સોડિયમ (Na) નું ધાતુશાસ્ત્ર અને ઔદ્યોગિક નિષ્કર્ષણ

કુદરતી ઉપલબ્ધતા અને મુખ્ય ખનિજો

સોડિયમ અત્યંત પ્રતિક્રિયાશીલ આલ્કલી ધાતુ છે અને તેથી તે ક્યારેય પ્રકૃતિમાં તેના મુક્ત, તત્વીય સ્વરૂપમાં મળતી નથી. તે હંમેશા વિવિધ ખનિજોમાં સંયુક્ત સ્વરૂપમાં અને દરિયાઈ પાણીમાં ઓગળેલા સ્વરૂપમાં જોવા મળે છે.

• સોડિયમ ક્લોરાઇડ (સામાન્ય મીઠું અથવા હેલાઇટ): NaCl (ખડક મીઠાના થાપણો તરીકે અને દરિયાઈ પાણીમાં ઓગળેલું જોવા મળે છે). આ ઔદ્યોગિક નિષ્કર્ષણ માટેનો પ્રાથમિક સ્ત્રોત છે.
• સોડિયમ કાર્બોનેટ (ધોવાનો સોડા અથવા ટ્રોના): Na₂CO₃·10H₂O (ધોવાનો સોડા) અથવા Na₂CO₃·NaHCO₃·2H₂O (ટ્રોના).
• સોડિયમ નાઇટ્રેટ (ચિલી સાલ્ટપીટર): NaNO₃.
• સોડિયમ સલ્ફેટ (ગ્લોબરનું મીઠું): Na₂SO₄·10H₂O.
• બોરેક્સ: Na₂B₄O₇·10H₂O.
• ક્રાયોલાઇટ: Na₃AlF₆.

ખનિજનું સાંદ્રણ

સોડિયમના ઔદ્યોગિક નિષ્કર્ષણ માટે, પ્રાથમિક ખનિજ સોડિયમ ક્લોરાઇડ (NaCl) છે. સાંદ્રણની પદ્ધતિઓ સ્ત્રોત પર આધાર રાખે છે:

• દરિયાઈ પાણીમાંથી: દરિયાઈ પાણીમાં દળ દ્વારા આશરે 2.7% NaCl હોય છે. સૌર બાષ્પીભવન દ્વારા સાંદ્રણ પ્રાપ્ત થાય છે, જેના પરિણામે ક્રૂડ મીઠાનું સ્ફટિકીકરણ થાય છે.
• ખડક મીઠાના થાપણોમાંથી: ખડક મીઠું એ NaCl નું એક ખનિજ સ્વરૂપ છે જે ભૂગર્ભ થાપણોમાંથી સીધું ખોદવામાં આવે છે. તે ઘણીવાર પહેલેથી જ ખૂબ શુદ્ધ હોય છે, અને નિષ્કર્ષણ પ્રક્રિયામાં ઉપયોગ કરતા પહેલા ઓછા અથવા કોઈ વધુ સાંદ્રણ પગલાંની જરૂર પડતી નથી.
• કાચા મીઠાનું શુદ્ધિકરણ: દરિયાઈ પાણી અથવા ખાણકામમાંથી મેળવેલા કાચા મીઠામાં MgCl₂ અને CaCl₂ જેવી અશુદ્ધિઓ હોઈ શકે છે. આ અતિશય ભેજગ્રાહી હોય છે અને મીઠાને ભેજશોષક બનાવે છે. કાચા મીઠાને ઓછામાં ઓછા પાણીમાં ઓગાળીને, અદ્રાવ્ય અશુદ્ધિઓને દૂર કરવા માટે ફિલ્ટર કરીને, અને પછી સંતૃપ્ત દ્રાવણમાંથી HCl વાયુ પસાર કરીને શુદ્ધિકરણ કરી શકાય છે. આ સામાન્ય આયન અસરને કારણે શુદ્ધ NaCl ને અવક્ષેપિત કરે છે, કારણ કે NaCl એ MgCl₂ અને CaCl₂ કરતાં ઓછું દ્રાવ્ય છે.

કાચી ધાતુમાં રિડક્શન

તેની ખૂબ ઊંચી વિદ્યુતધનાત્મકતા અને પ્રબળ રિડક્શનકારક સ્વભાવને કારણે, સોડિયમને રાસાયણિક રિડક્શન પદ્ધતિઓ (દા.ત., કાર્બનનો ઉપયોગ કરીને) દ્વારા નિષ્કર્ષિત કરી શકાતું નથી. તે પાણી સાથે પણ અત્યંત પ્રતિક્રિયાશીલ છે, જે જલીય વિદ્યુત વિભાજનને અવ્યવહારુ બનાવે છે. ઔદ્યોગિક નિષ્કર્ષણ ફક્ત ગળેલા સોડિયમ ક્લોરાઇડના વિદ્યુત વિભાજન દ્વારા કરવામાં આવે છે.

ડાઉન્સ પ્રક્રિયા

ડાઉન્સ પ્રક્રિયા એ સોડિયમ ધાતુના ઉત્પાદન માટેની સૌથી સામાન્ય ઔદ્યોગિક પદ્ધતિ છે.

સિદ્ધાંત:

ગળેલા NaCl નું વિદ્યુત વિભાજન, જે ઘણીવાર ગલનબિંદુ ઘટાડવા માટે અન્ય ક્ષારો સાથે મિશ્રિત હોય છે, તે કેથોડ પર સોડિયમ ધાતુ અને એનોડ પર ક્લોરિન વાયુ ઉત્પન્ન કરે છે.

ડાઉન્સ કોષનું વર્ણન:

ડાઉન્સ કોષ એક ગોળાકાર કોષ છે જેમાં નીચેનાનો સમાવેશ થાય છે:

• ગ્રેફાઇટ એનોડ: કેન્દ્રમાં સ્થિત છે.
• આયર્ન કેથોડ: નળાકાર આકારનો, એનોડને ઘેરીને આવેલો છે.
• સ્ટીલ ગૉઝ ડાયાફ્રામ: એક વાયર ગૉઝ ડાયાફ્રામ એનોડ અને કેથોડ કમ્પાર્ટમેન્ટને અલગ કરે છે. આ ડાયાફ્રામ પીગળેલા સોડિયમ (કેથોડ પર ઉત્પન્ન થાય છે) અને ક્લોરિન વાયુ (એનોડ પર ઉત્પન્ન થાય છે) ના પુનઃસંયોજનને અટકાવે છે, જે વિસ્ફોટક રીતે પ્રતિક્રિયા આપશે.
• બાહ્ય આવરણ: રિફ્રેક્ટરી-લાઇનવાળું સ્ટીલનું પાત્ર.

વિદ્યુત વિભાજ્ય:

• વિદ્યુત વિભાજ્યમાં NaCl, CaCl₂, અને/અથવા BaCl₂ નું મિશ્રણ હોય છે.
• શુદ્ધ NaCl નું ગલનબિંદુ ખૂબ ઊંચું (801 °C) હોય છે. ઊર્જા ખર્ચ ઘટાડવા અને સોડિયમના બાષ્પીભવનને ઓછું કરવા માટે, યુટેકટિક મિશ્રણનો ઉપયોગ થાય છે.
• ઘટક: આશરે 42% NaCl અને 58% CaCl₂. કેટલીકવાર BaCl₂ પણ ઉમેરવામાં આવે છે.
• મિશ્રણનું ગલનબિંદુ: મિશ્રણ ઘણા નીચા તાપમાને પીગળે છે, સામાન્ય રીતે 580-600 °C ની આસપાસ.
• CaCl₂/BaCl₂ નું કાર્ય:
  • વિદ્યુત વિભાજ્યનું ગલનબિંદુ ઘટાડે છે, જેનાથી ઊર્જા બચાવે છે.
  • પીગળેલા પદાર્થની વિદ્યુત વાહકતામાં વધારો કરે છે.
  • NaCl કરતાં ઉચ્ચ વિઘટન સંભવિતતા ધરાવે છે, જે સુનિશ્ચિત કરે છે કે કાર્યકારી પરિસ્થિતિઓમાં કેથોડ પર ફક્ત Na⁺ આયનોનું રિડક્શન થાય છે, Ca²⁺ અથવા Ba²⁺ નું નહીં (જોકે જો પરિસ્થિતિઓ કાળજીપૂર્વક નિયંત્રિત ન હોય તો કેટલીક Ca ધાતુ સહ-જમા થઈ શકે છે, તે પીગળેલા સોડિયમમાં ઓગળેલી રહે છે અને શુદ્ધિકરણ દરમિયાન દૂર કરવામાં આવે છે).

ડાઉન્સ કોષમાં પ્રતિક્રિયાઓ:

પીગળેલા મિશ્રણમાં Na⁺, Ca²⁺, અને Cl⁻ આયનો હોય છે.

• કેથોડ પર (આયર્ન, નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ): Na⁺ (melt) + e⁻ → Na (l) (સોડિયમ આયનોનું પીગળેલા સોડિયમ ધાતુમાં રિડક્શન)
• એનોડ પર (ગ્રેફાઇટ, સકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ): 2Cl⁻ (melt) → Cl₂ (g) + 2e⁻ (ક્લોરાઇડ આયનોનું ક્લોરિન વાયુમાં ઓક્સિડેશન)

ઉત્પાદન સંગ્રહ:

• પીગળેલું સોડિયમ: વિદ્યુત વિભાજ્ય કરતાં ઓછું ઘનત્વ ધરાવતું હોવાથી, પીગળેલું સોડિયમ કેથોડ કમ્પાર્ટમેન્ટમાં વિદ્યુત વિભાજ્યની સપાટી પર તરે છે. તેને ઉલટા કલેક્ટર પાઇપમાં સતત એકત્રિત કરવામાં આવે છે જે પીગળેલા સોડિયમમાં ડૂબી જાય છે અને તેને સિફોન કરીને દૂર કરવામાં આવે છે.
• ક્લોરિન વાયુ: ક્લોરિન વાયુ, હવા કરતાં વધુ ઘનત્વ ધરાવતો હોવાથી, એનોડ પરના ઉલટા ગુંબજમાંથી એકત્રિત કરવામાં આવે છે અને વધુ ઔદ્યોગિક ઉપયોગ માટે લઈ જવામાં આવે છે.

મુખ્ય શરતો અને વિચારણાઓ:

• તાપમાન: 580-600 °C (શુદ્ધ સોડિયમના ગલનબિંદુ, 98 °C, કરતાં ઓછું, પરંતુ વિદ્યુત વિભાજ્યના ગલનબિંદુ કરતાં વધુ).
• વોલ્ટેજ: આશરે 6-7 વોલ્ટ.
• ડાયાફ્રામ: Na અને Cl₂ ના પુનઃસંયોજનને રોકવા માટે આવશ્યક છે.

શુદ્ધિકરણ અને રિફાઇનિંગ

ડાઉન્સ પ્રક્રિયામાંથી મેળવેલી સોડિયમ ધાતુ સામાન્ય રીતે ખૂબ શુદ્ધ (આશરે 99.5%) હોય છે. જો હાજર હોય તો મુખ્ય અશુદ્ધિ સામાન્ય રીતે ઓગળેલું કેલ્શિયમ હોય છે, જે જો કાર્યકારી તાપમાન ખૂબ ઊંચું હોય તો બની શકે છે, જેના કારણે Ca²⁺ આયનોનું થોડું રિડક્શન થાય છે.

• કેલ્શિયમ દૂર કરવું: જો કેલ્શિયમ હાજર હોય, તો તેને નીચેની રીતે દૂર કરી શકાય છે:
  • ફિલ્ટ્રેશન: પીગળેલા સોડિયમને આશરે 120 °C સુધી ઠંડું કરવાથી કેલ્શિયમ અવક્ષેપિત થાય છે, જેને પછી ફિલ્ટર કરીને દૂર કરી શકાય છે.
  • અપૂર્ણાંક સ્ફટિકીકરણ: વૈકલ્પિક રીતે, કેલ્શિયમ ધરાવતા પીગળેલા સોડિયમને ધીમે ધીમે ઠંડુ થવા દેવામાં આવે છે. સોડિયમ પહેલા સ્ફટિકીકૃત થાય છે, બાકીના પ્રવાહીમાં કેલ્શિયમ ઓગળેલું રહે છે, જેને પછી અલગ કરી શકાય છે.

શુદ્ધ સોડિયમને પછી હવા અથવા ભેજ સાથેની પ્રતિક્રિયા અટકાવવા માટે નિષ્ક્રિય વાતાવરણ અથવા મિનરલ ઓઇલ હેઠળ બ્લોક્સમાં ઢાળવામાં આવે છે અથવા ડ્રમ્સમાં ભરવામાં આવે છે.