सोडियमचे (Na) धातूकामशास्त्र आणि औद्योगिक निष्कर्षण

नैसर्गिकरित्या आढळणे आणि प्रमुख खनिजे

सोडियम हा अत्यंत क्रियाशील अल्कली धातू आहे आणि त्यामुळे तो निसर्गात त्याच्या मुक्त, मूलद्रव्य स्वरूपात कधीही आढळत नाही. तो नेहमी विविध खनिजांमध्ये आणि समुद्राच्या पाण्यात विरघळलेल्या अवस्थेत आढळतो.

सोडियम क्लोराईड (सामान्य मीठ किंवा हॅलाइट): NaCl (खडक मिठाच्या साठ्यांमध्ये आणि समुद्राच्या पाण्यात विरघळलेल्या अवस्थेत आढळते). औद्योगिक निष्कर्षणसाठी हा प्राथमिक स्रोत आहे.
सोडियम कार्बोनेट (धुण्याचा सोडा किंवा ट्रोना): Na₂CO₃·10H₂O (धुण्याचा सोडा) किंवा Na₂CO₃·NaHCO₃·2H₂O (ट्रोना).
सोडियम नायट्रेट (चिली साल्टपीटर): NaNO₃.
सोडियम सल्फेट (ग्लॉबरचे मीठ): Na₂SO₄·10H₂O.
बोरेक्स: Na₂B₄O₇·10H₂O.
क्रायोलाइट: Na₃AlF₆.

खनिजाचे संहतीकरण

सोडियमच्या औद्योगिक निष्कर्षणसाठी, सोडियम क्लोराईड (NaCl) हे प्रमुख खनिज आहे. संहतीकरणाच्या पद्धती स्रोतानुसार बदलतात:

समुद्राच्या पाण्यातून: समुद्राच्या पाण्यात अंदाजे 2.7% NaCl वजनाने असते. सौर बाष्पीभवनाद्वारे (solar evaporation) संहतीकरण केले जाते, ज्यामुळे अशुद्ध मिठाचे स्फटिकीकरण होते.
खडक मिठाच्या साठ्यांमधून: खडक मीठ हे NaCl चे एक खनिज रूप आहे जे थेट भूगर्भातील साठ्यांमधून काढले जाते. ते अनेकदा आधीच बरेच शुद्ध असते, त्यामुळे निष्कर्षण प्रक्रियेत वापरण्यापूर्वी कमीतकमी किंवा कोणतेही पुढील संहतीकरण टप्पे आवश्यक नसतात.
अशुद्ध मिठाचे शुद्धीकरण: समुद्राच्या पाण्यातून किंवा खाणकामातून मिळवलेल्या अशुद्ध मीठामध्ये MgCl₂ आणि CaCl₂ सारख्या अशुद्धी असू शकतात. या अत्यंत आर्द्रताशोषक (hygroscopic) असल्याने मीठ द्रवीभवनशील (deliquescent) बनते. अशुद्ध मिठाला किमान पाण्यात विरघळवून, न विरघळणाऱ्या अशुद्धी काढण्यासाठी गाळून आणि नंतर संपृक्त द्रावणातून HCl वायू प्रवाहित करून शुद्धीकरण केले जाऊ शकते. यामुळे सामान्य आयन प्रभावामुळे (common ion effect) शुद्ध NaCl चे अवक्षेपण होते, कारण NaCl हे MgCl₂ आणि CaCl₂ पेक्षा कमी विद्राव्य आहे.

अशुद्ध धातूमध्ये क्षपण

त्याच्या अत्यंत उच्च विद्युत धनता (electropositivity) आणि तीव्र क्षपणकारी (reducing) स्वभावामुळे, सोडियम रासायनिक क्षपण पद्धतींनी (उदा. कार्बन वापरून) काढता येत नाही. ते पाण्यासोबत खूप क्रियाशील असल्यामुळे जलीय विद्युत अपघटन (aqueous electrolysis) अव्यवहार्य आहे. औद्योगिक निष्कर्षण केवळ वितळलेल्या सोडियम क्लोराईडच्या विद्युत अपघटनद्वारे केले जाते.

डाउन्स प्रक्रिया

डाउन्स प्रक्रिया ही सोडियम धातूच्या उत्पादनासाठी सर्वात सामान्य औद्योगिक पद्धत आहे.

तत्त्व:

वितळलेल्या NaCl चे, अनेकदा इतर क्षारांसह (salts) मिश्रण करून (जेणेकरून वितलन बिंदू कमी होईल), विद्युत अपघटन केल्याने कॅथोडवर सोडियम धातू आणि ॲनोडवर क्लोरीन वायू तयार होतो.

डाउन्स सेलचे वर्णन:

डाउन्स सेल हा एक गोलाकार सेल असून त्यात खालील घटक असतात:

ग्रॅफाइट ॲनोड: मध्यभागी स्थित.
लोखंडी कॅथोड: दंडगोलाकार असून ॲनोडला वेढलेले असते.
स्टील गॉझ डायफ्राम (पडदा): एक वायर गॉझ पडदा ॲनोड आणि कॅथोड कप्प्यांना वेगळे करतो. हा पडदा वितळलेल्या सोडियम (कॅथोडवर तयार होतो) आणि क्लोरीन वायू (ॲनोडवर तयार होतो) यांच्या पुनर्संयोगास प्रतिबंध करतो, कारण ते स्फोटकपणे अभिक्रिया करतील.
बाह्य आवरण: अग्निरोधक अस्तराचे (refractory-lined) स्टीलचे भांडे.

विद्युत अपघटनी:

विद्युत अपघटनी हे NaCl, CaCl₂, आणि/किंवा BaCl₂ यांच्या मिश्रणाने बनलेले असते.
शुद्ध NaCl चा वितलन बिंदू खूप उच्च असतो (801 °C). ऊर्जा खर्च कमी करण्यासाठी आणि सोडियमचे बाष्पीभवन (volatilization) कमी करण्यासाठी, यूटेक्टिक मिश्रण (eutectic mixture) वापरले जाते.
संयोजन: अंदाजे 42% NaCl आणि 58% CaCl₂. कधीकधी BaCl₂ देखील मिसळले जाते.
मिश्रणाचा वितलन बिंदू: मिश्रण खूप कमी तापमानावर वितळते, साधारणपणे 580-600 °C.
CaCl₂/BaCl₂ चे कार्य:
- विद्युत अपघटनीचा वितलन बिंदू कमी करते, ज्यामुळे ऊर्जा बचत होते.
- वितळलेल्या अवस्थेतील विद्युत वाहकता वाढवते.
- NaCl पेक्षा जास्त अपघटन क्षमता (decomposition potential) असते, ज्यामुळे कार्यशील परिस्थितीत कॅथोडवर केवळ Na⁺ आयनचे क्षपण होते, Ca²⁺ किंवा Ba²⁺ चे नाही (जरी परिस्थिती काळजीपूर्वक नियंत्रित न केल्यास काही Ca धातू सह-जमा होऊ शकतो, तो वितळलेल्या सोडियममध्ये विरघळलेला राहतो आणि शुद्धीकरणादरम्यान काढून टाकला जातो).

डाउन्स सेलमध्ये होणाऱ्या अभिक्रिया:

वितळलेल्या मिश्रणात Na⁺, Ca²⁺, आणि Cl⁻ आयन असतात.

कॅथोडवर (लोखंड, ऋण इलेक्ट्रोड): Na⁺ (वितळलेले) + e⁻ → Na (l) (सोडियम आयनांचे वितळलेल्या सोडियम धातूमध्ये क्षपण)
ॲनोडवर (ग्रॅफाइट, धन इलेक्ट्रोड): 2Cl⁻ (वितळलेले) → Cl₂ (g) + 2e⁻ (क्लोराईड आयनांचे क्लोरीन वायूमध्ये ऑक्सिडीकरण)

उत्पादनाचे संकलन:

वितळलेले सोडियम: विद्युत अपघटनीपेक्षा कमी घनतेमुळे, वितळलेले सोडियम कॅथोड कप्प्यातील विद्युत अपघटनीच्या पृष्ठभागावर तरंगते. ते एका उलथलेल्या संग्राहक पाईपमध्ये सतत जमा केले जाते, जो वितळलेल्या सोडियममध्ये बुडवलेला असतो आणि सायफनद्वारे बाहेर काढला जातो.
क्लोरीन वायू: क्लोरीन वायू, हवेपेक्षा जास्त घन असल्यामुळे, ॲनोडवरील उलथलेल्या घुमटातून (inverted dome) गोळा केला जातो आणि पुढील औद्योगिक वापरासाठी नेला जातो.

प्रमुख अटी आणि विचार:

तापमान: 580-600 °C (शुद्ध सोडियमच्या वितलन बिंदूपेक्षा 98 °C कमी, परंतु विद्युत अपघटनीच्या वितलन बिंदूपेक्षा जास्त).
विद्युतदाब: अंदाजे 6-7 व्होल्ट.
डायफ्राम (पडदा): Na आणि Cl₂ यांच्या पुनर्संयोगास प्रतिबंध करण्यासाठी आवश्यक.

शुद्धीकरण आणि शुद्धीकरण

डाउन्स प्रक्रियेतून मिळवलेले सोडियम धातू सामान्यतः खूप शुद्ध असते (सुमारे 99.5%). मुख्य अशुद्धी, जर असेल तर, सहसा विरघळलेले कॅल्शियम असते, जे कार्यशील तापमान खूप जास्त असल्यास तयार होऊ शकते, ज्यामुळे Ca²⁺ आयनांचे काही क्षपण होते.

कॅल्शियम काढून टाकणे: जर कॅल्शियम उपस्थित असेल, तर ते खालीलप्रमाणे काढले जाऊ शकते:
- गाळणे (Filtration): वितळलेले सोडियम अंदाजे 120 °C पर्यंत थंड केल्याने कॅल्शियम अवक्षेपित (precipitate) होते, जे नंतर गाळून काढले जाऊ शकते.
- अंशतः स्फटिकीकरण (Fractional Crystallization): वैकल्पिकरित्या, कॅल्शियम असलेले वितळलेले सोडियम हळूहळू थंड होऊ दिले जाते. सोडियम प्रथम स्फटिकीकरण होते, ज्यामुळे कॅल्शियम उर्वरित द्रवात विरघळलेले राहते, जे नंतर वेगळे केले जाऊ शकते.

शुद्ध केलेले सोडियम नंतर इनर्ट वातावरणात (inert atmosphere) किंवा खनिज तेलाखाली (mineral oil) ब्लॉक्समध्ये टाकले जाते किंवा ड्रममध्ये भरले जाते जेणेकरून हवा किंवा आर्द्रतेसोबतची अभिक्रिया टाळता येईल.