} \mathrm{O_3}+\mathrm{CO} \rightarrow 2 \mathrm{Fe_3} \mathrm{O_4}+\mathrm{CO_2} \tag{6.28}\\ & \mathrm{Fe_3} \mathrm{O_4}+4 \mathrm{CO} \rightarrow 3 \mathrm{Fe}+4 \mathrm{CO_2} \tag{6.29}\\ & \mathrm{Fe_2} \mathrm{O_3}+\mathrm{CO} \rightarrow 2 \mathrm{FeO}+\mathrm{CO_2} \tag{6.30} \end{align*} $$

$$ \begin{align*} \mathrm{C}+\mathrm{CO_2} & \rightarrow 2 \mathrm{CO} \tag{6.31}\\ \mathrm{FeO} & +\mathrm{CO} \rightarrow \mathrm{Fe}+\mathrm{CO_2} \tag{6.32} \end{align*} $$

Limestone بھی $\mathrm{CaO}$ میں ٹوٹ جاتی ہے جو کچے دھات کی silicate نجاست کو slag کے طور پر ہٹا دیتی ہے۔ Slag مائع state میں ہوتی ہے اور آئرن سے علیحدہ ہو جاتی ہے۔

Blast furnace سے حاصل ہونے والا آئرن تقریباً $4 \%$ کاربن اور بہت سی نجاستوں (مثلاً S, P, Si, $\mathrm{Mn}$) پر مشتمل ہوتا ہے۔ اسے pig iron کہا جاتا ہے اور مختلف shapes میں ڈھالا جاتا ہے۔ Cast iron pig iron سے مختلف ہے اور pig iron کو scrap iron اور coke کے ساتھ گرم ہوا blast کا استعمال کر کے پگھلا کر بنایا جاتا ہے۔ اس میں کاربن کی مقدار تھوڑی کم ہوتی ہے (تقریباً $3 \%$) اور یہ بہت سخت اور نازک ہوتا ہے۔

مزید Reductions

Wrought iron یا malleable iron تجارتی آئرن کی سب سے خالص شکل ہے اور cast iron کو reverberatory furnace میں haematite کے ساتھ lined کر کے impurities کو oxidise کر کے تیار کیا جاتا ہے۔ Haematite کاربن کو carbon monoxide میں oxidise کرتا ہے:

$$ \begin{equation*} \mathrm{Fe_2} \mathrm{O_3}+3 \mathrm{C} \rightarrow 2 \mathrm{Fe}+3 \mathrm{CO} \tag{6.33} \end{equation*} $$

Limestone flux کے طور پر شامل کیا جاتا ہے اور sulphur، silicon اور phosphorus oxidise ہو کر slag میں چلے جاتے ہیں۔ دھات کو نکالا جاتا ہے اور slag سے آزاد کر کے rollers کے ذریعے گزارا جاتا ہے۔

(b) cuprous oxide [copper(I) oxide] سے تانبے کی کشیدگی

Oxides کی formation کے لیے $\Delta_{\mathrm{r}} \mathrm{G}^{\ominus} \mathrm{vs} \mathrm{T}$ کے graph میں (Fig. 6.4)، $\mathrm{Cu_2} \mathrm{O}$ line تقریباً top پر ہے۔ اس لیے copper کے oxide کچے دھات کو directly دھات میں کم کرنا coke کے ساتھ گرم کر کے کافی آسان ہے ($\mathrm{C}, \mathrm{CO}$ اور $\mathrm{C}, \mathrm{CO_2}$ دونوں lines graph میں بہت lower positions پر ہیں خاص طور پر $500-600 \mathrm{~K}$ کے بعد)۔ تاہم زیادہ تر کچے دھات sulfide ہوتے ہیں اور کچھ میں آئرن بھی ہو سکتا ہے۔ Sulfide کچے دھات کو roasted/smelted کر کے oxides دیے جاتے ہیں:

$$ \begin{equation*} 2 \mathrm{Cu_2} \mathrm{~S}+3 \mathrm{O_2} \rightarrow 2 \mathrm{Cu_2} \mathrm{O}+2 \mathrm{SO_2} \tag{6.34} \end{equation*} $$

پھر oxide کو coke کے استعمال سے آسانی سے metallic copper میں کم کیا جا سکتا ہے:

$$ \begin{equation*} \mathrm{Cu_2} \mathrm{O}+\mathrm{C} \rightarrow 2 \mathrm{Cu}+\mathrm{CO} \tag{6.35} \end{equation*} $$

اصل process میں، کچے دھات کو silica کے ساتھ ملانے کے بعد reverberatory furnace میں گرم کیا جاتا ہے۔ Furnace میں، آئرن آکسائڈ ‘iron silicate کے طور پر slags of اور تانبہ copper matte کی صورت میں پیدا ہوتا ہے۔ اس میں $\mathrm{Cu_2} \mathrm{~S}$ اور $\mathrm{FeS}$ شامل ہوتے ہیں۔

$$ \begin{equation*} \mathrm{FeO}+\mathrm{SiO_2} \rightarrow \underset{\text { (Slag) }}{\mathrm{FeSiO_3}} \tag{6.36} \end{equation*} $$

Copper matte کو پھر silica lined convertor میں ڈالا جاتا ہے۔ کچھ silica بھی شامل کیا جاتا ہے اور گرم ہوا blast پھونکی جاتی ہے تاکہ باقی FeS، $\mathrm{FeO}$ اور $\mathrm{Cu_2} \mathrm{~S} / \mathrm{Cu_2} \mathrm{O}$ کو metallic copper میں تبدیل کیا جا سکے۔ درج ذیل ردعمل ہوتے ہیں:

$$ \begin{align*} & 2 \mathrm{FeS}+3 \mathrm{O_2} \rightarrow 2 \mathrm{FeO}+2 \mathrm{SO_2} \tag{6.37}\\ & \mathrm{FeO}+\mathrm{SiO_2} \rightarrow \mathrm{FeSiO_3} \tag{6.38}\\ & 2 \mathrm{Cu_2} \mathrm{~S}+3 \mathrm{O_2} \rightarrow 2 \mathrm{Cu_2} \mathrm{O}+2 \mathrm{SO_2} \tag{6.39}\\ & 2 \mathrm{Cu_2} \mathrm{O}+\mathrm{Cu_2} \mathrm{~S} \rightarrow 6 \mathrm{Cu}+\mathrm{SO_2} \tag{6.40} \end{align*} $$

حاصل ہونے والا solidified copper SO2 کے اخراج کی وجہ سے blistered appearance رکھتا ہے اور اس لیے اسے blister copper کہا جاتا ہے۔

(c) zinc oxide سے زنک کی کشیدگی zinc oxide کو coke کے استعمال سے کم کیا جاتا ہے۔ اس case میں درجہ حرارت تانبے کے case سے زیادہ ہوتا ہے۔ Heating کے مقصد کے لیے، oxide کو coke اور clay کے ساتھ brickettes میں بنایا جاتا ہے۔

$$ \begin{equation*} \mathrm{ZnO}+\mathrm{C} \xrightarrow{\text { coke, } 1673 \mathrm{~K}} \mathrm{Zn}+\mathrm{CO} \tag{6.41} \end{equation*} $$

دھات کو distill کر کے تیز chilling کے ذریعے جمع کیا جاتا ہے۔

6.5 دھات کشی کے برقی کیمیائی اصول#

ہم نے دیکھا ہے کہ thermodynamics کے اصول pyrometallurgy میں کیسے apply کیے جاتے ہیں۔ اسی طرح کے اصول solution یا molten state میں metal ions کی reductions میں بھی مؤثر ہوتے ہیں۔ یہاں انہیں electrolysis یا کچھ reducing element شامل کرنے سے کم کیا جاتا ہے۔

Molten metal salt کی reduction میں، electrolysis کی جاتی ہے۔ ایسے طریقے electrochemical اصولوں پر مبنی ہوتے ہیں جو مساوات کے ذریعے سمجھے جا سکتے ہیں، $$ \begin{equation*} \Delta \mathrm{G}^{\ominus}=-\mathrm{nE}^{\ominus} \mathrm{F} \tag{6.42} \end{equation*} $$

یہاں $\mathrm{n}$ electrons کی تعداد ہے اور $\mathrm{E}^{\ominus}$ نظام میں بننے والے redox couple کا electrode potential ہے۔ زیادہ reactive دھاتوں کے electrode potential کی قیمتیں بڑی negative ہوتی ہیں۔ اس لیے ان کی reduction مشکل ہوتی ہے۔ اگر دو $\mathrm{E}^{\ominus}$ values کا فرق positive $\mathrm{E}^{\ominus}$ اور اس کے نتیجے میں مساوات 6.42 میں negative $\Delta \mathrm{G}^{\ominus}$ کے برابر ہو، تو کم reactive دھات solution سے باہر آ جائے گی اور زیادہ reactive دھات solution میں چلی جائے گی، مثلاً،

$$ \begin{equation*} \mathrm{Cu}^{2+}(\mathrm{aq})+\mathrm{Fe}(\mathrm{s}) \rightarrow \mathrm{Cu}(\mathrm{s})+\mathrm{Fe}^{2+}(\mathrm{aq}) \tag{6.43} \end{equation*} $$

Simple electrolysis میں، $\mathrm{M}^{\mathrm{n}+}$ ions negative electrodes (cathodes) پر discharge ہو کر deposited ہو جاتے ہیں۔ احتیاطی تدابیر اختیار کی جاتی ہیں produced دھات کی reactivity کو مدنظر رکھتے ہوئے اور electrodes کے طور پر موزوں مواد استعمال کیا جاتا ہے۔ کبھی کبھی molten mass کو زیادہ conducting بنانے کے لیے flux شامل کیا جاتا ہے۔

ایلومینیم

ایلومینیم کی دھات کشی میں، purified $\mathrm{Al_2} \mathrm{O_3}$ کو $\mathrm{Na_3} \mathrm{AlF_6}$ کے ساتھ ملایا جاتا ہے carbon cathode کے طور پر act کرتا ہے اور graphite anode استعمال کیا جاتا ہے۔ مجموعی ردعمل اس طرح لکھا جا سکتا ہے:

$$ \begin{equation*} 2 \mathrm{Al_2} \mathrm{O_3}+3 \mathrm{C} \rightarrow 4 \mathrm{Al}+3 \mathrm{CO_2} \tag{6.44} \end{equation*} $$

Electrolysis کا یہ عمل وسیع پیمانے پر Hall-Heroult process کے نام سے جانا جاتا ہے۔

اس طرح molten mass کی electrolysis کو carbon electrodes کے استعمال سے electrolytic cell میں carry out کیا جاتا ہے۔ Anode پر آزاد ہونے والا آکسیجن anode کے carbon کے ساتھ $\mathrm{CO}$ اور $\mathrm{CO_2}$ کرتا ہے۔ اس طرح ہر $\mathrm{kg}$ ایلومینیم کے لیے، تقریباً $0.5 \mathrm{~kg}$ carbon anode جل جاتا ہے۔ Electrolytic ردعمل یہ ہیں: Cathode: $\mathrm{Al}^{3+}$ (melt) $+3 \mathrm{e}^{-} \rightarrow \mathrm{Al}(\mathrm{l})$

Anode:

$$ \begin{equation*} \mathrm{C}(\mathrm{s})+\mathrm{O}^{2-} \text { (melt) } \rightarrow \mathrm{CO}(\mathrm{g})+2 \mathrm{e}^{-} \tag{6.45} \end{equation*} $$

$$ \begin{equation*} \mathrm{C}(\mathrm{s})+2 \mathrm{O}^{2-}(\text { melt }) \rightarrow \mathrm{CO_2}(\mathrm{~g})+4 \mathrm{e}^{-} \tag{6.46} \end{equation*} $$

6.6 آکسیڈیشن ریڈکشن#

Reductions کے علاوہ، کچھ extractions آکسیڈیشن پر مبنی ہوتی ہیں خاص طور پر non-metals کے لیے۔ آکسیڈیشن پر مبنی extraction کی ایک عام مثال brine سے کلورین کی کشیدگی ہے (کلورین سمندر کے پانی میں common salt کے طور پر فراوان ہے)۔

$$ \begin{equation*} 2 \mathrm{Cl}^{-}(\mathrm{aq})+2 \mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) \rightarrow 2 \mathrm{OH}^{-}(\mathrm{aq})+\mathrm{H_2}(\mathrm{~g})+\mathrm{Cl_2}(\mathrm{~g}) \tag{6.49} \end{equation*} $$

اس ردعمل کے لیے $\Delta \mathrm{G}^{\ominus}$ ہے $+422 \mathrm{~kJ}$۔ جب اسے $\mathrm{E}^{\ominus}$ میں convert کیا جاتا ہے ($\Delta \mathrm{G}^{\ominus}=-\mathrm{nE}^{\ominus} \mathrm{F}$ کا استعمال کر کے)، ہمیں $\mathrm{E}^{\ominus}=-2.2 \mathrm{~V}$ ملتا ہے۔ قدرتی طور پر، اس کے لیے ایک بیرونی e.m.f. کی ضرورت ہو گی جو $2.2 \mathrm{~V}$ سے زیادہ ہو۔ لیکن electrolysis میں کچھ دوسری رکاوٹوں والی ردعمل کو overcome کرنے کے لیے excess potential کی ضرورت ہوتی ہے۔ اس طرح، $\mathrm{Cl_2}$ electrolysis کے ذریعے حاصل کیا جاتا ہے جو $\mathrm{H_2}$ اور aqueous $\mathrm{NaOH}$ کو byproducts کے طور پر دیتا ہے۔ Molten $\mathrm{NaCl}$ کی electrolysis بھی کی جاتی ہے۔ لیکن اس case میں، $\mathrm{Na}$ دھات پیدا ہوتی ہے نہ کہ $\mathrm{NaOH}$۔

جیسا کہ پہلے پڑھا، سونے اور چاندی کی کشیدگی میں دھات کو $\mathrm{CN}$ کے ساتھ لیچنگ شامل ہے۔ یہ بھی ایک آکسیڈیشن ردعمل ہے $\left(\mathrm{Ag} \rightarrow \mathrm{Ag}^{+}\right)$ یا $\left(\mathrm{Au} \rightarrow \mathrm{Au}^{+}\right)$۔ بعد میں دھات کو displacement طریقہ سے recovered کیا جاتا ہے۔

$$ \begin{gather*} 4 \mathrm{Au}(\mathrm{s})+8 \mathrm{CN}^- \mathrm{aq}+2 \mathrm{H_2} \mathrm{O}\mathrm{aq}+ \mathrm{O_2} \mathrm{~g} \rightarrow \\ \end{gather*} $$

$$ \begin{gather*} 4\left[\mathrm{Au}(\mathrm{CN})_{2}\right]^{-}(\mathrm{aq})+4 \mathrm{OH}^- \mathrm{aq} \tag{6.50} \end{gather*} $$

$$ \begin{gather*} 2\left[\mathrm{Au}\mathrm{CN}_2 \right]^{-}\mathrm{aq}+\mathrm{Zn}(\mathrm{s}) \rightarrow 2 \mathrm{Au}(\mathrm{s})+\left[\mathrm{Zn} \mathrm{CN}_4 \right]^{2-}\mathrm{aq} \tag{6.51} \end{gather*} $$

6.7 refining#

کسی بھی طریقے سے نکالی گئی دھات عام طور پر کچھ نجاست سے آلودہ ہوتی ہے۔ High purity کی دھاتیں حاصل کرنے کے لیے، دھات اور نجاست کی خصوصیات کے فرق کے مطابق کئی techniques استعمال کی جاتی ہیں۔ ان میں سے کچھ ذیل میں درج ہیں۔

(a) Distillation (b) Liquation (c) Electrolysis (d) Zone refining (e) Vapour phase refining (f ) Chromatographic methods

ان کی تفصیل یہاں دی گئی ہے۔

(a) Distillation

یہ کم ابالنے والی دھاتوں جیسے zinc اور mercury کے لیے بہت مفید ہے۔ غیر خالص دھات کو evaporate کر کے خالص دھات کو distillate کے طور پر حاصل کیا جاتا ہے۔

(b) Liquation

اس طریقے میں کم پگھلنے والی دھات جیسے ٹین کو جھکاؤ والی سطح پر بہنے دیا جا سکتا ہے۔ اس طرح اسے زیادہ پگھلنے والی نجاستوں سے علیحدہ کیا جاتا ہے۔

(c) Electrolytic refining

اس طریقے میں، غیر خالص دھات کو anode کے طور پر act کرنے دیا جاتا ہے۔ اسی دھات کی خالص شکل کی پٹی کو cathode کے طور پر استعمال کیا جاتا ہے۔ انہیں ایک موزوں electrolytic bath میں رکھا جاتا ہے جو اسی دھات کے soluble salt پر مشتمل ہوتا ہے۔ زیادہ basic دھات solution میں رہ جاتی ہے اور کم basic ones anode mud میں چلی جاتی ہیں۔ اس process کو electrode potential، over potential، اور Gibbs energy کے concept کے ذریعے بھی وضاحت کیا جاتا ہے جو آپ نے پچھلے sections میں دیکھا ہے۔ ردعمل یہ ہیں:

Anode: $\quad \mathrm{M} \rightarrow \mathrm{M}^{\mathrm{n}+}+\mathrm{ne}^{-}$

Cathode: $\mathrm{M}^{\mathrm{n}+}+\mathrm{ne}^{-} \rightarrow \mathrm{M}$

تانبے کو electrolytic طریقے سے refine کیا جاتا ہے۔ Anodes غیر خالص تانبے کے ہوتے ہیں اور خالص تانبے کی پٹیوں کو cathode کے طور پر لیا جاتا ہے۔ Electrolyte تانبے کے sulphate کا acidified solution ہوتا ہے اور electrolysis کا net result تانبے کو خالص شکل میں anode سے cathode پر منتقل کرنا ہے:

Anode: $\quad \mathrm{Cu} \rightarrow \mathrm{Cu}^{2+}+2 \mathrm{e}^{-}$

Cathode: $\mathrm{Cu}^{2+}+2 \mathrm{e}^{-} \rightarrow \mathrm{Cu}$

Blister تانبے سے نجاستیں anode mud کے طور پر deposit ہوتی ہیں جس میں antimony، selenium، tellurium، silver، gold اور platinum شامل ہیں؛ ان elements کی recovery refining کے cost کو پورا کر سکتی ہے۔ Zinc کو بھی اسی طرح refine کیا جا سکتا ہے۔

(d) Zone refining : یہ طریقہ اس اصول پر مبنی ہے کہ نجاستیں دھات کے melt میں solid state سے زیادہ soluble ہوتی ہیں۔ غیر خالص دھات کی rod کے ایک سرے پر ایک mobile heater کو fix کیا جاتا ہے (Fig. 6.7)۔ Molten zone heater کے ساتھ ساتھ چلتی ہے جو آگے بڑھایا جاتا ہے۔ جیسے ہی heater آگے بڑھتا ہے، خالص دھات melt سے crystallise ہو کر باہر آ جاتی ہے اور نجاستیں adjacent new molten zone میں چلی جاتی ہیں جو heater کی movement سے بنتی ہے۔ یہ process کئی بار repeat کی جاتی ہے اور heater کو پھر سے اسی direction میں move کیا جاتا ہے۔ نجاستیں ایک سرے پر concentrate ہو جاتی ہیں۔ یہ سرا کاٹ دیا جاتا ہے۔ یہ طریقہ semiconductor اور بہت high purity کے دیگر دھاتوں کو پیدا کرنے کے لیے بہت مفید ہے، مثلاً، germanium، silicon، boron، gallium اور indium۔

(e) Vapour phase refining اس طریقے میں، دھات کو اس کے volatile compound میں convert کیا جاتا ہے جو جمع کیا جاتا ہے اور پھر decomposed کر کے خالص دھات دی جاتی ہے۔ اس لیے، دو requirements ہیں:

(i) دھات کو available reagent کے ساتھ volatile compound بنانا چاہیے،

(ii) volatile compound کو آسانی سے decomposable ہونا چاہیے، تاکہ recovery آسان ہو۔

درج ذیل مثالیں اس technique کو واضح کریں گی۔

Nickel کی refining کے لیے Mond Process: اس process میں، nickel کو carbon monoxide کے stream میں گرم کیا جاتا ہے جو nickel tetracarbonyl کے نام سے ایک volatile complex بناتا ہے۔ یہ complex higher temperature پر decomposed ہو کر خالص دھات دیتا ہے۔

$$ \begin{equation*} \mathrm{Ni}+4 \mathrm{CO} \xrightarrow{330-350 \mathrm{~K}} \mathrm{Ni}(\mathrm{CO})_{4} \tag{6.54} \end{equation*} $$

Carbonyl کو higher temperature پر subjected کیا جاتا ہے تاکہ یہ decomposed ہو کر خالص دھات دے:

$$ \begin{equation*} \mathrm{Ni}(\mathrm{CO})_{4} \xrightarrow{450-470 \mathrm{~K}} \mathrm{Ni}+4 \mathrm{CO} \tag{6.55} \end{equation*} $$

Zirconium یا Titanium کی refining کے لیے van Arkel Method: یہ طریقہ Zr اور Ti جیسے کچھ دھاتوں میں موجود oxygen اور nitrogen کو impurity کے طور پر ہٹانے کے لیے بہت مفید ہے۔ Crude دھات کو iodine کے ساتھ evacuated vessel میں گرم کیا جاتا ہے۔ Metal iodide زیادہ covalent ہونے کی وجہ سے volatilise ہو جاتا ہے:

$$ \begin{equation*} \mathrm{Zr}+2 \mathrm{I_2} \rightarrow \mathrm{ZrI_4} \tag{6.56} \end{equation*} $$

Metal iodide کو tungsten filament پر decomposed کیا جاتا ہے، جو electrically تقریباً $1800 \mathrm{~K}$ تک گرم کیا جاتا ہے۔ خالص دھات اس طرح filament پر deposit ہو جاتی ہے۔

$$ \begin{equation*} \mathrm{ZrI_4} \rightarrow \mathrm{Zr}+2 \mathrm{I_2} \tag{6.57} \end{equation*} $$

(f) Chromatographic methods : آپ نے Class XI (Unit–12) میں substances کی purification کے لیے chromatographic technique کے بارے میں پڑھا ہے۔

Column chromatography ان elements کی purification کے لیے بہت مفید ہے جو minute quantities میں available ہوں اور نجاستیں اس element سے chemically properties میں زیادہ مختلف نہ ہوں۔

6.8 ایلومینیم، تانبے، زنک اور آئرن کے استعمال#

ایلومینیم کی فوائل food materials کے wrappers کے طور پر استعمال کی جاتی ہیں۔ دھات کی fine dust paints اور lacquers میں استعمال ہوتی ہے۔ ایلومینیم، بہت reactive ہونے کی وجہ سے، chromium اور manganese کے oxides سے ان کی کشیدگی میں بھی استعمال ہوتا ہے۔ ایلومینیم کے wires کو electricity conductors کے طور پر استعمال کیا جاتا ہے۔ ایلومینیم پر مشتمل alloys، ہلکے ہونے کی وجہ سے، بہت مفید ہیں۔

تانبے کو electrical industry میں استعمال ہونے والی wires بنانے کے لیے اور water اور steam pipes کے لیے استعمال کیا جاتا ہے۔ یہ کئی alloys میں بھی استعمال ہوتا ہے جو خود دھات سے زیادہ tough ہوتے ہیں، مثلاً، brass (zinc کے ساتھ)، bronze (tin کے ساتھ) اور coinage alloy (nickel کے ساتھ)۔

زنک کو iron کو galvanise کرنے کے لیے استعمال کیا جاتا ہے۔ یہ batteries میں بڑی quantities میں استعمال ہوتا ہے، alloys کا ایک جزو کے طور پر، مثلاً، brass، (Cu 60 $\%$, Zn $40 \%$ ) اور german silver (Cu $25-30 \%$, Zn $25-30 \%$, Ni $40-50 \%$ )۔ Zinc dust dye-stuffs، paints وغیرہ کی manufacture میں reducing agent کے طور پر استعمال ہوتی ہے۔

Cast iron، جو آئرن کی سب سے اہم شکل ہے، stoves، railway sleepers، gutter pipes، toys وغیرہ کی casting کے لیے استعمال ہوتا ہے۔ اسے wrought iron اور steel بنانے میں استعمال کیا جاتا ہے۔ Wrought iron anchors، wires، bolts، chains اور agricultural implements بنانے میں استعمال ہوتا ہے۔ Steel کے کئی استعمالات ہیں۔ Alloy steel حاصل کیا جاتا ہے جب اس میں دیگر دھاتیں شامل کی جائیں۔ Nickel steel cables، automobiles اور aeroplane parts، pendulum، measuring tapes بنانے کے لیے استعمال ہوتا ہے۔ Chrome steel cutting tools اور crushing machines کے لیے استعمال ہوتا ہے، اور stainless steel cycles، automobiles، utensils، pens وغیرہ کے لیے استعمال ہوتا ہے۔

خلاصہ#

اگرچہ modern metallurgy نے Industrial Revolution کے بعد exponential growth کی، دھات کشی کے بہت سے modern concepts کے roots ancient practices میں ہیں جو Industrial Revolution سے پہلے کے تھے۔ 7000 سال سے زیادہ عرصے سے، بھارت کی metallurigical skills کی ایک high tradition رہی ہے۔ Ancient Indian metallurgists نے major contributions کی ہیں جو دنیا کی metallurgical history میں اپنی جگہ کے مستحق ہیں۔ Zinc اور high–carbon steel کے case میں، ancient India نے modern metallurgical advancements کے base کے development کے لیے significantly contribute کیا جس نے Industrial Revolution کی طرف leading metallurgical study کو induce کیا۔

دھاتیں مختلف مقاصد کے لیے درکار ہوتی ہیں۔ اس کے لیے، ہمیں ان کی ان معدنیات سے کشیدگی کی ضرورت ہوتی ہے جن میں وہ موجود ہیں اور جن سے ان کی کشیدگی تجارتی طور پر feasible ہے۔ ان معدنیات کو ores کہا جاتا ہے۔ دھات کے ores کے ساتھ بہت سی نجاستیں associated ہوتی ہیں۔ ان نجاستوں کو کسی حد تک concentration steps میں ہٹایا جاتا ہے۔ پھر concentrated ore کو chemically treat کیا جاتا ہے تاکہ دھات حاصل ہو۔ عام طور پر دھات کے compounds (مثلاً، oxides، sulfides) کو دھات میں reduce کیا جاتا ہے۔ Reducing agents کے طور پر carbon، CO یا کچھ دھاتیں استعمال کی جاتی ہیں۔

ان reduction processes میں، thermodynamic اور electrochemical concepts کو due consideration دی جاتی ہے۔ دھات کا آکسائڈ reducing agent کے ساتھ react کرتا ہے؛ آکسائڈ کو دھات میں reduce کیا جاتا ہے اور reducing agent کو oxidise کیا جاتا ہے۔ دونوں ردعمل میں، net Gibbs energy change منفی ہوتی ہے، جو درجہ حرارت بڑھانے پر زیادہ منفی ہو جاتی ہے۔ Physical states کو solid سے liquid یا gas میں convert کرنا، اور gaseous states کی formation پورے system کے لیے Gibbs energy میں کمی کے لیے favourable ہوتی ہے۔ یہ concept DG0 vs T (Ellingham diagram) کے plots میں graphically display کیا جاتا ہے ایسے oxidation/reduction ردعمل کے لیے مختلف درجہ حرارت پر۔ Electrode potential کا concept دھاتوں کی isolation (مثلاً، Al، Ag، Au) میں مفید ہے جہاں دو redox couples کا sum positive ہو تاکہ Gibbs energy change منفی ہو۔ عام طریقوں سے حاصل کی گئی دھاتیں اب بھی minor impurities پر مشتمل ہوتی ہیں۔ Pure دھاتیں حاصل کرنے کے لیے refining درکار ہوتی ہے۔ Refining process دھات اور نجاست کی خصوصیات کے فرق پر depend کرتا ہے۔ ایلومینیم کی کشیدگی عام طور پر اس کے bauxite ore سے NaOH کے ساتھ leaching کر کے کی جاتی ہے۔ اس طرح بننے والا sodium aluminate، separate کیا جاتا ہے اور پھر neutralise کر کے hydrated oxide واپس دیا جاتا ہے، جو پھر cryolite کو flux کے طور پر استعمال کر کے electrolysed کیا جاتا ہے۔ آئرن کی کشیدگی blast furnace میں اس کے oxide ore کی reduction کر کے کی جاتی ہے۔ تانبے کو smelting اور reverberatory furnace میں heating کر کے extract کیا جاتا ہے۔ Zinc oxide سے zinc کی کشیدگی coke کے استعمال سے کی جاتی ہے۔ دھات کو refine کرنے کے لیے کئی methods استعمال کی جاتی ہیں۔ دھاتیں، عمومی طور پر، بہت widely استعمال ہوتی ہیں اور کئی industries کی development میں significantly contribute کرتی ہیں۔