कॅल्शियमचे (Ca) धातूशास्त्र आणि औद्योगिक निष्कर्षण

नैसर्गिक आढळ आणि प्रमुख धातूके

कॅल्शियम (Ca) हे पृथ्वीच्या कवचातील पाचवे सर्वाधिक प्रमाणात आढळणारे मूलद्रव्य आहे, जे अंदाजे वस्तुमानानुसार 3.6% आहे. अल्कधर्मी मृदा धातू म्हणून त्याची उच्च अभिक्रियाशीलता असल्यामुळे, ते निसर्गात कधीही त्याच्या मुक्त, मूलद्रव्य स्थितीत आढळत नाही. त्याऐवजी, ते विविध खनिजांच्या एकत्रित स्वरूपात मोठ्या प्रमाणात आढळते.

कॅल्शियमची प्रमुख धातूके:

• चुनखडी (Limestone), संगमरवर (Marble), खडू (Chalk): ही कॅल्शियम कार्बोनेट ($\text\{CaCO\}_3$) ची विविध रूपे आहेत. चुनखडी हा एक गाळाचा खडक आहे, संगमरवर चुनखडीपासून तयार झालेला रूपांतरित खडक आहे, आणि खडू हा सूक्ष्म सागरी जीवांच्या कवचांपासून बनलेला एक मऊ, सच्छिद्र गाळाचा खडक आहे.
• जिप्सम (Gypsum): जलयुक्त कॅल्शियम सल्फेट ($\text\{CaSO\}_4 \cdot 2\text\{H\}_2\text\{O\}$). प्लास्टर ऑफ पॅरिस आणि ड्रायवॉलमध्ये वापरले जाते.
• फ्लुओर्स्पर (Fluorspar) (फ्लुओराइट): कॅल्शियम फ्लुओराइड ($\text\{CaF\}_2$). फ्लुओरीनचा एक महत्त्वाचा स्रोत.
• अ‍ॅपॅटाइट (Apatite): फॉस्फेट खनिजांचा एक समूह, प्रामुख्याने कॅल्शियम फ्लुओरो-फॉस्फेट ($\text\{Ca\}_5(\text\{PO\}_4)_3\text\{F\}$) किंवा कॅल्शियम क्लोरो-फॉस्फेट ($\text\{Ca\}_5(\text\{PO\}_4)_3\text\{Cl\}$). फॉस्फरसचा एक प्राथमिक स्रोत.
• डोलोमाइट (Dolomite): कॅल्शियम आणि मॅग्नेशियमचे दुहेरी कार्बोनेट ($\text\{CaCO\}_3 \cdot \text\{MgCO\}_3$).

धातूकाचे सांद्रण

मूलभूत कॅल्शियमच्या औद्योगिक निष्कर्षणसाठी, सर्वात सामान्य सुरुवातीचे साहित्य कॅल्शियम कार्बोनेट आहे, जे सामान्यतः चुनखडीपासून मिळते. चुनखडीचे साठे अनेकदा तुलनेने शुद्ध असल्याने, सल्फाइड धातूकांसाठी आवश्यक असलेल्या विस्तृत सांद्रण पायऱ्यांची सहसा गरज नसते.

धातूकाचे सांद्रण/तयारीच्या प्राथमिक पद्धती:

• भंजन आणि दळणे (Crushing and Grinding): खाणीतून काढलेली चुनखडी पुढील प्रक्रियेसाठी योग्य कणांच्या आकारात कमी करण्यासाठी प्रथम भंजन आणि दळण्याच्या प्रक्रियेतून जाते.
• धुणे (Washing): काही प्रकरणांमध्ये, जर धातूक दूषित असेल तर चिकटलेली मातीची अशुद्धी (गँग) काढण्यासाठी पाण्याने साधे धुणे वापरले जाऊ शकते.
• भाजणे (Calcination): जरी ही काटेकोरपणे सांद्रण पद्धत नसली तरी, कॅल्शियम निष्कर्षणसाठी योग्य संयुग तयार करण्यामधील भाजणे ही एक महत्त्वाची प्रारंभिक पायरी आहे. चुनखडी ($\text\{CaCO\}_3$) ला तीव्रतेने गरम केले जाते (सामान्यतः $900-1000^\circ\text\{C\}$), ज्यामुळे तिचे कॅल्शियम ऑक्साईड (कळीचा चुना) आणि कार्बन डायऑक्साइडमध्ये विघटन होते: $\text\{CaCO\}_3 (\text\{s\}) \xrightarrow\{\text\{Heat\}\} \text\{CaO\} (\text\{s\}) + \text\{CO\}_2 (\text\{g\})$ कॅल्शियम ऑक्साईड नंतर हायड्रोक्लोरिक आम्लासोबत अभिक्रिया करून कॅल्शियम क्लोराईड ($\text\{CaCl\}_2$) मध्ये रूपांतरित केले जाते: $\text\{CaO\} (\text\{s\}) + 2\text\{HCl\} (\text\{aq\}) \rightarrow \text\{CaCl\}_2 (\text\{aq\}) + \text\{H\}_2\text\{O\} (\text\{l\})$ परिणामी तयार झालेले $\text\{CaCl\}_2$ द्रावण नंतर बाष्पीकरण करून घन, निर्जल कॅल्शियम क्लोराईड मिळवले जाते, जे अपचयासाठी (reduction) इलेक्ट्रोलाइट असते.

कच्च्या धातूत अपचयन

कॅल्शियम हा अत्यंत विद्युतधनात्मक (electropositive) धातू आहे, ज्यामुळे रासायनिक अपचयन पद्धती (उदा. कार्बन अपचयन) अव्यवहार्य ठरतात, कारण कॅल्शियम कार्बाइड ($\text\{CaC\}_2$) सहज तयार होईल, किंवा कॅल्शियम स्वतःच खूप अभिक्रियाशील आहे. त्यामुळे, कॅल्शियमचे औद्योगिक निष्कर्षण केवळ विद्युत अपचयनावर अवलंबून असते.

वितळलेल्या कॅल्शियम क्लोराईडचे विद्युत अपचयन:

• तत्त्व (Principle): वितळलेल्या कॅल्शियम क्लोराईडच्या विद्युत् विघटनामुळे कॅथोडवर कॅल्शियम धातू जमा होतो.
• विद्युत् अपघटनी घट (Electrolytic Cell): एक विद्युत् अपघटनी घट वापरला जातो, ज्यात सामान्यतः ग्रॅफाइट ॲनोड आणि लोह किंवा तांब्याचा कॅथोड असतो.
• विद्युत् अपघट्य (Electrolyte): विद्युत् अपघट्य हे वितळलेले निर्जल कॅल्शियम क्लोराईड ($\text\{CaCl\}_2$) असते. $\text\{CaCl\}_2$ चा वितळणबिंदू (जो $772^\circ\text\{C\}$ आहे) कमी करण्यासाठी आणि वाहकता सुधारण्यासाठी, कॅल्शियम फ्लुओराइड ($\text\{CaF\}_2$) अनेकदा मिसळले जाते. हे मिश्रण साधारणतः $700^\circ\text\{C\}$ तापमानावर वितळते.
• अभिक्रिया (Reactions):
  • कॅथोडवर (ऋण इलेक्ट्रोड, लोह/तांबे): $\text\{Ca\}^\{2+\} + 2\text\{e\}^- \rightarrow \text\{Ca\}$ (वितळलेले कॅल्शियम तयार होते)
  • ॲनोडवर (धन इलेक्ट्रोड, ग्रॅफाइट): $2\text\{Cl\}^- \rightarrow \text\{Cl\}_2 + 2\text\{e\}^-$ (क्लोरीन वायू बाहेर पडतो)
• प्रक्रिया कार्यपद्धती (Process Operation): कॅथोड थंड केलेल्या लोखंडी सळीच्या स्वरूपात तयार केलेला असतो, जो वितळलेल्या विद्युत् अपघट्यामध्ये हळूहळू खाली उतरवला जातो. वितळलेले कॅल्शियम विद्युत् अपघट्यापेक्षा जास्त घन असल्यामुळे, ते कॅथोडभोवती जमा होते. कॅथोड हळूहळू वर उचलला जातो जेणेकरून जमा झालेले कॅल्शियम घट्ट होऊन “कॅल्शियम स्टिक” किंवा “कॅल्शियम इंगाट” तयार होते, जे सतत बाहेर काढले जाते. ही पद्धत सुनिश्चित करते की वितळलेले कॅल्शियम धातू विद्युत् अपघट्यामध्ये पुन्हा विरघळत नाही किंवा हवेसोबत अभिक्रिया करत नाही.

शुद्धीकरण आणि विरलीकरण

विद्युत् अपघटनी प्रक्रियेतून मिळवलेल्या कच्च्या कॅल्शियममध्ये मॅग्नेशियम, ॲल्युमिनियम आणि अवशिष्ट क्लोराईड्ससारख्या थोड्या प्रमाणात अशुद्धी असू शकतात. उच्च शुद्धतेच्या उपयोगांसाठी, पुढील शुद्धीकरण आवश्यक आहे.

सामान्य शुद्धीकरण पद्धती:

• ऊर्ध्वपातन (Distillation): कच्चे कॅल्शियम शुद्ध करण्यासाठी ही सर्वात सामान्य पद्धत आहे. लोह आणि इतर काही धातूंसारख्या अनेक सामान्य अशुद्धींच्या तुलनेत कॅल्शियमचा उत्कलनांक ($1484^\circ\text\{C\}$) तुलनेने कमी असतो.
  • कच्चे कॅल्शियम त्याच्या उत्कलनांकापेक्षा जास्त तापमानावर निर्वात स्थितीत गरम केले जाते.
  • कॅल्शियमचे बाष्पीभवन होते आणि नंतर ते उपकरणाच्या थंड भागात संघनित होते, ज्यामुळे अस्थिर अशुद्धी मागे राहतात.
  • बाष्पीभवन होणाऱ्या अशुद्धी (उदा. मॅग्नेशियम, जर उपस्थित असेल) उत्कलनांकामधील फरकांमुळे आंशिक ऊर्ध्वपातनाने वेगळ्या केल्या जाऊ शकतात.
• झोन शुद्धीकरण (Zone Refining): विशेष उपयोगांसाठी (उदा. अर्धसंवाहक) आवश्यक असलेल्या अत्यंत उच्च-शुद्धतेच्या कॅल्शियमसाठी, झोन शुद्धीकरण वापरले जाऊ शकते.
  • कच्च्या कॅल्शियमच्या पट्टीमध्ये एक अरुंद वितळलेला झोन तयार केला जातो आणि तो हळूहळू तिच्या लांबीनुसार सरकवला जातो.
  • अशुद्धी वितळलेल्या अवस्थेत राहतात आणि पट्टीच्या एका टोकाकडे वाहून नेल्या जातात, तर शुद्ध कॅल्शियम सरकत्या झोनच्या मागे घट्ट होते.
  • अनेक वेळा ही प्रक्रिया केल्याने अत्यंत उच्च शुद्धतेचा धातू मिळतो. ही पद्धत सामान्यतः अधिक महाग असते आणि प्रयोगशाळा-स्तरीय शुद्धीकरण किंवा उच्च-मूल्याच्या सामग्रीसाठी वापरली जाते.