કેલ્શિયમ (Ca) ધાતુશાસ્ત્ર અને ઔદ્યોગિક નિષ્કર્ષણ

કુદરતી ઘટના અને મુખ્ય ખનિજો

કેલ્શિયમ (Ca) પૃથ્વીના પોપડામાં પાંચમું સૌથી વધુ વિપુલ પ્રમાણમાં તત્વ છે, જે દળ દ્વારા આશરે 3.6% નું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે. આલ્કલાઇન અર્થ મેટલ તરીકે તેની ઉચ્ચ પ્રતિક્રિયાત્મકતાને કારણે, તે પ્રકૃતિમાં ક્યારેય તેના મુક્ત, મૂળભૂત સ્વરૂપમાં જોવા મળતું નથી. તેના બદલે, તે વિવિધ ખનિજો તરીકે સંયુક્ત સ્વરૂપોમાં વ્યાપકપણે જોવા મળે છે.

કેલ્શિયમના મુખ્ય ખનિજો:

• ચૂનાનો પથ્થર (Limestone), આરસપહાણ (Marble), ચાક (Chalk): આ કેલ્શિયમ કાર્બોનેટ ($ext\{CaCO\}_3$) ના વિવિધ સ્વરૂપો છે. ચૂનાનો પથ્થર એક કાંપનો ખડક છે, આરસપહાણ ચૂનાના પથ્થરમાંથી બનેલો રૂપાંતરિત ખડક છે, અને ચાક એ સૂક્ષ્મ દરિયાઈ જીવોના શેલોથી બનેલો નરમ, છિદ્રાળુ કાંપનો ખડક છે.
• જીપ્સમ (Gypsum): હાઇડ્રેટેડ કેલ્શિયમ સલ્ફેટ ($ext\{CaSO\}_4 \cdot 2\text\{H\}_2\text\{O\}$). પ્લાસ્ટર ઓફ પેરિસ અને ડ્રાયવૉલમાં વપરાય છે.
• ફ્લોરસ્પાર (Fluorspar) (ફ્લોરાઈટ): કેલ્શિયમ ફ્લોરાઇડ ($ext\{CaF\}_2$). ફ્લોરિનનો એક મહત્વપૂર્ણ સ્ત્રોત.
• એપેટાઇટ (Apatite): ફોસ્ફેટ ખનિજોનો એક સમૂહ, મુખ્યત્વે કેલ્શિયમ ફ્લોરો-ફોસ્ફેટ ($ext\{Ca\}_5(\text\{PO\}_4)_3\text\{F\}$) અથવા કેલ્શિયમ ક્લોરો-ફોસ્ફેટ ($ext\{Ca\}_5(\text\{PO\}_4)_3\text\{Cl\}$). ફોસ્ફરસનો પ્રાથમિક સ્ત્રોત.
• ડોલોમાઇટ (Dolomite): કેલ્શિયમ અને મેગ્નેશિયમનો ડબલ કાર્બોનેટ ($ext\{CaCO\}_3 \cdot \text\{MgCO\}_3$).

કાચી ધાતુનું સંકેન્દ્રણ

મૂળભૂત કેલ્શિયમના ઔદ્યોગિક નિષ્કર્ષણ માટે, સૌથી સામાન્ય શરૂઆતનો પદાર્થ કેલ્શિયમ કાર્બોનેટ છે, જે સામાન્ય રીતે ચૂનાના પથ્થરમાંથી મળે છે. ચૂનાના પથ્થરના ભંડારો ઘણીવાર પ્રમાણમાં શુદ્ધ હોવાથી, સલ્ફાઇડ અયસ્ક માટે જરૂરી હોય તેવા વ્યાપક સંકેન્દ્રણ પગલાં સામાન્ય રીતે જરૂરી નથી.

કાચી ધાતુના સંકેન્દ્રણ/તૈયારીની પ્રાથમિક પદ્ધતિઓ:

• ક્રશિંગ અને ગ્રાઇન્ડીંગ (Crushing and Grinding): ખાણમાંથી કાઢવામાં આવેલા ચૂનાના પથ્થરને સૌપ્રથમ ક્રશિંગ અને ગ્રાઇન્ડીંગ દ્વારા ઘટાડીને અનુગામી પ્રક્રિયા માટે યોગ્ય કણના કદમાં લાવવામાં આવે છે.
• ધોવાણ (Washing): કેટલાક કિસ્સાઓમાં, જો કાચી ધાતુ દૂષિત હોય તો ચોંટેલી માટીની અશુદ્ધિઓ (ગેન્ગ્યુ) દૂર કરવા માટે પાણી વડે સાદા ધોવાણનો ઉપયોગ કરી શકાય છે.
• કેલ્સીનેશન (Calcination): જોકે આ સખત રીતે સંકેન્દ્રણ પદ્ધતિ નથી, કેલ્સીનેશન એ કેલ્શિયમ નિષ્કર્ષણ માટે યોગ્ય સંયોજન તૈયાર કરવા માટેનું નિર્ણાયક પ્રારંભિક પગલું છે. ચૂનાના પથ્થર ($ext\{CaCO\}_3$) ને મજબૂત રીતે ગરમ કરવામાં આવે છે (સામાન્ય રીતે $900-1000^\circ\text\{C\}$) તેને કેલ્શિયમ ઓક્સાઇડ (ઝડપી ચૂનો) અને કાર્બન ડાયોક્સાઇડમાં વિઘટિત કરવા માટે: $ext\{CaCO\}_3 (\text\{s\}) \xrightarrow\{\text\{Heat\}\} \text\{CaO\} (\text\{s\}) + \text\{CO\}_2 (\text\{g\})$ પછી કેલ્શિયમ ઓક્સાઇડને હાઇડ્રોક્લોરિક એસિડ સાથે પ્રતિક્રિયા કરીને કેલ્શિયમ ક્લોરાઇડ ($ext\{CaCl\}_2$) માં રૂપાંતરિત કરવામાં આવે છે: $ext\{CaO\} (\text\{s\}) + 2\text\{HCl\} (\text\{aq\}) \rightarrow \text\{CaCl\}_2 (\text\{aq\}) + \text\{H\}_2\text\{O\} (\text\{l\})$ પરિણામી $ext\{CaCl\}_2$ દ્રાવણને પછી નિર્જળ કેલ્શિયમ ક્લોરાઇડ મેળવવા માટે બાષ્પીભવન કરવામાં આવે છે, જે ઘટાડા માટેનો ઇલેક્ટ્રોલાઇટ છે.

ક્રૂડ ધાતુમાં ઘટાડો

કેલ્શિયમ એ અત્યંત ઇલેક્ટ્રોપોઝિટિવ ધાતુ છે, જે રાસાયણિક ઘટાડાની પદ્ધતિઓને (દા.ત., કાર્બન ઘટાડો) અવ્યવહારુ બનાવે છે, કારણ કે કેલ્શિયમ કાર્બાઇડ ($ext\{CaC\}_2$) સરળતાથી બનશે, અથવા કેલ્શિયમ પોતે જ ખૂબ પ્રતિક્રિયાશીલ છે. તેથી, કેલ્શિયમનું ઔદ્યોગિક નિષ્કર્ષણ વિશિષ્ટ રીતે ઇલેક્ટ્રોલાઇટિક રિડક્શન પર આધાર રાખે છે.

પીગળેલા કેલ્શિયમ ક્લોરાઇડનું ઇલેક્ટ્રોલાઇટિક રિડક્શન:

• સિદ્ધાંત: પીગળેલા કેલ્શિયમ ક્લોરાઇડનું વિદ્યુત વિચ્છેદન કેથોડ પર કેલ્શિયમ ધાતુના જમાવટ તરફ દોરી જાય છે.
• ઇલેક્ટ્રોલાઇટિક સેલ: એક ઇલેક્ટ્રોલાઇટિક સેલનો ઉપયોગ થાય છે, જેમાં સામાન્ય રીતે ગ્રેફાઇટ એનોડ અને આયર્ન અથવા કોપર કેથોડ હોય છે.
• ઇલેક્ટ્રોલાઇટ: ઇલેક્ટ્રોલાઇટ પીગળેલું નિર્જળ કેલ્શિયમ ક્લોરાઇડ ($ext\{CaCl\}_2$) છે. $ext\{CaCl\}_2$ ના ગલનબિંદુને (જે $772^\circ\text\{C\}$ છે) ઘટાડવા અને વાહકતા સુધારવા માટે, કેલ્શિયમ ફ્લોરાઇડ ($ext\{CaF\}_2$) ઘણીવાર ઉમેરવામાં આવે છે. આ મિશ્રણ સામાન્ય રીતે $700^\circ\text\{C\}$ ની આસપાસ પીગળે છે.
• પ્રતિક્રિયાઓ:
  • કેથોડ પર (નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ, આયર્ન/કોપર): $\text\{Ca\}^\{2+\} + 2\text\{e\}^- \rightarrow \text\{Ca\}$ (પીગળેલું કેલ્શિયમ બને છે)
  • એનોડ પર (સકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ, ગ્રેફાઇટ): $2\text\{Cl\}^- \rightarrow \text\{Cl\}_2 + 2\text\{e\}^-$ (ક્લોરિન ગેસ ઉત્સર્જિત થાય છે)
• પ્રક્રિયા સંચાલન: કેથોડને ઠંડા કરાયેલા આયર્ન રોડ તરીકે ડિઝાઇન કરવામાં આવે છે જે ધીમે ધીમે પીગળેલા ઇલેક્ટ્રોલાઇટમાં નીચે ઉતરે છે. જેમ જેમ પીગળેલું કેલ્શિયમ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ કરતાં વધુ ગાઢ હોય છે, તે કેથોડની આસપાસ એકઠું થાય છે. કેથોડને ધીમે ધીમે ઉપર ઉઠાવવામાં આવે છે જેથી જમા થયેલું કેલ્શિયમ ઘન બને અને “કેલ્શિયમ સ્ટીક” અથવા “કેલ્શિયમ ઇંગોટ” બનાવે, જે સતત બહાર કાઢવામાં આવે છે. આ પદ્ધતિ સુનિશ્ચિત કરે છે કે પીગળેલી કેલ્શિયમ ધાતુ ઇલેક્ટ્રોલાઇટમાં ફરીથી ઓગળી ન જાય અથવા હવામાં પ્રતિક્રિયા ન કરે.

શુદ્ધિકરણ અને રિફાઇનિંગ

ઇલેક્ટ્રોલાઇટિક પ્રક્રિયામાંથી મેળવેલા ક્રૂડ કેલ્શિયમમાં મેગ્નેશિયમ, એલ્યુમિનિયમ અને અવશેષ ક્લોરાઇડ્સ જેવી ઓછી માત્રામાં અશુદ્ધિઓ હોઈ શકે છે. ઉચ્ચ-શુદ્ધતા એપ્લિકેશન માટે, વધુ શુદ્ધિકરણ જરૂરી છે.

સામાન્ય શુદ્ધિકરણ પદ્ધતિઓ:

• નિસ્યંદન (Distillation): ક્રૂડ કેલ્શિયમને શુદ્ધ કરવાની આ સૌથી સામાન્ય પદ્ધતિ છે. કેલ્શિયમનું ઉત્કલનબિંદુ ($1484^\circ\text\{C\}$) આયર્ન અને અન્ય કેટલીક ધાતુઓ જેવી ઘણી સામાન્ય અશુદ્ધિઓ કરતાં પ્રમાણમાં ઓછું છે.
  • ક્રૂડ કેલ્શિયમને તેના ઉત્કલનબિંદુથી ઉપરના તાપમાને શૂન્યાવકાશ હેઠળ ગરમ કરવામાં આવે છે.
  • કેલ્શિયમ બાષ્પીભવન થાય છે અને પછી ઉપકરણના ઠંડા ભાગમાં ઘટ્ટ થાય છે, જે બિન-બાષ્પશીલ અશુદ્ધિઓને પાછળ છોડી દે છે.
  • બાષ્પશીલ અશુદ્ધિઓ (દા.ત., મેગ્નેશિયમ, જો હાજર હોય તો) ઉત્કલનબિંદુના તફાવતોને કારણે અપૂર્ણાંક નિસ્યંદન દ્વારા અલગ કરી શકાય છે.
• ઝોન રિફાઇનિંગ (Zone Refining): વિશિષ્ટ એપ્લિકેશન્સ (દા.ત., સેમિકન્ડક્ટર્સ) માં જરૂરી અત્યંત ઉચ્ચ-શુદ્ધતાવાળા કેલ્શિયમ માટે, ઝોન રિફાઇનિંગનો ઉપયોગ કરી શકાય છે.
  • ક્રૂડ કેલ્શિયમના બારમાં એક સાંકડો પીગળેલો ઝોન બનાવવામાં આવે છે અને તેને ધીમે ધીમે તેની લંબાઈ સાથે ખસેડવામાં આવે છે.
  • અશુદ્ધિઓ પીગળેલા તબક્કામાં રહે છે અને બારના એક છેડે લઈ જવામાં આવે છે, જ્યારે શુદ્ધ કેલ્શિયમ ફરતા ઝોનની પાછળ ઘન બને છે.
  • બહુવિધ પસાર થવાને કારણે ખૂબ જ ઉચ્ચ શુદ્ધતાવાળી ધાતુ મળે છે. આ પદ્ધતિ સામાન્ય રીતે વધુ ખર્ચાળ છે અને પ્રયોગશાળા-સ્તરના શુદ્ધિકરણ અથવા ઉચ્ચ-મૂલ્યની સામગ્રી માટે ઉપયોગમાં લેવાય છે.