कैल्शियम (Ca) का धातु-कर्म और औद्योगिक निष्कर्षण

प्राकृतिक उपलब्धता और प्रमुख अयस्क

कैल्शियम (Ca) पृथ्वी की पपड़ी में पाँचवाँ सबसे प्रचुर तत्व है, जो द्रव्यमान के अनुसार लगभग 3.6% है। एक क्षारीय मृदा धातु के रूप में इसकी उच्च अभिक्रियाशीलता के कारण, यह प्रकृति में कभी भी अपने मुक्त, मौलिक अवस्था में नहीं पाया जाता है। इसके बजाय, यह विभिन्न खनिजों के रूप में संयुक्त रूपों में व्यापक रूप से मौजूद होता है।

कैल्शियम के प्रमुख अयस्क:

• चूना पत्थर, संगमरमर, चाक: ये कैल्शियम कार्बोनेट ($\text\{CaCO\}_3$) के विभिन्न रूप हैं। चूना पत्थर एक अवसादी चट्टान है, संगमरमर चूना पत्थर से बनी एक कायांतरित चट्टान है, और चाक सूक्ष्म समुद्री जीवों के खोलों से बनी एक नरम, छिद्रपूर्ण अवसादी चट्टान है।
• जिप्सम: हाइड्रेटेड कैल्शियम सल्फेट ($\text\{CaSO\}_4 \cdot 2\text\{H\}_2\text\{O\}$)। प्लास्टर ऑफ पेरिस और ड्राईवॉल में उपयोग किया जाता है।
• फ्लुओर्स्पार (फ्लोराइट): कैल्शियम फ्लोराइड ($\text\{CaF\}_2$)। फ्लोरीन का एक महत्वपूर्ण स्रोत।
• एपेटाइट: फॉस्फेट खनिजों का एक समूह, मुख्य रूप से कैल्शियम फ्लोरो-फॉस्फेट ($\text\{Ca\}_5(\text\{PO\}_4)_3\text\{F\}$) या कैल्शियम क्लोरो-फॉस्फेट ($\text\{Ca\}_5(\text\{PO\}_4)_3\text\{Cl\}$)। फास्फोरस का एक प्राथमिक स्रोत।
• डोलोमाइट: कैल्शियम और मैग्नीशियम का एक दोहरा कार्बोनेट ($\text\{CaCO\}_3 \cdot \text\{MgCO\}_3$)।

अयस्क का सांद्रण

मौलिक कैल्शियम के औद्योगिक निष्कर्षण के लिए, सबसे आम शुरुआती सामग्री कैल्शियम कार्बोनेट है, जो आमतौर पर चूना पत्थर से प्राप्त होता है। चूंकि चूना पत्थर के भंडार अक्सर अपेक्षाकृत शुद्ध होते हैं, इसलिए सल्फाइड अयस्कों के लिए आवश्यक व्यापक सांद्रण चरणों की आमतौर पर आवश्यकता नहीं होती है।

अयस्क सांद्रण/तैयारी की प्राथमिक विधियाँ:

• कुचलना और पीसना: उत्खनित चूना पत्थर को पहले कुचला और पीसा जाता है ताकि इसे बाद की प्रसंस्करण के लिए उपयुक्त कण आकार में कम किया जा सके।
• धुलाई: कुछ मामलों में, यदि अयस्क दूषित है तो चिपकी हुई मिट्टी की अशुद्धियों (गैंग) को हटाने के लिए पानी से साधारण धुलाई का उपयोग किया जा सकता है।
• निस्तापन (कैल्सीनेशन): यद्यपि यह सख्ती से एक सांद्रण विधि नहीं है, कैल्शियम निष्कर्षण के लिए एक उपयुक्त यौगिक तैयार करने में निस्तापन एक महत्वपूर्ण प्रारंभिक कदम है। चूना पत्थर ($\text\{CaCO\}_3$) को कैल्शियम ऑक्साइड (कली चूना) और कार्बन डाइऑक्साइड में विघटित करने के लिए प्रबल रूप से गर्म किया जाता है (आमतौर पर $900-1000^\circ\text\{C\}$): $\text\{CaCO\}_3 (\text\{s\}) \xrightarrow\{\text\{Heat\}\} \text\{CaO\} (\text\{s\}) + \text\{CO\}_2 (\text\{g\})$ कैल्शियम ऑक्साइड को फिर हाइड्रोक्लोरिक अम्ल के साथ अभिक्रिया द्वारा कैल्शियम क्लोराइड ($\text\{CaCl\}_2$) में परिवर्तित किया जाता है: $\text\{CaO\} (\text\{s\}) + 2\text\{HCl\} (\text\{aq\}) \rightarrow \text\{CaCl\}_2 (\text\{aq\}) + \text\{H\}_2\text\{O\} (\text\{l\})$ परिणामी $\text\{CaCl\}_2$ विलयन को फिर ठोस, निर्जल कैल्शियम क्लोराइड प्राप्त करने के लिए वाष्पित किया जाता है, जो अपचयन के लिए इलेक्ट्रोलाइट होता है।

कच्चे धातु में अपचयन

कैल्शियम एक अत्यधिक विद्युतधनात्मक धातु है, जो रासायनिक अपचयन विधियों (जैसे, कार्बन अपचयन) को अव्यावहारिक बनाता है, क्योंकि कैल्शियम कार्बाइड ($\text\{CaC\}_2$) आसानी से बन जाएगा, या कैल्शियम स्वयं बहुत अभिक्रियाशील है। इसलिए, कैल्शियम का औद्योगिक निष्कर्षण विशेष रूप से विद्युत अपघटनी अपचयन पर निर्भर करता है।

गलित कैल्शियम क्लोराइड का विद्युत अपघटनी अपचयन:

• सिद्धांत: गलित कैल्शियम क्लोराइड का विद्युत अपघटन कैथोड पर कैल्शियम धातु के जमाव की ओर ले जाता है।
• विद्युत अपघटनी सेल: एक विद्युत अपघटनी सेल का उपयोग किया जाता है, जिसमें आमतौर पर एक ग्रेफाइट एनोड और एक लोहा या तांबे का कैथोड होता है।
• विद्युत अपघट्य: विद्युत अपघट्य गलित निर्जल कैल्शियम क्लोराइड ($\text\{CaCl\}_2$) है। $\text\{CaCl\}_2$ के गलनांक (जो $772^\circ\text\{C\}$ है) को कम करने और चालकता में सुधार के लिए, कैल्शियम फ्लोराइड ($\text\{CaF\}_2$) अक्सर मिलाया जाता है। यह मिश्रण आमतौर पर $700^\circ\text\{C\}$ के आसपास पिघलता है।
• अभिक्रियाएँ:
  • कैथोड पर (ऋणात्मक इलेक्ट्रोड, लोहा/तांबा): $\text\{Ca\}^\{2+\} + 2\text\{e\}^- \rightarrow \text\{Ca\}$ (गलित कैल्शियम बनता है)
  • एनोड पर (धनात्मक इलेक्ट्रोड, ग्रेफाइट): $2\text\{Cl\}^- \rightarrow \text\{Cl\}_2 + 2\text\{e\}^-$ (क्लोरीन गैस निकलती है)
• प्रक्रिया संचालन: कैथोड को एक ठंडी लोहे की छड़ के रूप में डिज़ाइन किया गया है जो धीरे-धीरे गलित विद्युत अपघट्य में उतरती है। चूंकि गलित कैल्शियम विद्युत अपघट्य से सघन होता है, यह कैथोड के चारों ओर जमा हो जाता है। कैथोड को धीरे-धीरे ऊपर उठाया जाता है ताकि जमा हुआ कैल्शियम जम जाए और एक “कैल्शियम स्टिक” या “कैल्शियम पिंड” बन जाए, जिसे लगातार बाहर निकाला जाता है। यह विधि सुनिश्चित करती है कि गलित कैल्शियम धातु विद्युत अपघट्य में पुनर्घुलित न हो या हवा के साथ अभिक्रिया न करे।

शोधन और शुद्धिकरण

विद्युत अपघटनी प्रक्रिया से प्राप्त कच्चे कैल्शियम में मैग्नीशियम, एल्यूमीनियम और अवशिष्ट क्लोराइड जैसी छोटी मात्रा में अशुद्धियाँ हो सकती हैं। उच्च-शुद्धता वाले अनुप्रयोगों के लिए, आगे शोधन आवश्यक है।

सामान्य शोधन विधियाँ:

• आसवन: यह कच्चे कैल्शियम को शुद्ध करने की सबसे आम विधि है। कैल्शियम का क्वथनांक ($1484^\circ\text\{C\}$) कई सामान्य अशुद्धियों जैसे लोहा और कुछ अन्य धातुओं की तुलना में अपेक्षाकृत कम होता है।
  • कच्चे कैल्शियम को उसके क्वथनांक से अधिक तापमान पर निर्वात में गर्म किया जाता है।
  • कैल्शियम वाष्पित हो जाता है और फिर उपकरण के एक ठंडे हिस्से में संघनित हो जाता है, जिससे अवाष्पशील अशुद्धियाँ पीछे छूट जाती हैं।
  • वाष्पशील अशुद्धियों (जैसे, यदि मौजूद हो तो मैग्नीशियम) को क्वथनांक में अंतर के कारण प्रभाजी आसवन द्वारा अलग किया जा सकता है।
• ज़ोन शोधन: विशेष अनुप्रयोगों (जैसे, अर्धचालक) में आवश्यक अत्यंत उच्च-शुद्धता वाले कैल्शियम के लिए, ज़ोन शोधन का उपयोग किया जा सकता है।
  • कच्चे कैल्शियम की एक छड़ में एक संकीर्ण गलित क्षेत्र बनाया जाता है और धीरे-धीरे उसकी लंबाई के साथ ले जाया जाता है।
  • अशुद्धियाँ गलित चरण में बनी रहती हैं और छड़ के एक सिरे तक ले जाई जाती हैं, जबकि शुद्ध कैल्शियम गतिमान क्षेत्र के पीछे जम जाता है।
  • कई बार दोहराने से बहुत उच्च शुद्धता वाली धातु प्राप्त होती है। यह विधि आमतौर पर अधिक महंगी होती है और इसका उपयोग प्रयोगशाला-स्तर के शोधन या उच्च-मूल्य वाली सामग्रियों के लिए किया जाता है।