એલ્યુમિનિયમ (Al) નું ધાતુવિજ્ઞાન અને નિષ્કર્ષણ

કુદરતી પ્રાપ્તિ અને મુખ્ય કાચી ધાતુઓ

એલ્યુમિનિયમ પૃથ્વીના પોપડામાં સૌથી વધુ વિપુલ પ્રમાણમાં મળી આવતી ધાતુ અને ત્રીજું સૌથી વિપુલ પ્રમાણમાં મળી આવતું તત્વ છે. તેની ઊંચી પ્રતિક્રિયાશીલતાને કારણે તે મુક્ત ધાતુ સ્વરૂપમાં મળતું નથી.

એલ્યુમિનિયમની પ્રાથમિક કાચી ધાતુઓ

1. બોક્સાઈટ (Bauxite): ઔદ્યોગિક નિષ્કર્ષણ માટે સૌથી મહત્વપૂર્ણ કાચી ધાતુ. તે હાઇડ્રેટેડ એલ્યુમિનિયમ ઓક્સાઇડ છે.
   • રાસાયણિક સૂત્ર: Al₂O₃·2H₂O (મોટે ભાગે Al₂O₃·nH₂O તરીકે દર્શાવવામાં આવે છે)
   • બંધારણ: તેમાં 50-70% Al₂O₃ હોય છે, સાથે આયર્ન ઓક્સાઇડ (Fe₂O₃), સિલિકા (SiO₂), અને ટાઇટેનિયમ ડાયોક્સાઇડ (TiO₂) જેવી અશુદ્ધિઓ પણ હોય છે.
2. કોરન્ડમ (Corundum): નિર્જળ એલ્યુમિનિયમ ઓક્સાઇડ.
   • રાસાયણિક સૂત્ર: Al₂O₃
3. ક્રાયોલાઇટ (Cryolite): સોડિયમ હેક્ઝાફ્લોરોએલ્યુમિનેટ. તે નિષ્કર્ષણ પ્રક્રિયામાં ઇલેક્ટ્રોલાઇટ તરીકે વપરાય છે, એલ્યુમિનિયમ ધાતુ માટે પ્રાથમિક કાચી ધાતુ તરીકે નહીં.
   • રાસાયણિક સૂત્ર: Na₃AlF₆
4. ફેલ્ડસ્પાર (Feldspar): પોટેશિયમ એલ્યુમિનિયમ સિલિકેટ.
   • રાસાયણિક સૂત્ર: KAlSi₃O₈

કાચી ધાતુનું સાંદ્રણ (બોક્સાઈટ)

મુખ્ય કાચી ધાતુ, બોક્સાઈટ, રાસાયણિક નિક્ષાલન (chemical leaching) દ્વારા સાંદ્રિત કરવામાં આવે છે, ખાસ કરીને બેર પ્રક્રિયા (Baeyer’s Process) દ્વારા. આ પદ્ધતિ કાચા બોક્સાઈટને શુદ્ધ કરે છે, જેમાં મુખ્યત્વે આયર્ન ઓક્સાઇડ, સિલિકા અને ટાઇટેનિયમ ડાયોક્સાઇડ જેવી અશુદ્ધિઓ દૂર કરીને શુદ્ધ એલ્યુમિના (Al₂O₃) મેળવવામાં આવે છે.

બેર પ્રક્રિયાના તબક્કાઓ

1. પાચન (કોસ્ટિક સોડા સાથે નિક્ષાલન):

   • ઝીણા પાવડર કરેલા બોક્સાઈટની કાચી ધાતુને સોડિયમ હાઇડ્રોક્સાઇડ (NaOH) ના સાંદ્ર દ્રાવણ (45-50%) સાથે 150-200°C તાપમાને ઊંચા દબાણ (8-10 atm) હેઠળ ગરમ કરવામાં આવે છે.
   • એલ્યુમિનિયમ ઓક્સાઇડ (ઉભયધર્મી હોવાને કારણે) NaOH સાથે પ્રક્રિયા કરીને દ્રાવ્ય સોડિયમ મેટા-એલ્યુમિનેટ બનાવે છે, જ્યારે આયર્ન ઓક્સાઇડ (Fe₂O₃) જેવી મુખ્ય અશુદ્ધિઓ અદ્રાવ્ય રહે છે. સિલિકા (SiO₂) પ્રક્રિયા કરીને દ્રાવ્ય સોડિયમ સિલિકેટ (Na₂SiO₃) બનાવે છે પરંતુ તેને પાછળથી અવક્ષેપિત કરી શકાય છે અથવા પરિસ્થિતિઓને નિયંત્રિત કરીને સંભાળી શકાય છે.
   • પ્રક્રિયા: Al₂O₃·2H₂O(s) + 2NaOH(aq) + H₂O(l) $\xrightarrow\{150-200^\circ C, \text\{high pressure\}\}$ 2NaAl(OH)₄ (સોડિયમ મેટા-એલ્યુમિનેટ)
   • અદ્રાવ્ય અશુદ્ધિઓ (લાલ કાદવ, મુખ્યત્વે Fe₂O₃) ને પછી ફિલ્ટર કરીને દૂર કરવામાં આવે છે.

2. એલ્યુમિનિયમ હાઇડ્રોક્સાઇડનું અવક્ષેપણ:

   • સોડિયમ મેટા-એલ્યુમિનેટના સ્પષ્ટ દ્રાવણને પાણી વડે મંદ કરવામાં આવે છે અને લગભગ 50-60°C સુધી ઠંડુ કરવામાં આવે છે.
   • પછી તેમાં તાજા તૈયાર કરેલા એલ્યુમિનિયમ હાઇડ્રોક્સાઇડ [Al(OH)₃] ના સ્ફટિકો ઉમેરીને બીજારોપણ કરવામાં આવે છે. આ સોડિયમ મેટા-એલ્યુમિનેટના જળવિભાજન અને શુદ્ધ એલ્યુમિનિયમ હાઇડ્રોક્સાઇડના અવક્ષેપણને પ્રોત્સાહન આપે છે.
   • પ્રક્રિયા: NaAl(OH)₄ $\xrightarrow\{\text\{dilution, cooling, seeding\}\}$ Al(OH)₃(s) + NaOH(aq)
   • NaOH પુનર્જનિત થાય છે અને પ્રક્રિયામાં ફરીથી ઉપયોગ કરી શકાય છે, જેનાથી તે આર્થિક રીતે ફાયદાકારક બને છે.

3. નિર્જલીકરણ (Calcination):

   • અવક્ષેપિત એલ્યુમિનિયમ હાઇડ્રોક્સાઇડને ફિલ્ટર કરવામાં આવે છે, ધોવામાં આવે છે અને સૂકવવામાં આવે છે.
   • પછી તેને 1000-1200°C તાપમાને સખત રીતે ગરમ કરવામાં આવે છે (નિર્જલીકરણ) જેથી શુદ્ધ, નિર્જળ એલ્યુમિના પ્રાપ્ત થાય.
   • પ્રક્રિયા: 2Al(OH)₃(s) $\xrightarrow\{1000-1200^\circ C\}$ Al₂O₃(s) + 3H₂O(g)
   • આ શુદ્ધ એલ્યુમિના (Al₂O₃) નો ઉપયોગ પછી વિદ્યુત વિભાજન દ્વારા રિડક્શન માટે થાય છે.

ક્રૂડ ધાતુમાં રિડક્શન (હોલ-હેરોલ્ટ પ્રક્રિયા)

શુદ્ધ એલ્યુમિનામાંથી એલ્યુમિનિયમ ધાતુનું નિષ્કર્ષણ હોલ-હેરોલ્ટ વિદ્યુત વિભાજન પ્રક્રિયા (Hall-Héroult Electrolytic Process) દ્વારા કરવામાં આવે છે. એલ્યુમિનાનું ગલનબિંદુ ઘણું ઊંચું (2072°C) હોવાથી, સીધું વિદ્યુત વિભાજન અવ્યવહારુ છે. તેથી, તેને પીગળેલા ઇલેક્ટ્રોલાઇટમાં ઓગાળવામાં આવે છે.

સિદ્ધાંત

એલ્યુમિનાને પીગળેલા ક્રાયોલાઇટ (Na₃AlF₆) માં ઓગાળવામાં આવે છે, જે મિશ્રણના ગલનબિંદુને નોંધપાત્ર રીતે લગભગ 950-1000°C સુધી ઘટાડે છે અને તેની વિદ્યુત વાહકતામાં વધારો કરે છે. ફ્લુઓરસ્પાર (CaF₂) પણ ગલનબિંદુને વધુ ઘટાડવા અને વાહકતા સુધારવા માટે ઉમેરવામાં આવે છે.

વિદ્યુત વિભાજન કોષની રચના

• પાત્ર: કાર્બન (ગ્રેફાઇટ) થી અસ્તર કરેલી એક મોટી સ્ટીલ ટાંકી, જે કેથોડ તરીકે કાર્ય કરે છે.
• એનોડ: પીગળેલા ઇલેક્ટ્રોલાઇટમાં બહુવિધ જાડા ગ્રેફાઇટ સળિયા લટકાવવામાં આવે છે.
• ઇલેક્ટ્રોલાઇટ: 2-10% શુદ્ધ એલ્યુમિના (Al₂O₃), 80-90% ક્રાયોલાઇટ (Na₃AlF₆), અને 5-7% ફ્લુઓરસ્પાર (CaF₂) ધરાવતું પીગળેલું મિશ્રણ. તાપમાન લગભગ 950-1000°C આસપાસ જાળવવામાં આવે છે.
• ઉત્પાદન: પીગળેલું એલ્યુમિનિયમ, ઇલેક્ટ્રોલાઇટ કરતાં વધુ ઘનતાવાળું હોવાથી, કોષના તળિયે એકઠું થાય છે અને સમયાંતરે તેને બહાર કાઢવામાં આવે છે.

વિદ્યુત રાસાયણિક પ્રક્રિયાઓ

1. ઇલેક્ટ્રોલાઇટમાં આયનીકરણ: પીગળેલા ક્રાયોલાઇટમાં, એલ્યુમિના આયનોમાં વિઘટિત થાય છે.
   • Al₂O₃ $\rightleftharpoons$ 2Al³⁺ + 3O²⁻
2. કેથોડ પર (કાર્બન અસ્તર):
   • એલ્યુમિનિયમ આયનો (Al³⁺) ઋણભારિત કેથોડ તરફ જાય છે અને ઇલેક્ટ્રોન મેળવીને પીગળેલા એલ્યુમિનિયમ ધાતુમાં રિડ્યુસ થાય છે.
   • પ્રક્રિયા: Al³⁺(melt) + 3e⁻ → Al(l)
3. એનોડ પર (ગ્રેફાઇટ સળિયા):
   • ઓક્સાઇડ આયનો (O²⁻) ધનભારિત ગ્રેફાઇટ એનોડ તરફ જાય છે અને ઇલેક્ટ્રોન ગુમાવીને ઓક્સિજન વાયુ બનાવે છે.
   • પ્રક્રિયા: 2O²⁻(melt) → O₂(g) + 4e⁻
   • ઉત્પન્ન થયેલ ઓક્સિજન વાયુ પછી ગરમ ગ્રેફાઇટ એનોડ્સ સાથે પ્રક્રિયા કરીને તેમને કાર્બન મોનોક્સાઇડ (CO) અને કાર્બન ડાયોક્સાઇડ (CO₂) માં ઓક્સિડાઇઝ કરે છે. આનો અર્થ એ થાય છે કે એનોડ્સ સતત ખવાઈ જાય છે અને તેમને નિયમિતપણે બદલવા પડે છે.
   • એનોડ વપરાશ પ્રક્રિયાઓ:
     • C(s) + O₂(g) → CO₂(g)
     • 2C(s) + O₂(g) → 2CO(g)

એકંદર પ્રક્રિયા

2Al₂O₃(melt) + 3C(s) $\xrightarrow\{\text\{electrolysis\}\}$ 4Al(l) + 3CO₂(g)

ઊર્જા જરૂરિયાતો

હોલ-હેરોલ્ટ પ્રક્રિયા અત્યંત ઊર્જા-સઘન છે, જેમાં મોટી માત્રામાં વીજળીની જરૂર પડે છે.

શુદ્ધિકરણ (હૂપની પ્રક્રિયા)

હોલ-હેરોલ્ટ પ્રક્રિયામાંથી મેળવેલું એલ્યુમિનિયમ લગભગ 99.5% શુદ્ધ હોય છે. 99.9% કે તેથી વધુ શુદ્ધતાનું એલ્યુમિનિયમ મેળવવા માટેનું વધુ શુદ્ધિકરણ હૂપની વિદ્યુત વિભાજન શુદ્ધિકરણ પ્રક્રિયા (Hoope’s Electrolytic Refining Process) દ્વારા કરવામાં આવે છે.

સિદ્ધાંત

આ પ્રક્રિયામાં ત્રણ અલગ-અલગ ઘનતા ધરાવતા પીગળેલા પદાર્થોના સ્તરો સાથેનો વિદ્યુત વિભાજન કોષનો ઉપયોગ થાય છે, જેમાં અશુદ્ધ એનોડમાંથી શુદ્ધ એલ્યુમિનિયમને પસંદગીપૂર્વક શુદ્ધ કેથોડમાં સ્થાનાંતરિત કરવામાં આવે છે.

હૂપ કોષની રચના

• કેથોડ (ઉપરનો સ્તર): શુદ્ધ પીગળેલું એલ્યુમિનિયમ ટોચ પર એકઠું થાય છે. આ સ્તરમાં કાર્બન ઇલેક્ટ્રોડ્સ ડૂબેલા હોય છે, જે કેથોડ તરીકે કાર્ય કરે છે.
• ઇલેક્ટ્રોલાઇટ (મધ્યમ સ્તર): Al, Na, અને Ba ના ફ્લોરાઇડ્સનું પીગળેલું મિશ્રણ (દા.ત., AlF₃, Na₃AlF₆, BaF₂) નો ઉપયોગ થાય છે. આ સ્તરની ઘનતા શુદ્ધ અને અશુદ્ધ એલ્યુમિનિયમ સ્તરોની ઘનતાની મધ્યમ હોય છે.
• એનોડ (નીચેનો સ્તર): અશુદ્ધ પીગળેલું એલ્યુમિનિયમ, કોપર સાથે મિશ્રિત (તેની ઘનતા અને વિદ્યુત વાહકતા વધારવા માટે), એનોડ તરીકે કાર્ય કરે છે. આ સ્તરમાં કાર્બન ઇલેક્ટ્રોડ્સ ડૂબેલા હોય છે.
• બાજુની દિવાલો: કોષમાં રિફ્રેક્ટરી અસ્તર (દા.ત., કાર્બન ઇંટો) હોય છે જે ઊંચા તાપમાનનો સામનો કરી શકે છે અને બાજુઓ દ્વારા પ્રવાહ લિકેજ અટકાવે છે.

વિદ્યુત રાસાયણિક પ્રક્રિયાઓ

1. એનોડ પર (નીચેનો સ્તર):
   • નીચેના સ્તરમાંથી અશુદ્ધ એલ્યુમિનિયમ ઓક્સિડાઇઝ થાય છે, ઇલેક્ટ્રોન ગુમાવીને Al³⁺ આયનો બનાવે છે જે ઇલેક્ટ્રોલાઇટ સ્તરમાં જાય છે.
   • પ્રક્રિયા: Al(impure, l) → Al³⁺(electrolyte) + 3e⁻
   • તાંબુ, આયર્ન, સિલિકોન જેવી ભારે અશુદ્ધિઓ નીચેના સ્તરમાં રહે છે.
2. કેથોડ પર (ઉપરનો સ્તર):
   • ઇલેક્ટ્રોલાઇટમાંથી Al³⁺ આયનો ઉપરના સ્તરમાં (કેથોડ) જાય છે, ઇલેક્ટ્રોન મેળવે છે અને શુદ્ધ પીગળેલા એલ્યુમિનિયમમાં રિડ્યુસ થાય છે.
   • પ્રક્રિયા: Al³⁺(electrolyte) + 3e⁻ → Al(pure, l)

પરિણામ

જેમ જેમ વિદ્યુત વિભાજન આગળ વધે છે, તેમ તેમ શુદ્ધ એલ્યુમિનિયમ ધીમે ધીમે ઉપરના સ્તરમાં એકઠું થાય છે, જ્યારે અશુદ્ધિઓ નીચેના એનોડ સ્તરમાં રહે છે. આનાથી ખૂબ જ ઊંચી શુદ્ધતાનું એલ્યુમિનિયમ પ્રાપ્ત થાય છે.