அலுமினியத்தின் (Al) உலோகவியல் மற்றும் பிரித்தெடுத்தல்

இயற்கைத் தோற்றமும் முக்கியத் தாதுக்களும்

அலுமினியம் மிக அதிகமாகக் கிடைக்கும் உலோகம் மற்றும் புவி மேலோட்டில் மூன்றாவது மிக அதிகமாகக் கிடைக்கும் தனிமம் ஆகும். அதன் அதிக வினைத்திறன் காரணமாக, இது தனித்த உலோக நிலையில் காணப்படுவதில்லை.

அலுமினியத்தின் முதன்மைத் தாதுக்கள்

1. பாக்சைட்: தொழில்துறை பிரித்தெடுத்தலுக்கு மிக முக்கியமான தாது. இது ஒரு நீரேறிய அலுமினிய ஆக்சைடு.
   • வேதி வாய்ப்பாடு: Al₂O₃·2H₂O (அடிக்கடி Al₂O₃·nH₂O எனக் குறிப்பிடப்படுகிறது)
   • கலவை: 50-70% Al₂O₃ உடன் இரும்பு ஆக்சைடுகள் (Fe₂O₃), சிலிக்கா (SiO₂), மற்றும் டைட்டானியம் டை ஆக்சைடு (TiO₂) போன்ற மாசுகளையும் கொண்டுள்ளது.
2. கோரண்டம்: நீரற்ற அலுமினிய ஆக்சைடு.
   • வேதி வாய்ப்பாடு: Al₂O₃
3. கிரையோலைட்: சோடியம் ஹெக்ஸாபுளோரோ அலுமினேட். இது பிரித்தெடுத்தல் செயல்பாட்டில் மின்பகுளியாகப் பயன்படுத்தப்படுகிறது, ஆனால் அலுமினிய உலோகத்திற்கான முதன்மைத் தாதுவாக அல்ல.
   • வேதி வாய்ப்பாடு: Na₃AlF₆
4. பெல்ட்ஸ்பார்: பொட்டாசியம் அலுமினியம் சிலிக்கேட்.
   • வேதி வாய்ப்பாடு: KAlSi₃O₈

தாதுவை அடர்ப்பித்தல் (பாக்சைட்)

முக்கியத் தாதுவான பாக்சைட், வேதியியல் கழுவுதல், குறிப்பாக பேயர் முறை மூலம் அடர்ப்பிக்கப்படுகிறது. இந்த முறை கச்சா பாக்சைட்டிலிருந்து இரும்பு ஆக்சைடுகள், சிலிக்கா மற்றும் டைட்டானியம் டை ஆக்சைடு போன்ற மாசுகளை நீக்கி, தூய அலுமினா (Al₂O₃) பெற உதவுகிறது.

பேயர் முறையின் படிகள்

1. சமைத்தல் (காஸ்டிக் சோடாவுடன் கழுவுதல்):

   • நன்கு பொடியாக்கப்பட்ட பாக்சைட் தாது, செறிவூட்டப்பட்ட சோடியம் ஹைட்ராக்சைடு (NaOH) கரைசலுடன் (45-50%) 150-200°C வெப்பநிலையில் அதிக அழுத்தத்தில் (8-10 atm) சூடுபடுத்தப்படுகிறது.
   • அலுமினிய ஆக்சைடு (இருபண்பு ஆக்சைடு என்பதால்) NaOH உடன் வினைபுரிந்து கரையக்கூடிய சோடியம் மெட்டா-அலுமினேட்டை உருவாக்குகிறது, அதேசமயம் இரும்பு ஆக்சைடுகள் (Fe₂O₃) போன்ற முக்கிய மாசுகள் கரையாத நிலையில் இருக்கும். சிலிக்கா (SiO₂) வினைபுரிந்து கரையக்கூடிய சோடியம் சிலிக்கேட்டை (Na₂SiO₃) உருவாக்குகிறது, ஆனால் பின்னர் வீழ்படிவாக்கப்படலாம் அல்லது நிலைமைகளைக் கட்டுப்படுத்துவதன் மூலம் கையாளலாம்.
   • வினை: Al₂O₃·2H₂O(s) + 2NaOH(aq) + H₂O(l) (\xrightarrow{150-200^\circ C, \text{high pressure}}\) 2NaAl(OH)₄ (சோடியம் மெட்டா-அலுமினேட்)
   • கரையாத மாசுகள் (சிவப்பு மண், முக்கியமாக Fe₂O₃) பின்னர் வடிகட்டப்படுகின்றன.

2. அலுமினியம் ஹைட்ராக்சைட்டை வீழ்படிவாக்கல்:

   • சோடியம் மெட்டா-அலுமினேட்டின் தெளிவான கரைசல் நீருடன் நீர்த்துப் போகச் செய்யப்பட்டு சுமார் 50-60°C வரை குளிர்விக்கப்படுகிறது.
   • பின்னர், புதிதாகத் தயாரிக்கப்பட்ட அலுமினியம் ஹைட்ராக்சைடு [Al(OH)₃] படிகங்களைக் கொண்டு விதைக்கப்படுகிறது. இது சோடியம் மெட்டா-அலுமினேட்டின் நீராற்பகுப்பைத் தூண்டி, தூய அலுமினியம் ஹைட்ராக்சைட்டை வீழ்படிவாக்குகிறது.
   • வினை: NaAl(OH)₄ (\xrightarrow{\text{dilution, cooling, seeding}}\) Al(OH)₃(s) + NaOH(aq)
   • NaOH மீண்டும் உருவாக்கப்பட்டு, செயல்பாட்டில் மீண்டும் பயன்படுத்தப்படலாம், இது சிக்கனமானதாக அமைகிறது.

3. கால்சினைசேஷன்:

   • வீழ்படிவாக்கப்பட்ட அலுமினியம் ஹைட்ராக்சைடு வடிகட்டப்பட்டு, கழுவப்பட்டு, உலர்த்தப்படுகிறது.
   • பின்னர், இது 1000-1200°C வெப்பநிலையில் தீவிரமாகச் சூடுபடுத்தப்பட்டு (கால்சினைசேஷன் செய்யப்பட்டு) தூய, நீரற்ற அலுமினா பெறப்படுகிறது.
   • வினை: 2Al(OH)₃(s) (\xrightarrow{1000-1200^\circ C}\) Al₂O₃(s) + 3H₂O(g)
   • இந்தத் தூய அலுமினா (Al₂O₃) பின்னர் மின்னாற்பகுப்புக் குறைப்பிற்குப் பயன்படுத்தப்படுகிறது.

கச்சா உலோகமாகக் குறைத்தல் (ஹால்-ஹெரோல்ட் முறை)

அலுமினிய உலோகம் தூய அலுமினாவிலிருந்து ஹால்-ஹெரோல்ட் மின்னாற்பகுப்பு முறை மூலம் பிரித்தெடுக்கப்படுகிறது. அலுமினாவிற்கு மிக அதிக உருகுநிலை (2072°C) உள்ளதால், நேரடி மின்னாற்பகுப்பு சாத்தியமற்றது. எனவே, இது உருகிய மின்பகுளியில் கரைக்கப்படுகிறது.

கோட்பாடு

அலுமினா உருகிய கிரையோலைட்டில் (Na₃AlF₆) கரைக்கப்படுகிறது, இது கலவையின் உருகுநிலையை சுமார் 950-1000°C ஆகக் கணிசமாகக் குறைத்து அதன் மின் கடத்துத்திறனை அதிகரிக்கிறது. புளூயோஸ்பார் (CaF₂) கூட உருகுநிலையை மேலும் குறைத்து கடத்துத்திறனை மேம்படுத்துவதற்காக சேர்க்கப்படுகிறது.

மின்னாற்பகுப்பு கல அமைவு

• கலன்: கார்பன் (கிராஃபைட்) பூசப்பட்ட ஒரு பெரிய எஃகுத் தொட்டி, இது கத்தோடாக செயல்படுகிறது.
• அனோடுகள்: பல தடித்த கிராஃபைட் தண்டுகள் உருகிய மின்பகுளியில் தொங்கவிடப்படுகின்றன.
• மின்பகுளி: 2-10% தூய அலுமினா (Al₂O₃), 80-90% கிரையோலைட் (Na₃AlF₆), மற்றும் 5-7% புளூயோஸ்பார் (CaF₂) ஆகியவற்றைக் கொண்ட உருகிய கலவை. வெப்பநிலை சுமார் 950-1000°C இல் பராமரிக்கப்படுகிறது.
• வெளியீடு: மின்பகுளியை விட அடர்த்தி அதிகம் என்பதால், உருகிய அலுமினியம் கலத்தின் அடிப்பகுதியில் சேகரமாகிறது மற்றும் குறிப்பிட்ட கால இடைவெளியில் வெளியேற்றப்படுகிறது.

மின்வேதியியல் வினைகள்

1. மின்பகுளியில் அயனியாக்கம்: உருகிய கிரையோலைட்டில், அலுமினா அயனிகளாகப் பிரிகிறது.
   • வினை: Al₂O₃ (\rightleftharpoons) 2Al³⁺ + 3O²⁻
2. கத்தோட்டில் (கார்பன் பூச்சு):
   • அலுமினிய அயனிகள் (Al³⁺) எதிர்மின் சுமையுடைய கத்தோடை நோக்கி நகர்ந்து எலக்ட்ரான்களைப் பெற்று, உருகிய அலுமினிய உலோகமாகக் குறைக்கப்படுகின்றன.
   • வினை: Al³⁺(melt) + 3e⁻ (\rightarrow) Al(l)
3. அனோட்டில் (கிராஃபைட் தண்டுகள்):
   • ஆக்சைடு அயனிகள் (O²⁻) நேர்மின் சுமையுடைய கிராஃபைட் அனோடுகளை நோக்கி நகர்ந்து எலக்ட்ரான்களை இழந்து, ஆக்ஸிஜன் வாயுவை உருவாக்குகின்றன.
   • வினை: 2O²⁻(melt) (\rightarrow) O₂(g) + 4e⁻
   • உருவாகும் ஆக்ஸிஜன் வாயு பின்னர் சூடான கிராஃபைட் அனோடுகளுடன் வினைபுரிந்து, அவற்றை கார்பன் மோனாக்சைடு (CO) மற்றும் கார்பன் டை ஆக்சைடாக (CO₂) ஆக்ஸிஜனேற்றம் செய்கிறது. இதன் பொருள் அனோடுகள் தொடர்ந்து பயன்படுத்தப்பட்டு, குறிப்பிட்ட கால இடைவெளியில் மாற்றப்பட வேண்டும்.
   • அனோட் பயன்பாட்டு வினைகள்:
     • C(s) + O₂(g) (\rightarrow) CO₂(g)
     • 2C(s) + O₂(g) (\rightarrow) 2CO(g)

ஒட்டுமொத்த வினை

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

ஆற்றல் தேவைகள்

ஹால்-ஹெரோல்ட் முறை அதிக ஆற்றல் தேவைப்படும் ஒன்று, இதற்கு அதிக அளவு மின்சாரம் தேவைப்படுகிறது.

சுத்திகரிப்பு மற்றும் தூய்மையாக்குதல் (ஹூப் முறை)

ஹால்-ஹெரோல்ட் முறையிலிருந்து பெறப்பட்ட அலுமினியம் சுமார் 99.5% தூய்மையானது. 99.9% அல்லது அதற்கு மேற்பட்ட தூய்மையான அலுமினியத்தைப் பெற மேலதிக சுத்திகரிப்பு ஹூப் மின்னாற்பகுப்பு சுத்திகரிப்பு முறை மூலம் செய்யப்படுகிறது.

கோட்பாடு

இந்த முறை உருகிய பொருட்களின் மூன்று தனித்துவமான அடுக்குகளைக் கொண்ட ஒரு மின்னாற்பகுப்புக் கலத்தைப் பயன்படுத்துகிறது. இந்த அடுக்குள் அடர்த்தியில் வேறுபட்டு, அசுத்தமான அனோடிலிருந்து தூய கத்தோடிற்கு தூய அலுமினியத்தைத் தேர்ந்தெடுத்து மாற்றுகின்றன.

ஹூப் கல அமைவு

• கத்தோடு (மேல் அடுக்கு): தூய உருகிய அலுமினியம் மேலே சேகரமாகிறது. இந்த அடுக்கில் கார்பன் மின்முனைகள் அமிழ்த்தப்பட்டுள்ளன, இது கத்தோடாக செயல்படுகிறது.
• மின்பகுளி (நடு அடுக்கு): Al, Na, மற்றும் Ba இன் புளோரைடுகளின் உருகிய கலவை (எ.கா., AlF₃, Na₃AlF₆, BaF₂) பயன்படுத்தப்படுகிறது. இந்த அடுக்கு தூய மற்றும் அசுத்தமான அலுமினிய அடுக்குகளுக்கு இடையில் ஒரு இடைநிலை அடர்த்தியைக் கொண்டுள்ளது.
• அனோட் (கீழ் அடுக்கு): அசுத்தமான உருகிய அலுமினியம், செம்பு (அதன் அடர்த்தி மற்றும் மின் கடத்துத்திறனை அதிகரிக்க) கலக்கப்பட்டு, அனோடாக செயல்படுகிறது. இந்த அடுக்கில் கார்பன் மின்முனைகள் அமிழ்த்தப்பட்டுள்ளன.
• பக்கச் சுவர்கள்: கலம் அதிக வெப்பநிலையைத் தாங்கக்கூடிய மற்றும் பக்கங்கள் வழியாக மின்னோட்டம் கசிவதைத் தடுக்கும் ஒரு வெப்பந்தாங்கக்கூடிய அடுக்கைக் (எ.கா., கார்பன் செங்கற்கள்) கொண்டுள்ளது.

மின்வேதியியல் வினைகள்

1. அனோட்டில் (கீழ் அடுக்கு):
   • கீழ் அடுக்கிலிருந்து அசுத்தமான அலுமினியம் ஆக்சிஜனேற்றமடைந்து, எலக்ட்ரான்களை இழந்து Al³⁺ அயனிகளை உருவாக்குகிறது, அவை மின்பகுளி அடுக்கிற்கு நகர்கின்றன.
   • வினை: Al(impure, l) (\rightarrow) Al³⁺(electrolyte) + 3e⁻
2. கத்தோட்டில் (மேல் அடுக்கு):
   • மின்பகுளியிலிருந்து Al³⁺ அயனிகள் மேல் அடுக்கிற்கு (கத்தோடு) மேல்நோக்கி நகர்ந்து, எலக்ட்ரான்களைப் பெற்று, தூய உருகிய அலுமினியமாகக் குறைக்கப்படுகின்றன.
   • வினை: Al³⁺(electrolyte) + 3e⁻ (\rightarrow) Al(pure, l)

முடிவு

மின்னாற்பகுப்பு தொடரும்போது, தூய அலுமினியம் படிப்படியாக மேல் அடுக்கில் சேகரமாகிறது, அதேசமயம் மாசுகள் கீழ் அனோட் அடுக்கில் இருக்கும். இது மிக அதிக தூய்மையான அலுமினியத்தைப் பெறுகிறது.