ॲल्युमिनियम (Al) चे धातुकाम आणि निष्कर्षण

नैसर्गिकरित्या आढळणे आणि प्रमुख धातूके

ॲल्युमिनियम पृथ्वीच्या कवचातील सर्वात जास्त प्रमाणात आढळणारा धातू आणि तिसरा सर्वात मुबलक घटक आहे. त्याच्या उच्च अभिक्रियाशीलतेमुळे तो त्याच्या मुक्त धातू अवस्थेत आढळत नाही.

ॲल्युमिनियमची प्राथमिक धातूके

1. बॉक्साईट: औद्योगिक निष्कर्षणसाठी सर्वात महत्त्वाचे धातूक. हे हायड्रेटेड ॲल्युमिनियम ऑक्साईड आहे.
   • रासायनिक सूत्र: Al₂O₃·2H₂O (अनेकदा Al₂O₃·nH₂O असे दर्शविले जाते)
   • रचना: 50-70% Al₂O₃ तसेच लोह ऑक्साईड (Fe₂O₃), सिलिका (SiO₂) आणि टायटॅनियम डायऑक्साइड (TiO₂) सारख्या अशुद्धी असतात.
2. कुरुविंद (Corundum): निर्जल ॲल्युमिनियम ऑक्साईड.
   • रासायनिक सूत्र: Al₂O₃
3. क्रायोलाईट: सोडियम हेक्साफ्लोरोॲल्युमिनेट. निष्कर्षण प्रक्रियेमध्ये इलेक्ट्रोलाइट म्हणून वापरले जाते, स्वतः ॲल्युमिनियम धातूसाठी प्राथमिक धातूक म्हणून नाही.
   • रासायनिक सूत्र: Na₃AlF₆
4. फेल्डस्पार: पोटॅशियम ॲल्युमिनियम सिलिकेट.
   • रासायनिक सूत्र: KAlSi₃O₈

धातुकाचे सांद्रण (बॉक्साईट)

प्रमुख धातूक, बॉक्साईट, रासायनिक लीचिंग द्वारे, विशेषतः बायर प्रक्रियेद्वारे सांद्रित केले जाते. ही पद्धत मुख्यत्वे लोह ऑक्साईड, सिलिका आणि टायटॅनियम डायऑक्साइड सारख्या अशुद्धी काढून टाकून शुद्ध ॲल्युमिना (Al₂O₃) मिळवण्यासाठी कच्च्या बॉक्साईटचे शुद्धीकरण करते.

बायर प्रक्रियेची टप्पे

1. पचन (कॉस्टिक सोड्याने लीचिंग):

   • बारीक पूड केलेले बॉक्साईट धातूक सोडियम हायड्रॉक्साईड (NaOH) च्या सांद्रित द्रावणासह (45-50%) 150-200°C तापमानावर उच्च दाबाखाली (8-10 atm) गरम केले जाते.
   • ॲल्युमिनियम ऑक्साईड (ॲम्फोटेरिक असल्यामुळे) NaOH सोबत अभिक्रिया करून विद्राव्य सोडियम मेटा-ॲल्युमिनेट तयार करते, तर लोह ऑक्साईड (Fe₂O₃) सारख्या प्रमुख अशुद्धी अविद्राव्य राहतात. सिलिका (SiO₂) विद्राव्य सोडियम सिलिकेट (Na₂SiO₃) तयार करण्यासाठी अभिक्रिया करते परंतु नंतर अवक्षेपित केली जाऊ शकते किंवा परिस्थिती नियंत्रित करून व्यवस्थापित केली जाऊ शकते.
   • अभिक्रिया: Al₂O₃·2H₂O(s) + 2NaOH(aq) + H₂O(l) $\xrightarrow\{150-200^\circ C, \text\{high pressure\}\}$ 2NaAl(OH)₄ (सोडियम मेटा-ॲल्युमिनेट)
   • अविद्राव्य अशुद्धी (लाल चिखल, मुख्यत्वे Fe₂O₃) नंतर गाळून वेगळ्या केल्या जातात.

2. ॲल्युमिनियम हायड्रॉक्साईडचे अवक्षेपण:

   • सोडियम मेटा-ॲल्युमिनेटचे स्वच्छ द्रावण पाण्याने पातळ केले जाते आणि सुमारे 50-60°C पर्यंत थंड केले जाते.
   • नंतर त्यात नव्याने तयार केलेले ॲल्युमिनियम हायड्रॉक्साईड [Al(OH)₃] स्फटिक मिसळले जातात (सीडिंग). यामुळे सोडियम मेटा-ॲल्युमिनेटच्या जलविघटनास प्रोत्साहन मिळते आणि शुद्ध ॲल्युमिनियम हायड्रॉक्साईडचे अवक्षेपण होते.
   • अभिक्रिया: NaAl(OH)₄ $\xrightarrow\{\text\{dilution, cooling, seeding\}\}$ Al(OH)₃(s) + NaOH(aq)
   • NaOH पुन्हा तयार होते आणि प्रक्रियेमध्ये पुन्हा वापरले जाऊ शकते, ज्यामुळे ते किफायतशीर होते.

3. भाजणे (Calcination):

   • अवक्षेपित ॲल्युमिनियम हायड्रॉक्साईड गाळले जाते, धुतले जाते आणि सुकवले जाते.
   • नंतर ते 1000-1200°C तापमानावर तीव्रपणे गरम केले जाते (भाजले जाते) जेणेकरून शुद्ध, निर्जल ॲल्युमिना मिळते.
   • अभिक्रिया: 2Al(OH)₃(s) $\xrightarrow\{1000-1200^\circ C\}$ Al₂O₃(s) + 3H₂O(g)
   • हे शुद्ध ॲल्युमिना (Al₂O₃) नंतर विद्युत अपघटनात्मक क्षपणासाठी वापरले जाते.

कच्च्या धातूमध्ये क्षपण (हॉल-हेरॉल्ट प्रक्रिया)

ॲल्युमिनियम धातू शुद्ध ॲल्युमिनामधून हॉल-हेरॉल्ट विद्युत अपघटन प्रक्रियेद्वारे काढला जातो. ॲल्युमिनाचा वितळण्याचा बिंदू खूप जास्त असतो (2072°C), ज्यामुळे थेट विद्युत अपघटन अव्यवहार्य होते. म्हणून, ते वितळलेल्या इलेक्ट्रोलाइटमध्ये विरघळवले जाते.

तत्त्व

ॲल्युमिना वितळलेल्या क्रायोलाईटमध्ये (Na₃AlF₆) विरघळवले जाते, जे मिश्रणाचा वितळण्याचा बिंदू लक्षणीयरीत्या कमी करून सुमारे 950-1000°C पर्यंत आणते आणि त्याची विद्युत चालकता वाढवते. वितळण्याचा बिंदू आणखी कमी करण्यासाठी आणि चालकता सुधारण्यासाठी फ्लोर्सपार (CaF₂) देखील मिसळले जाते.

विद्युत अपघटन सेलची मांडणी

• भांडे: कार्बन (ग्रॅफाइट) ने अस्तरित केलेले एक मोठे स्टीलचे भांडे, जे कॅथोड म्हणून कार्य करते.
• ॲनोड्स: अनेक जाड ग्रॅफाइटच्या काठ्या वितळलेल्या इलेक्ट्रोलाइटमध्ये निलंबित केल्या जातात.
• इलेक्ट्रोलाइट: 2-10% शुद्ध ॲल्युमिना (Al₂O₃), 80-90% क्रायोलाईट (Na₃AlF₆) आणि 5-7% फ्लोर्सपार (CaF₂) असलेले वितळलेले मिश्रण. तापमान सुमारे 950-1000°C राखले जाते.
• उत्पादन: वितळलेले ॲल्युमिनियम, इलेक्ट्रोलाइटपेक्षा जास्त घनता असल्यामुळे, सेलच्या तळाशी जमा होते आणि वेळोवेळी बाहेर काढले जाते.

विद्युत रासायनिक अभिक्रिया

1. इलेक्ट्रोलाइटमधील आयनीकरण: वितळलेल्या क्रायोलाईटमध्ये, ॲल्युमिना आयनांमध्ये विघटित होते.
   • Al₂O₃ $\rightleftharpoons$ 2Al³⁺ + 3O²⁻
2. कॅथोडवर (कार्बन अस्तर):
   • ॲल्युमिनियम आयन (Al³⁺) ऋणभारित कॅथोडकडे जातात आणि इलेक्ट्रॉन मिळवून वितळलेल्या ॲल्युमिनियम धातूत रूपांतरित होतात.
   • अभिक्रिया: Al³⁺(melt) + 3e⁻ → Al(l)
3. ॲनोडवर (ग्रॅफाइटच्या काठ्या):
   • ऑक्साईड आयन (O²⁻) धनभारित ग्रॅफाइट ॲनोडकडे जातात आणि इलेक्ट्रॉन गमावून ऑक्सिजन वायू तयार करतात.
   • अभिक्रिया: 2O²⁻(melt) → O₂(g) + 4e⁻
   • तयार झालेला ऑक्सिजन वायू नंतर गरम ग्रॅफाइट ॲनोड्सशी अभिक्रिया करून कार्बन मोनोऑक्साइड (CO) आणि कार्बन डायऑक्साइड (CO₂) मध्ये त्यांचे ऑक्सिडीकरण करतो. याचा अर्थ ॲनोड्स सतत वापरले जातात आणि त्यांना नियमितपणे बदलणे आवश्यक आहे.
   • ॲनोड वापरण्याच्या अभिक्रिया:
     • C(s) + O₂(g) → CO₂(g)
     • 2C(s) + O₂(g) → 2CO(g)

एकूण अभिक्रिया

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

ऊर्जेची आवश्यकता

हॉल-हेरॉल्ट प्रक्रिया अत्यंत ऊर्जा-केंद्रित आहे, ज्यासाठी मोठ्या प्रमाणात विजेची आवश्यकता असते.

शुद्धीकरण (हूप प्रक्रिया)

हॉल-हेरॉल्ट प्रक्रियेतून मिळालेले ॲल्युमिनियम सुमारे 99.5% शुद्ध असते. 99.9% किंवा त्याहून अधिक शुद्धता असलेले ॲल्युमिनियम मिळवण्यासाठी हूपच्या विद्युत अपघटन शुद्धीकरण प्रक्रियेद्वारे पुढील शुद्धीकरण केले जाते.

तत्त्व

ही प्रक्रिया तीन भिन्न घनतेच्या वितळलेल्या पदार्थांच्या थरांसह एक विद्युत अपघटन सेल वापरते, ज्यात अशुद्ध ॲनोडपासून शुद्ध कॅथोडपर्यंत शुद्ध ॲल्युमिनियम निवडकपणे स्थानांतरित केले जाते.

हूप सेलची मांडणी

• कॅथोड (वरचा थर): शुद्ध वितळलेले ॲल्युमिनियम वरच्या बाजूला जमा होते. या थरात कार्बन इलेक्ट्रोड्स बुडवले जातात, जे कॅथोड म्हणून कार्य करते.
• इलेक्ट्रोलाइट (मध्यम थर): Al, Na आणि Ba च्या फ्लोराईड्सचे वितळलेले मिश्रण (उदा. AlF₃, Na₃AlF₆, BaF₂) वापरले जाते. या थराची घनता शुद्ध आणि अशुद्ध ॲल्युमिनियमच्या थरांच्या दरम्यान असते.
• ॲनोड (खालचा थर): तांब्याने मिश्रित (त्याची घनता आणि विद्युत चालकता वाढवण्यासाठी) अशुद्ध वितळलेले ॲल्युमिनियम, ॲनोड म्हणून कार्य करते. या थरात कार्बन इलेक्ट्रोड्स बुडवले जातात.
• बाजूच्या भिंती: सेलमध्ये उच्च तापमान सहन करू शकणारे आणि बाजूंनी विद्युत प्रवाह गळती रोखणारे दुर्दम्य अस्तर (उदा. कार्बन विटा) असते.

विद्युत रासायनिक अभिक्रिया

1. ॲनोडवर (खालचा थर):
   • खालच्या थरातील अशुद्ध ॲल्युमिनियम ऑक्सिडीकृत होते, इलेक्ट्रॉन गमावून Al³⁺ आयन तयार करते जे इलेक्ट्रोलाइट थरात जातात.
   • अभिक्रिया: Al(impure, l) → Al³⁺(electrolyte) + 3e⁻
   • जड अशुद्धी (जसे की तांबे, लोह, सिलिकॉन) खालच्या थरातच राहतात.
2. कॅथोडवर (वरचा थर):
   • इलेक्ट्रोलाइटमधील Al³⁺ आयन वरच्या थराकडे (कॅथोडकडे) जातात, इलेक्ट्रॉन मिळवतात आणि शुद्ध वितळलेल्या ॲल्युमिनियममध्ये क्षपित होतात.
   • अभिक्रिया: Al³⁺(electrolyte) + 3e⁻ → Al(pure, l)

परिणाम

विद्युत अपघटन जसजसे पुढे सरकते, तसतसे शुद्ध ॲल्युमिनियम हळूहळू वरच्या थरात जमा होते, तर अशुद्धी खालच्या ॲनोड थरातच राहतात. यामुळे अत्यंत उच्च शुद्धतेचे ॲल्युमिनियम मिळते.