धातु र अधातु: कक्षा १० विज्ञान

भान्साकोठामा एक पटक वरिपरि हेरौँ। प्रेसर कुकर, तामाको करुवा, स्टिलका थाल, स्विचपछाडिका तार, आमाका सुनका झुम्का सबै धातु हुन्। तर यीमध्ये कुनै पनि वस्तु जमिनबाट यही रूपमा खनेर निकालिएको होइन। प्रेसर कुकर रातो-खैरो ढुङ्गाको एउटा डल्लोबाट, तार धमिलो हरियो वा पित्तलजस्तो पहेँलो ढुङ्गाबाट अनि झुम्का खोलाको बालुवामा भएका ससाना कणबाट बनेका हुन्।

यस एकाइमा त्यही यात्राबारे पढिन्छ: धातु प्रकृतिमा कहाँ पाइन्छन् तथा तिनलाई चट्टानबाट कसरी निकालेर शुद्ध बनाइन्छ। यो मानिसले प्रयोग गर्दै आएका सबैभन्दा पुराना प्रविधिमध्ये एक हो। फलाम युग र काँसे युग यसैबाट सुरु भएका थिए भने आजका हरेक फोन, बस र पुल पनि यसैमा भर पर्छन्।

धातु र अधातु हाम्रो वरिपरि

सोच्नुहोस्

यी केले बनेका छन्?

घरमा यस्ता वस्तु पाइन सक्छन्: तामाको करुवा, बिजुलीका तार, प्रेसर कुकर, कागज वा प्लास्टिकका थालको थाक, सुनका गहना, प्लास्टिकको बाल्टिन तथा चिनियाँ माटो (सेरामिक्स) को कप।

क.यीमध्ये कुन कुन वस्तु धातुले बनेका छन् र कुन कुन अधातुले?
ख.यी वस्तु के के पदार्थले बनेका होलान्?
ग.यी वस्तु बनाउने पदार्थबिच के के समानता र असमानता छन्?
घ.यिनका कच्चा पदार्थ कहाँबाट आउँछन्?

उत्तर

क.धातु: तामाको करुवा, तार (भित्र तामा वा आल्मिनियम), प्रेसर कुकर (आल्मिनियम वा स्टेनलेस स्टिल) र सुनका गहना। अधातु: थाल (कागज वा प्लास्टिक), प्लास्टिकको बाल्टिन (यसको बिँड भने स्टिलको हुन सक्छ) तथा सेरामिक्सको कप। धेरै वस्तुमा दुवै हुन्छन्: तारको भित्र धातु हुन्छ भने बाहिर प्लास्टिकको खोल।
ख.तामा, आल्मिनियम, स्टिल (धेरैजसो फलाम) र सुन; पेट्रोलियमबाट बनेको प्लास्टिक (धेरैजसो कार्बन र हाइड्रोजन), काठबाट बनेको कागज तथा पोलेको माटोबाट बनेको सेरामिक्स।
ग.धातुका वस्तु चम्किला हुन्छन्, ताप तथा विद्युत्‌का सुचालक हुन्छन् अनि ठोकेर वा बङ्ग्याएर यिनलाई आकार दिन सकिन्छ। अधातुका वस्तु धमिला हुन्छन्, सुचालक हुँदैनन् (तारमा प्लास्टिकको खोल हालिनुको कारण यही हो) अनि हलुका हुन्छन् वा बाङ्गिनुको सट्टा फुट्छन्।
घ.धातु पृथ्वीको क्रस्टबाट खनेर निकालिएका खनिज र धाउबाट आउँछन्। प्लास्टिक पेट्रोलियमबाट, कागज रुखबाट अनि सेरामिक्स माटोबाट बन्छन्। यस एकाइको बाँकी भागमा धातुकै यात्रा पछ्याइन्छ।

हाम्रो वरिपरिको पदार्थ शुद्ध वा अशुद्ध हुन्छ। तत्त्व र यौगिक शुद्ध पदार्थ हुन् भने मिश्रण अशुद्ध पदार्थ हो। हालसम्म पत्ता लागेका 118 तत्त्वमध्ये अधिकांश (करिब 94) धातु, करिब 18 अधातु तथा थोरै मात्र अर्धधातु हुन्। यिनका गुण हामीले अघिल्ला कक्षामा पढिसकेका छौँ। पेरियोडिक तालिकामा प्रत्येक वर्ग कहाँ पर्छ भन्ने कुरा पनि एकाइ 14 मा हेरिसकेका छौँ।

खनिज

सबैभन्दा कम सक्रिय केही धातु मात्र प्रकृतिमा स्वतन्त्र धातुकै रूपमा पाइन्छन्: सुन, प्लाटिनम तथा कहिलेकाहीँ चाँदी र तामा। यस्ता धातु शुद्ध अवस्थामा (अरू तत्त्वसँग नमिलेको स्वतन्त्र रूपमा) पाइन्छन् भनिन्छ। सोडियम, पोटासियम, क्याल्सियम, फलामजस्ता सक्रिय धातु भने धेरै पहिले नै अरू तत्त्वसँग मिलिसकेकाले यौगिकका रूपमा मात्र पाइन्छन्: अक्साइड, सल्फाइड, कार्बोनेट आदि।

पृथ्वीको क्रस्टमा प्राकृतिक रूपमा पाइने तत्त्व र यौगिकलाई खनिज भनिन्छ। धातुको स्रोत खनिज हो। खनिजका विशेषता यस्ता हुन्छन्:

प्राकृतिक हुन्छ (प्रकृतिमै बनेको, मानिसले बनाएको होइन),
अप्राङ्गारिक हुन्छ (जीवले बनाएको होइन),
ठोस हुन्छ र प्रायः मणिभ (दानेदार) हुन्छ (यसका कण नियमित ढाँचामा मिलेर बसेका हुन्छन्),
शुद्ध हुन्छ अनि यसको निश्चित रासायनिक सूत्र हुन्छ: हेमाटाइट सधैँ Fe₂O₃ नै हुन्छ।

चट्टान भने खनिजभन्दा फरक हुन्छ: यो एक वा एकभन्दा बढी खनिजको मिश्रण हो। जस्तै, ग्रेनाइट क्वार्ट्ज, फेल्डस्पार तथा अभ्रक (माइका) खनिज मिलेर बनेको चट्टान हो। पुराना बिरुवाबाट बनेको कोइला प्राङ्गारिक भएकाले यो पनि खनिज होइन। (दैनिक बोलीचाली र खानीको भाषामा भने यस्ता चट्टान तथा इन्धनलाई पनि खनिज स्रोतमै गनिन्छ।)

पृथ्वीको क्रस्टको करिब 90% भाग सिलिकेट खनिज (सिलिकन, अक्सिजन र धातुका यौगिक) ले बनेको छ। यसबाहेक पाइने सल्फाइड, अक्साइड, कार्बोनेट, सल्फेट तथा फस्फेट खनिजबाट धेरैजसो धातु निकालिन्छन्।

के तपाईँलाई थाहा छ?

नेपालका खनिज

दाङ, सल्यान, रोल्पा, गुल्मी, प्युठान, ललितपुर, पाल्पा, नवलपरासीजस्ता ठाउँका चट्टानमा फलामको धाउ (हेमाटाइट र म्याग्नेटाइट), तामाको धाउ, चुनढुङ्गा, टाल्क, रातो माटो, म्याग्नेसाइट, कोइलालगायत धेरै खनिज पाइन्छन्। ललितपुरको दक्षिणमा पर्ने फुलचोकी डाँडामा पहिले फलामको धाउ खनेर पगालिन्थ्यो। पाटनमा आज पनि भाँडा, करुवा र मूर्ति बनाउने कालिगडहरूलाई पहिले नेपालकै पुराना तामाखानीबाट तामा पुग्थ्यो। चुनढुङ्गाका ठुला खानीबाट देशका सिमेन्ट कारखानालाई कच्चा पदार्थ पुग्छ। दोलखाको खरिढुङ्गामा म्याग्नेसाइट (म्याग्नेसियम कार्बोनेट) को ठुलो भण्डार छ। पहिले सुनकोसीको बालुवाबाट सुनका ससाना कण केलाएर निकालिन्थे। यस नदीको नाम त्यसैबाट रहेको भनिन्छ।

धाउ

खानीबाट सिधै निकालिएको चट्टानमा काम लाग्ने खनिज छरिएर रहेको हुन्छ; यसको धेरैजसो भाग काम नलाग्ने पदार्थ हुन्छ। कुनै खनिजमा धातु धेरै हुन्छ र त्यसलाई सजिलै तथा सस्तोमा निकाल्न सकिन्छ। कुनै खनिजमा भने धातु थोरै मात्र हुने वा कसिलो गरी बाँधिएको हुने भएकाले त्यसलाई निकाल्न धातुको मूल्यभन्दा बढी खर्च लाग्छ।

जुन खनिजबाट धातु धेरै मात्रामा, सजिलै र कम खर्चमा निकाल्न सकिन्छ, त्यसलाई त्यस धातुको धाउ भनिन्छ। नाफा हुने गरी धातु निकाल्न नसकिने खनिज धाउ होइन। यसरी:

सबै धाउ खनिज हुन्, तर सबै खनिज धाउ होइनन्।

चित्र 17.1 धाउ भनेको धातु निकाल्न खानी खन्दा फाइदा हुने खनिजको सानो समूह हो। माटोमा आल्मिनियम हुन्छ, तर त्यसलाई निकाल्न धेरै खर्च लाग्ने भएकाले माटो खनिज त हो, आल्मिनियमको धाउ होइन। बक्साइट भने खनिज पनि हो र धाउ पनि।

माटोमा प्रशस्त आल्मिनियम हुन्छ, तर आल्मिनियम माटोबाट होइन, बक्साइटबाट बनाइन्छ। किन होला?

किन भनेर हेर्न एउटा उत्तर छान्नुहोस्।

माटोका खनिजमा आल्मिनियम प्रशस्त हुन्छ, तर त्यो सिलिकन र अक्सिजनसँग बाँधिएको हुन्छ र छुट्याउन धेरै खर्च लाग्छ। बक्साइटबाट आल्मिनियम सस्तोमा पाइने भएकाले बक्साइट धाउ हो। खनिज धाउ हो वा होइन भन्ने कुरा खर्चमा भर पर्ने भएकाले धातुको मूल्य बढ्दा कुनै खनिज धाउ बन्न पनि सक्छ।

फलामका धाउ

धाउ	सूत्र	टिप्पणी
हेमाटाइट	Fe₂O₃	फलामको मुख्य धाउ; 70% सम्म फलाम
म्याग्नेटाइट	Fe₃O₄	चुम्बकीय; 72% फलाम, सबैभन्दा बढी
साइड्राइट	FeCO₃	कार्बोनेट
लिमोनाइट	2Fe₂O₃·3H₂O	पानी मिसिएको (हाइड्रेटेड) आइरन अक्साइड; पहेँलो-खैरो
आइरन पाइराइट	FeS₂	“नक्कली सुन”; सल्फर हुने भएकाले फलाम निकाल्न प्रयोग गरिँदैन

हेमाटाइट प्रशस्त पाइन्छ र यसमा फलाम पनि धेरै हुन्छ। शुद्ध हेमाटाइटमा तौलका हिसाबले 70% फलाम हुन्छ (160 भागमा 2 × 56 = 112 भाग फलाम) भने म्याग्नेटाइटमा अलि बढी, 72%। तैपनि हेमाटाइट धेरै मात्रामा पाइने भएकाले फलामको मुख्य धाउ हेमाटाइट नै हो।

चट्टानमाथि हेमाटाइटका गाढा खरानी रङका चम्किला मणिभ — **चित्र 17.2** हेमाटाइट (Fe₂O₃), फलामको मुख्य धाउ। यस्ता मणिभ स्टिलजस्तै खरानी रङका देखिन्छन्, तर पिँधेर धुलो बनाउँदा यो रगतजस्तै रातो हुन्छ। यसको नाम पनि रगत जनाउने ग्रिक शब्दबाट आएको हो। फोटो: James St. John, CC BY 2.0

पाइराइटका चम्किला, पित्तलजस्ता सुनौला, घनाकार मणिभको झुप्पा — **चित्र 17.3** आइरन पाइराइट (FeS₂), “नक्कली सुन”। यसको चमक देखेर धेरै सुन खोज्नेहरू झुक्किएका छन्, तर यो सुनभन्दा कडा र भुरभुरो हुन्छ। फोटो: Ivar Leidus, CC BY-SA 4.0

आल्मिनियमका धाउ

धाउ	सूत्र
बक्साइट	Al₂O₃·2H₂O
क्रायोलाइट	Na₃AlF₆
कोरन्डम	Al₂O₃

बक्साइट आल्मिनियमको मुख्य धाउ हो। यसमा करिब 40–60% एलुमिना (आल्मिनियम अक्साइड, Al₂O₃) हुने भएकाले आल्मिनियम धातुको मात्रा त्यसको करिब आधा हुन्छ। क्रायोलाइट पनि प्रयोग गरिन्छ, तर धातुको स्रोतका रूपमा होइन। एलुमिना एक्लै 2,000 °C भन्दा बढी तापक्रममा पग्लन्छ, तर क्रायोलाइटसँग मिसाएपछि करिब 950 °C मै पग्लन्छ। त्यसैले आल्मिनियम बनाउने कारखानामा एलुमिनालाई क्रायोलाइटसँग पगालिन्छ। कोरन्डम धेरै कडा हुन्छ। रातो कोरन्डमलाई माणिक (रुबी) र निलोलाई नीलम (स्याफायर) भनिन्छ।

साना गोलाकार दानाले भरिएको, रातो-खैरो र क्रिम रङको ढिक्के ढुङ्गा — **चित्र 17.4** बक्साइट, आल्मिनियमको धाउ। तातो र धेरै पानी पर्ने ठाउँमा लाखौँ वर्षसम्म वर्षाको पानीले माटोबाट आल्मिनियम र फलामका अक्साइडबाहेक लगभग सबै कुरा बगाएर लगेपछि बक्साइट बन्छ। यसमा जति धेरै फलाम हुन्छ, यो उति नै रातो देखिन्छ। फोटो: US Geological Survey, Public domain

विज्ञानको एउटा कथा

जब आल्मिनियम सुनभन्दा महँगो थियो

आल्मिनियम पृथ्वीको क्रस्टमा सबैभन्दा धेरै पाइने धातु हो। तैपनि धाउबाट यसलाई सस्तोमा निकाल्ने तरिका कसैलाई थाहा नभएकाले सन् 1880 को दशकसम्म यो दुर्लभ र बहुमूल्य थियो। फ्रान्सका सम्राट नेपोलियन तृतीय (Napoleon III) आफ्ना सबैभन्दा सम्मानित पाहुनालाई आल्मिनियमका काँटा-चम्चामा खाना खुवाउँथे भनिन्छ, अरू पाहुनाले भने सुनकै काँटा-चम्चामा चित्त बुझाउनुपर्थ्यो। सन् 1884 मा अमेरिकाको वासिङ्टन स्मारक (Washington Monument) को टुप्पोमा आल्मिनियमको सानो पिरामिड राखिएको थियो। त्यसबेला आल्मिनियमलाई सबैभन्दा बहुमूल्य धातुमध्ये एक मानिन्थ्यो।
सन् 1886 मा 22 वर्षका अमेरिकी युवा चार्ल्स मार्टिन हल (Charles Martin Hall) र लगभग उनकै उमेरका फ्रान्सेली पल हेरु (Paul Héroult) ले छुट्टाछुट्टै आल्मिनियम बनाउने तरिका पत्ता लगाए। उनीहरूले पग्लिएको क्रायोलाइटमा एलुमिना घोलेर त्यसबाट विद्युत् प्रवाह गराए र आल्मिनियम निकाले। सन् 1900 सम्ममा आल्मिनियमको मूल्य सन् 1884 को तुलनामा करिब पचास भागको एक भागमा झर्‍यो। आज चकलेट बेर्ने पातलो पन्नी पनि त्यही धातुको बन्छ।

तामाका धाउ

धाउ	सूत्र
चाल्कोसाइट (कपर ग्लान्स)	Cu₂S
चाल्कोपाइराइट (कपर पाइराइट्स)	CuFeS₂
क्युप्राइट	Cu₂O
मालाचाइट	Cu₂(OH)₂CO₃

चाल्कोपाइराइट (कपर पाइराइट्स) तामाको मुख्य धाउ हो। यसमा करिब 34.5% तामा हुन्छ।

मालाचाइटको एउटा डल्लो: माथि गाढा हरियो, गोलाकार र मखमलजस्तो, तल चम्किलो हरियो — **चित्र 17.5** मालाचाइट, Cu₂(OH)₂CO₃। तामाको यो धाउ धेरै सुन्दर हुने भएकाले यसलाई रत्नका रूपमा पनि काटेर टल्काइन्छ। टल्काएपछि यसमा हल्का र गाढा हरियो धर्सा देखिन्छन्। पुराना तामाका छाना र मूर्तिमा लाग्ने हरियो पत्र पनि यस्तै कपर कार्बोनेट हो। फोटो: JJ Harrison, CC BY-SA 3.0

पित्तलजस्ता पहेँला, धातुजस्तो चम्किने धब्बा भएको ढुङ्गाको डल्लो — **चित्र 17.6** चाल्कोपाइराइट (CuFeS₂), तामाको मुख्य धाउ। यसको चमक पित्तलको जस्तो हुन्छ। फोटो: TimBomBom1, CC BY-SA 4.0

चाँदीका धाउ

धाउ	सूत्र
अर्जेन्टाइट (सिल्भर ग्लान्स)	Ag₂S
हर्न सिल्भर	AgCl
रुबी सिल्भर	Ag₃SbS₃
सिल्भर कपर ग्लान्स	(Ag,Cu)₂S

अर्जेन्टाइट चाँदीको मुख्य धाउ हो। यसमा करिब 87% चाँदी हुन्छ।

सुन

सुन अत्यन्तै कम सक्रिय भएकाले शुद्ध अवस्थामा पाइन्छ: क्वार्ट्ज चट्टानका नसाभित्र दाना र डल्लाका रूपमा अनि ती चट्टान खिइएर खोलाले बगाएर ल्याएको जलोढ बालुवा र गिट्टीमा ससाना कणका रूपमा। धेरैजसो अवस्थामा सुनलाई चट्टान र बालुवाबाट छुट्याए मात्र पुग्छ; कुनै यौगिक तोड्नु पर्दैन।

के तपाईँलाई थाहा छ?

सुनमा किन कहिल्यै खिया लाग्दैन

फलाम सक्रिय धातु भएकाले यसमा खिया लाग्छ: ओसिलो हावामा यसले आफ्ना इलेक्ट्रोन सजिलै अक्सिजनलाई दिन्छ। सुन भने सक्रियता श्रेणी (एकाइ 15) को सबैभन्दा तल पर्छ। सुनले आफ्ना इलेक्ट्रोन असाध्यै कसेर समात्ने भएकाले हावा, पानी वा धेरैजसो अम्लको सम्पर्कमा पनि यसले इलेक्ट्रोन गुमाउँदैन। यही कारणले जमिनबाट निकालिएका हजारौँ वर्ष पुराना सुनका सिक्का पनि टल्किरहेका हुन्छन्। फोन र कम्प्युटरभित्रका जोडाइमा कहिल्यै खिया लाग्न नहुने भएकाले तिनमा पनि सुन प्रयोग गरिन्छ। सन् 2024 सम्ममा संसारभर करिब 2,16,000 टन सुन खनेर निकालिएको छ। यो सबै सुन जम्मा पार्ने हो भने हरेक किनारा करिब 22 मिटर मात्र भएको एउटा घनमा अटाउँछ।

कुन धातु यौगिकबाट नभई स्वतन्त्र धातुकै रूपमा खानीबाट निकालिन्छ?

किन भनेर हेर्न एउटा उत्तर छान्नुहोस्।

सुन अत्यन्तै कम सक्रिय भएकाले कुनै तत्त्वसँग मिलेको हुँदैन। फलाम र आल्मिनियम अक्साइडका रूपमा (हेमाटाइट, बक्साइट) पाइन्छन्। सोडियम भने असाध्यै सक्रिय भएकाले सधैँ ढुङ्गे नुनजस्ता यौगिकमा मात्र पाइन्छ।

धातु विज्ञान

धातु प्राप्त गर्न सबैभन्दा पहिले त्यसको धाउ जमिनबाट खनेर निकालिन्छ। पृथ्वीको क्रस्टभित्रबाट उपयोगी वस्तु तथा खनिज पदार्थ निकाल्ने प्रक्रियालाई माइनिङ (खानी खन्ने काम) भनिन्छ। कोइला, पेट्रोलियम, सुन र धातुका धाउ सबै माइनिङ गरेर निकालिन्छन्। त्यसपछि विभिन्न चरणमा धाउबाट धातु निकालिन्छ।

धातुका गुण, तिनको उत्पादन र शुद्धीकरणसम्बन्धी विज्ञानलाई धातु विज्ञान (मेटालर्जी) भनिन्छ। धाउबाट चरणबद्ध रूपमा धातु निकाल्ने प्रक्रिया पनि धातु विज्ञानअन्तर्गत पर्छ। सामान्यतया यसका मुख्य चरण यस्ता छन्:

चित्र 17.8 धाउको डल्लोदेखि शुद्ध धातुसम्म धातु विज्ञानका सामान्य चरण। हरेक धातुलाई सबै चरण चाहिँदैनन्। धातुकै रूपमा पाइने सुनलाई ग्राइन्डिङ, कन्सन्ट्रेसन र रिफाइनिङ मात्र गरे पुग्छ।

ग्राइन्डिङ

यो पहिलो चरण हो। धाउका ठुला डल्लालाई पहिले ससाना टुक्रामा फुटाएर ठुला मेसिनका रोलर वा बलबिच पेलेर धुलो बनाइन्छ। यसलाई ग्राइन्डिङ (क्रसिङ वा पल्भराइजेसन पनि) भनिन्छ। धुलो बनाएपछि धाउको सतहको क्षेत्रफल धेरै बढ्ने भएकाले पछिका सबै चरण छिटो हुन्छन् (यसको कारण एकाइ 15 मा पढिसकिएको छ)।

1. कन्सन्ट्रेसन

पिँधिएको धाउमा अझै पनि मिसिएर रहेका माटो, बालुवा, ढुङ्गा र अरू नचाहिने पदार्थलाई अशुद्ध पदार्थ (अङ्ग्रेजीमा gangue, उच्चारण “ग्याङ”) भनिन्छ। अशुद्ध पदार्थ हटाएर धाउमा धातुको प्रतिशत बढाउने प्रक्रियालाई कन्सन्ट्रेसन वा ओर ड्रेसिङ (ore dressing) भनिन्छ। धाउ र अशुद्ध पदार्थका गुणमा के फरक छ, त्यसैका आधारमा कन्सन्ट्रेसनको विधि छानिन्छ:

हाइड्रोलिक वा गुरुत्व विधि: धाउ अशुद्ध पदार्थभन्दा गह्रौँ भएमा यो विधि अपनाइन्छ। धुलोलाई पानीको धारमा पखाल्दा हलुका बालुवा र माटो बगेर जान्छन् भने गह्रौँ धाउका कण तल बस्छन्। हेमाटाइट र टिनको धाउ यसरी नै कन्सन्ट्रेट गरिन्छ। खोलामा सुन केलाउनेहरूले पनि यही तरिका अपनाउँछन्।
चुम्बकीय विधि: धाउ र अशुद्ध पदार्थमध्ये एउटा चुम्बकीय भएमा यो विधि अपनाइन्छ। धुलोलाई चुम्बकीय रोलरको छेउबाट खसाल्दा म्याग्नेटाइटजस्ता चुम्बकीय कण रोलरमा टाँसिएर एकातिर झर्छन् भने अचुम्बकीय कण सिधै तल खस्छन्।
फ्रोथ फ्लोटेसन: एउटा पानीले भिज्ने (पानीसित आकर्षित हुने) र अर्को नभिज्ने (पानीभन्दा टाढा जान खोज्ने) भएमा यो विधि अपनाइन्छ। धुलोलाई थोरै पाइन तेल (pine oil) मिसाएको पानीमा चलाएर त्यसमा हावा फुकिन्छ। सल्फाइड धाउका कण पानीले नभिज्ने भएकाले तेलयुक्त फोकामा टाँसिएर फिँजसँगै माथि आउँछन् र त्यो फिँज झिकिन्छ। पानीले भिज्ने बालुवा र ढुङ्गा भने तल डुब्छन्।

चित्र 17.9 चुम्बकीय विधि। पिँधिएको धाउ चलिरहेको बेल्टमा खस्छ र बेल्ट चुम्बकीय रोलरमाथि घुम्छ। अचुम्बकीय कण बेल्टको छेउबाट उछिट्टिएर खस्छन्। चुम्बकीय कण भने बेल्ट चुम्बकबाट टाढा नपुगुन्जेल त्यसमै टाँसिइरहन्छन् र छुट्टै थुप्रोमा झर्छन्।

चित्र 17.10 फ्रोथ फ्लोटेसन। चाल्कोपाइराइट र जिङ्क ब्लेन्डजस्ता सल्फाइड धाउ यसै विधिबाट कन्सन्ट्रेट गरिन्छन्। तेल लागेका धाउका कण हावाका फोकामा टाँसिएर माथि फिँजमा पुग्छन् र फिँज बाहिर पोखिन्छ। पानीले भिजेको बालुवा पिँधमा डुब्छ।

क्रियाकलाप

17.2: चुम्बकले छुट्याउने

आवश्यक सामग्री: फलामको धुलो, आल्मिनियमको धुलो, बालुवा र एउटा चुम्बक। (पछि धुलो सजिलै झिक्न सकियोस् भनेर चुम्बकलाई पातलो प्लास्टिकको झोलामा बेर्नुहोस्।)
एउटा कागजमाथि फलाम, आल्मिनियम र बालुवा मिसाउनुहोस्। अब चुम्बकलाई मिश्रणको नजिक लैजानुहोस्। के हुन्छ? किन यस्तो हुन्छ?

के देखिनुपर्छ

फलामको धुलो उफ्रेर चुम्बकमा टाँसिन्छ भने आल्मिनियमको धुलो र बालुवा जहाँको त्यहीँ रहन्छन्। फलाम चुम्बकीय हुने तर आल्मिनियम र बालुवा चुम्बकीय नहुने भएकाले चुम्बकले तिनलाई छुट्याउँछ। खानीमा पनि ठ्याक्कै यही तरिकाले निकै ठुलो मात्रामा म्याग्नेटाइटलाई यसको अशुद्ध पदार्थबाट छुट्याइन्छ।

क्रियाकलाप

घरमै गर्नुहोस्: सुन केलाएजस्तै

एउटा चौडा कचौरामा पानी राखेर त्यसमा एक चम्चा बालुवा र केही साना धातुका वस्तु (जस्तै स्टिलका वासर वा एक मुठी फलामको धुलो) मिसाउनुहोस्। कचौरालाई अलिकति ढल्काएर बिस्तारै गोलो गोलो घुमाउनुहोस्। पानीसँगै हलुका बालुवा थोरै थोरै गरी किनाराबाट बाहिर बग्न दिनुहोस्।

के देखिनुपर्छ

हलुका बालुवा पहिले बगेर जान्छ भने गह्रौँ धातु कचौराको पिँधमै रहन्छ। धाउ कन्सन्ट्रेट गर्ने सबैभन्दा पुरानो तरिका गुरुत्व विधि यही हो। हजारौँ वर्षदेखि खोलाबाट सुन यसरी नै केलाइँदै आएको छ।

2. अक्सिडेसन: रोस्टिङ र क्याल्सिनेसन

धातुको अक्साइडबाट धातु निकाल्न सबैभन्दा सजिलो हुने भएकाले कन्सन्ट्रेट गरिएको धाउ अक्साइड होइन भने पहिले त्यसलाई अक्साइडमा बदलिन्छ। यसका दुईओटा विधि छन्।

क. रोस्टिङ

धाउलाई प्रशस्त हावा (अक्सिजन) को प्रवाहमा त्यसको पग्लने तापक्रमभन्दा कम तापक्रममा कडासँग तताउने विधिलाई रोस्टिङ भनिन्छ। सल्फाइड धाउका लागि गरिने रोस्टिङमा सल्फर बलेर सल्फर डाइअक्साइडका रूपमा निस्कन्छ। जस्तै, जिङ्क ब्लेन्ड (जिङ्क सल्फाइड, ZnS) रोस्टिङ गर्दा जिङ्क अक्साइड बन्छ:
$\text{2ZnS} + \text{3O}_2 \xrightarrow{\Delta} \text{2ZnO} + \text{2SO}_2$

ख. क्याल्सिनेसन

धाउलाई हावाबिना (वा धेरै थोरै हावामा) कडासँग तताउने विधिलाई क्याल्सिनेसन भनिन्छ। क्याल्सिनेसनमा कार्बोनेट धाउबाट कार्बनडाइअक्साइड निस्कन्छ। बक्साइटजस्ता पानी मिसिएका धाउबाट पानी हटाउन पनि क्याल्सिनेसन गरिन्छ। क्यालामाइन (जिङ्क कार्बोनेट) र चुनढुङ्गाको क्याल्सिनेसन:
$\text{ZnCO}_3 \xrightarrow{\Delta} \text{ZnO} + \text{CO}_2 \qquad \text{CaCO}_3 \xrightarrow{\Delta} \text{CaO} + \text{CO}_2$

कपर ग्लान्स (Cu₂S) लाई कन्सन्ट्रेट गरिसकियो। अब अर्को चरण कुन हो?

किन भनेर हेर्न एउटा उत्तर छान्नुहोस्।

सल्फाइड धाउलाई हावामा रोस्टिङ गरिन्छ: 2Cu₂S + 3O₂ → 2Cu₂O + 2SO₂। क्याल्सिनेसन कार्बोनेट (र पानी मिसिएका) धाउका लागि हो। हेमाटाइट र क्युप्राइटजस्ता पहिले नै अक्साइड भएका धाउमा यो चरण गरिँदैन।

3. रिडक्सन

धातुको अक्साइडबाट अक्सिजन हटाउने प्रक्रियालाई रिडक्सन भनिन्छ। यसका लागि अक्साइडलाई कार्बन (कोक), कार्बन मोनोअक्साइड वा हाइड्रोजनजस्ता रिड्युसिङ एजेन्टसँग तताइन्छ। रिड्युसिङ एजेन्टले अक्साइडको अक्सिजन आफैँ लिन्छ:
$\text{CuO} + \text{H}_2 \xrightarrow{\Delta} \text{Cu} + \text{H}_2\text{O} \qquad \text{PbO} + \text{C} \xrightarrow{\Delta} \text{Pb} + \text{CO}$
$\text{Fe}_2\text{O}_3 + \text{3CO} \xrightarrow{\Delta} \text{2Fe} + \text{3CO}_2$

धातुले अक्सिजनलाई कति कसेर समात्छ भन्ने कुरा एकाइ 15 मा पढिएको सक्रियता श्रेणीबाट थाहा हुन्छ। धातुको अक्साइड कसरी रिडक्सन गर्ने भन्ने कुरा पनि त्यसैका आधारमा तय हुन्छ:

धातु	अक्साइड कसरी रिडक्सन गरिन्छ
K, Na, Ca, Mg, Al (धेरै सक्रिय)	यिनका अक्साइड धेरै स्थिर हुने भएकाले विद्युत् विच्छेदन (पग्लिएको यौगिकबाट विद्युत् प्रवाह गराउने विधि) बाट मात्र रिडक्सन हुन्छ
Zn, Fe, Pb, Cu (बिचका)	कार्बन, कार्बन मोनोअक्साइड वा हाइड्रोजनसँग तताएर; जिङ्क अक्साइड भने कार्बनले मात्र: ZnO + C → Zn + CO
Hg, Ag (कम सक्रिय)	यिनका अक्साइड अस्थिर हुने भएकाले तताउँदा मात्र टुक्रिन्छन्: 2HgO → 2Hg + O₂
Au, Pt	शुद्ध अवस्थामै पाइने भएकाले रिडक्सन चाहिँदैन

स्मेल्टिङ

प्रायः धातु पग्लने तापक्रमसम्म तताएर रिडक्सन गरिन्छ। धाउलाई रिड्युसिङ एजेन्टसँग धातुको पग्लने तापक्रमभन्दा माथि तताएपछि पग्लिएको धातु बाँकी अशुद्धिबाट छुट्टिन्छ। अशुद्धि ग्यासका रूपमा निस्कन्छन् वा स्लग भनिने काँचजस्तो फोहोर बनेर माथि तैरिन्छन्। यसरी धातु निकाल्ने प्रक्रियालाई स्मेल्टिङ भनिन्छ। स्मेल्टिङ एक किसिमको रिडक्सन हो।

के तपाईँलाई थाहा छ?

ब्लास्ट फर्नेसभित्र

फलामको स्मेल्टिङ ब्लास्ट फर्नेसमा गरिन्छ। 30 मिटर वा त्योभन्दा अग्लो धरहराजस्तो यो भट्टी एक पटक बालेपछि वर्षौँसम्म दिनरात चलिरहन्छ। हेमाटाइट, कोक (कार्बन) र चुनढुङ्गा माथिबाट हालिन्छन् भने तल्लो भागबाट तातो हावा फुकिन्छ। कोक बलेर कार्बन मोनोअक्साइड बन्छ र यही ग्यासले धाउलाई रिडक्सन गर्छ: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂। फ्लक्सको काम गर्ने चुनढुङ्गा चुनमा बदलिएर धाउमा भएको बालुवासँग मिल्छ र स्लग बनाउँछ: CaO + SiO₂ → CaSiO₃। भट्टीको पिँधमा करिब 1,500 °C मा पग्लिएको फलाम र पग्लिएको स्लग जम्मा हुन्छन्। स्लग फलाममाथि तैरिने भएकाले दुवैलाई छुट्टाछुट्टै निकालिन्छ।

4. रिफाइनिङ

रिडक्सनबाट पाइएको धातु अझै पनि अशुद्ध हुने भएकाले यसलाई शुद्ध बनाउन रिफाइनिङ गरिन्छ। रिफाइनिङका धेरै विधिमध्ये दुईओटा यहाँ दिइएका छन्:

क. डिस्टिलेसन

अशुद्ध धातुलाई उम्लने गरी तताएर त्यसको बाफ चिस्याउँदा फेरि शुद्ध धातु बन्छ भने अशुद्धि पछाडि रहन्छन्। यसलाई डिस्टिलेसन भनिन्छ। मर्करी (357 °C) र जिङ्क (907 °C) जस्ता कम उम्लने तापक्रम भएका धातुका लागि यो विधि उपयुक्त हुन्छ।

ख. इलेक्ट्रोरिफाइनिङ

इलेक्ट्रोरिफाइनिङमा विद्युत् विच्छेदन प्रयोग गरेर तामा, चाँदी र सुनजस्ता धातु शुद्ध पारिन्छ। अशुद्ध धातुको एउटा ढिक्कालाई ब्याट्रीको धनात्मक ध्रुवसँग जोडेर एनोड बनाइन्छ भने शुद्ध धातुको पातलो पातालाई ऋणात्मक ध्रुवसँग जोडेर क्याथोड बनाइन्छ। दुवैलाई भोल्टामिटर भनिने भाँडोमा राखिएको त्यही धातुको लवणको घोल अर्थात् इलेक्ट्रोलाइटमा झुन्ड्याइन्छ।

विद्युत् प्रवाह हुँदा एनोडका धातु परमाणु इलेक्ट्रोन गुमाएर आयोनका रूपमा घोलमा जान्छन् भने क्याथोडमा घोलका आयोन इलेक्ट्रोन लिएर शुद्ध धातुका रूपमा जम्मा हुन्छन्। तामाका लागि:
$\text{एनोडमा: } \text{Cu} \rightarrow \text{Cu}^{2+} + \text{2e}^- \qquad \text{क्याथोडमा: } \text{Cu}^{2+} + \text{2e}^- \rightarrow \text{Cu}$
एनोड बिस्तारै खिइँदै जान्छ भने क्याथोड बाक्लो हुँदै जान्छ। अशुद्धि या त घोलमै घुलेर रहन्छन् या एनोडमुनि एनोड मडका रूपमा खस्छन्।

विद्युत् प्रवाह सुरु गर्नुहोस् र तामा अशुद्ध एनोडबाट शुद्ध क्याथोडतिर सरेको हेर्नुहोस्। निला थोप्ला तामाका आयोन हुन् भने पिँधमा खस्ने अशुद्धि एनोड मड हो।

सरेको तामा: 0 %
एनोड (अशुद्ध): 100 % बाँकी

क्रियाकलाप

17.3: इलेक्ट्रोरिफाइनिङबाट तामा शुद्ध पार्ने

आवश्यक सामग्री: भोल्टामिटर (वा काँचको बिकर), अशुद्ध तामाको एउटा टुक्रा, शुद्ध तामाको पातलो पाता, ब्याट्री र निलोतुथो (कपर सल्फेट) को घोल (वा तामाको अर्को लवण)।
भोल्टामिटरमा निलोतुथोको घोल खन्याउनुहोस्। माथिको चित्रमा जस्तै अशुद्ध तामालाई ब्याट्रीको धनात्मक ध्रुवसँग जोडेर एनोड र शुद्ध तामाको पातालाई ऋणात्मक ध्रुवसँग जोडेर क्याथोड बनाउनुहोस्। अब केही समयसम्म विद्युत् प्रवाह गर्नुहोस्।
अवलोकन: तपाईँले के देख्नुभयो? यस्तो किन भयो होला?

के देखिनुपर्छ

अशुद्ध तामाको एनोड बिस्तारै खिइँदै जान्छ भने क्याथोडमा हल्का गुलाफी-सुन्तले रङको नयाँ शुद्ध तामा थपिँदै जान्छ। तामाका परमाणु Cu²⁺ आयोन बनेर एनोड छोड्छन् र घोल हुँदै क्याथोडमा पुगेर जम्मा हुन्छन्; अशुद्धि चाहिँ पछाडि रहन्छन्।
निष्कर्ष: विद्युत् विच्छेदन विधि प्रयोग गरी अशुद्ध तामाबाट शुद्ध तामा प्राप्त गर्न सकिन्छ।

ध्यान दिनुहोस्

कति शुद्ध? कुन कुन धातु?

इलेक्ट्रोरिफाइनिङ गरिएको तामा करिब 99.99% शुद्ध हुन्छ। अलिकति अशुद्धि हुँदा पनि तामाको सुचालकता निकै घट्ने भएकाले बिजुलीका तारलाई यत्तिकै शुद्ध तामा चाहिन्छ। परीक्षामा “99% भन्दा बढी शुद्ध (तामाका लागि करिब 99.99%)” लेख्नु सुरक्षित हुन्छ। यो विधि मुख्यतया तामा, चाँदी, सुन, जिङ्क, निकल र टिनका लागि प्रयोग गरिन्छ। फलामलाई भने प्रायः अरू तरिकाले शुद्ध पारिन्छ: स्टिल बनाउने फलामको रिफाइनिङ पग्लिएको फलाममा अक्सिजन फुकेर गरिन्छ।

क्रियाकलाप

17.4: फ्लोचार्ट

हरेक चरणमा एउटा धाउको उदाहरणसहित धातु विज्ञानका चरण झल्किने फ्लोचार्ट चार्टपेपरमा बनाउनुहोस् र कक्षामा प्रस्तुत गर्नुहोस्।

बनाउने एउटा तरिका

खानीबाट निकालेको धाउ → ग्राइन्डिङ (पिँधेर धुलो) → कन्सन्ट्रेसन (अशुद्ध पदार्थ हटाउने: गुरुत्व विधि, चुम्बकीय विधि वा फ्रोथ फ्लोटेसन) → अक्सिडेसन (सल्फाइड धाउलाई हावामा रोस्टिङ; कार्बोनेट धाउलाई हावाबिना क्याल्सिनेसन) → रिडक्सन (अक्साइडलाई कार्बन, CO वा H₂ सँग तताउने, प्रायः स्मेल्टिङ गरेर; सक्रिय धातुका लागि विद्युत् विच्छेदन) → रिफाइनिङ (डिस्टिलेसन वा इलेक्ट्रोरिफाइनिङ) → शुद्ध धातु।
उदाहरण, जिङ्क ब्लेन्डबाट जिङ्क: ZnS → (फ्रोथ फ्लोटेसन) → (रोस्टिङ) 2ZnS + 3O₂ → 2ZnO + 2SO₂ → (रिडक्सन) ZnO + C → Zn + CO → (डिस्टिलेसन) शुद्ध जिङ्क।

एउटा धाउ छान्नुहोस् र हरेक चरणमा सही विधि छान्नुहोस्। गलत विधि छानेमा त्यो किन मिलेन भन्ने कुरा देखिन्छ भने सही विधि छानेमा त्यसको रासायनिक समीकरण देखिन्छ।

सही चरण: 0 / 4 · ZnS → जिङ्कZnCO₃ → जिङ्कCu₂S → तामाHgS → मर्करीFe₂O₃ → फलाम

1. कन्सन्ट्रेसन

एउटा विधि छान्नुहोस्।

जिङ्क ब्लेन्ड बालुवाभन्दा गह्रौँ हुन्छ, तर यसका मसिना दाना अशुद्ध पदार्थसँग राम्ररी मिसिएका हुने भएकाले पखाल्दा यसको धेरै भाग बगेर जान्छ। सल्फाइड धाउ अर्कै तरिकाले कन्सन्ट्रेट गरिन्छ।

जिङ्क ब्लेन्ड चुम्बकीय हुँदैन।

सही: सल्फाइड धाउ तेलयुक्त फोकामा टाँसिएर उत्रन्छ; बालुवा डुब्छ।

सही: पानीले हलुका बालुवा र माटो बगाएर लैजान्छ, गह्रौँ धाउ तल बस्छ।

क्यालामाइन चुम्बकीय हुँदैन।

फ्रोथ फ्लोटेसन सल्फाइड धाउका लागि राम्रो काम गर्छ।

मसिनोसँग मिसिएको सल्फाइड धाउ पखाल्दा धेरै भाग बगेर जान्छ; सल्फाइड धाउ अर्कै तरिकाले कन्सन्ट्रेट गरिन्छ।

कपर ग्लान्स चुम्बकीय हुँदैन।

सही: सल्फाइड धाउ तेलयुक्त फिँजमा उत्रन्छ।

पखाल्दा सिनाबार यसको अशुद्ध पदार्थबाट राम्ररी छुट्टिँदैन।

सिनाबार चुम्बकीय हुँदैन।

सही: यो सल्फाइड हो, त्यसैले फिँजमा उत्रन्छ।

सही: हेमाटाइट गह्रौँ हुन्छ, बालुवा र माटो हलुका, त्यसैले पानीको धारले तिनलाई छुट्याउँछ।

हेमाटाइट थोरै मात्र चुम्बकीय हुन्छ; चुम्बकीय विधि म्याग्नेटाइट (Fe₃O₄) का लागि प्रयोग हुन्छ।

फ्रोथ फ्लोटेसन सल्फाइड धाउका लागि हो।

2. अक्सिडेसन

एउटा विधि छान्नुहोस्।

सही: 2ZnS + 3O₂ → 2ZnO + 2SO₂। हावाले सल्फर जलाएर हटाउँछ।

क्याल्सिनेसन (हावाबिना) कार्बोनेटका लागि हो; सल्फाइडको सल्फर जलाएर हटाउन हावा चाहिन्छ।

ZnS सल्फाइड हो, अझै अक्साइड भएको छैन।

हावामा रोस्टिङ सल्फाइडका लागि हो; कार्बोनेटबाट कार्बनडाइअक्साइड निकाल्न तताए मात्र पुग्छ।

सही: ZnCO₃ → ZnO + CO₂। हावाबिना तताउँदा कार्बनडाइअक्साइड निस्कन्छ।

ZnCO₃ कार्बोनेट हो, अझै अक्साइड भएको छैन।

सही: 2Cu₂S + 3O₂ → 2Cu₂O + 2SO₂।

क्याल्सिनेसन कार्बोनेटका लागि हो; सल्फाइडलाई हावामा तताउनुपर्छ।

Cu₂S सल्फाइड हो, अझै अक्साइड भएको छैन।

सही: 2HgS + 3O₂ → 2HgO + 2SO₂।

क्याल्सिनेसन कार्बोनेटका लागि हो; सल्फाइडलाई हावामा तताउनुपर्छ।

HgS सल्फाइड हो, अझै अक्साइड भएको छैन।

हेमाटाइट पहिले नै अक्साइड हो।

हेमाटाइट पहिले नै अक्साइड हो; यसबाट निकाल्नुपर्ने कार्बनडाइअक्साइड छैन।

सही: हेमाटाइट पहिले नै अक्साइड, Fe₂O₃, हो।

3. रिडक्सन

एउटा विधि छान्नुहोस्।

सही: ZnO + C → Zn + CO। जिङ्क सक्रियता श्रेणीको बिचतिर छ, त्यसैले कार्बनले यसको अक्सिजन लिन सक्छ।

यस किताबको विधि होइन: जिङ्क धेरै सक्रिय नभएकाले यो चाहिँदैन। (धेरै आधुनिक कारखानामा भने पछि आएको अर्कै विधिबाट जिङ्क निकाल्न विद्युत् प्रयोग गरिन्छ।)

जिङ्क अक्साइड स्थिर हुन्छ; तताउँदा मात्र यो टुक्रिँदैन।

सही: ZnO + C → Zn + CO।

यस किताबको विधि होइन: जिङ्क अक्साइडका लागि कार्बन नै पुग्छ।

जिङ्क अक्साइड स्थिर हुन्छ; तताउँदा मात्र यो टुक्रिँदैन।

सही: Cu₂O + C → 2Cu + CO।

तामा सक्रिय छैन; कार्बन नै पुग्छ, र धेरै सस्तो पनि हुन्छ।

कपर अक्साइड तताउँदा मात्र आफैँ टुक्रिँदैन। (वास्तविक तामा कारखानामा भने कार्बनबिनै काम चलाइन्छ: त्यहाँ Cu₂O लाई बाँकी Cu₂S सँग तताइन्छ, 2Cu₂O + Cu₂S → 6Cu + SO₂। यसबारे माथिल्ला कक्षामा पढिनेछ।)

चाहिँदैन: मर्करी असाध्यै कम सक्रिय भएकाले यसको अक्साइड तताउँदा आफैँ टुक्रिन्छ।

मर्करीजस्तो कम सक्रिय धातुका लागि चाहिनेभन्दा धेरै बढी।

सही: 2HgO → 2Hg + O₂। मर्करी सक्रियता श्रेणीको तलतिर छ।

सही: ब्लास्ट फर्नेसमा, Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂।

फलाम सक्रियता श्रेणीको बिचतिर छ; कार्बन मोनोअक्साइड नै पुग्छ, र धेरै सस्तो पनि हुन्छ।

आइरन अक्साइड धेरै स्थिर हुने भएकाले तताउँदा मात्र टुक्रिँदैन।

4. रिफाइनिङ

एउटा विधि छान्नुहोस्।

सही: जिङ्क 907 °C मा उम्लन्छ, त्यसैले यसलाई उमालेर र बाफ चिस्याएर अशुद्धि पछाडि छाड्न सकिन्छ।

सम्भव छ, तर जिङ्कको उम्लने तापक्रम कम भएकाले डिस्टिलेसन नै सजिलो तरिका हो।

फलामलाई स्टिल बनाउने तरिका यही हो।

सही: जिङ्क 907 °C मा उम्लन्छ, त्यसैले यसलाई डिस्टिलेसन गर्न सकिन्छ।

सम्भव छ, तर जिङ्कको उम्लने तापक्रम कम भएकाले डिस्टिलेसन नै सजिलो तरिका हो।

फलामलाई स्टिल बनाउने तरिका यही हो।

तामा 2,562 °C मा उम्लन्छ: डिस्टिलेसन गर्न धेरै नै तातो।

सही: बिजुलीका तारका लागि तामालाई इलेक्ट्रोरिफाइनिङ गरेर 99.99% शुद्ध बनाइन्छ।

फलामलाई स्टिल बनाउने तरिका यही हो; तामा योभन्दा धेरै शुद्ध हुनुपर्छ।

सही: मर्करी 357 °C मै उम्लन्छ, त्यसैले यसलाई डिस्टिलेसन गरेर शुद्ध पारिन्छ।

यति सजिलै उम्लने धातुका लागि डिस्टिलेसन धेरै सजिलो हुन्छ।

फलामलाई स्टिल बनाउने तरिका यही हो।

फलाम करिब 2,860 °C मा उम्लन्छ: डिस्टिलेसन गर्न धेरै नै तातो।

संसारले प्रयोग गर्ने यति धेरै फलामका लागि धेरै महँगो।

सही: पग्लिएको फलाममा अक्सिजन फुक्दा बढी भएको कार्बन र अरू अशुद्धि जल्छन्, र स्टिल बन्छ।

छोटकरीमा

धातु विज्ञानका चरण

चरण	के गरिन्छ	कसरी
ग्राइन्डिङ	धाउलाई धुलो बनाइन्छ	क्रसर र रोलरले
कन्सन्ट्रेसन	अशुद्ध पदार्थ हटाइन्छ	गुरुत्व विधि, चुम्बकीय विधि, फ्रोथ फ्लोटेसन
अक्सिडेसन	धाउलाई अक्साइडमा बदलिन्छ	रोस्टिङ (सल्फाइड, हावामा), क्याल्सिनेसन (कार्बोनेट, हावाबिना)
रिडक्सन	अक्सिजन हटाएर धातु निकालिन्छ	C, CO वा H₂ सँग तताएर (स्मेल्टिङ); सक्रिय धातुका लागि विद्युत् विच्छेदन
रिफाइनिङ	धातुलाई शुद्ध पारिन्छ	डिस्टिलेसन, इलेक्ट्रोरिफाइनिङ

परियोजना कार्य

पृथ्वीबाट धातु

धातु कसरी निकालिन्छ भन्नेबारे इन्टरनेटमा भिडियो र तस्बिर खोज्नुहोस्। जस्तै, ब्लास्ट फर्नेसमा फलाम बनाइएको, विद्युत् विच्छेदनबाट आल्मिनियम बनाइएको वा इलेक्ट्रोरिफाइनिङबाट तामा शुद्ध पारिएको। त्यसपछि धातु विज्ञानबारे छोटो प्रतिवेदन तयार पारेर कक्षामा प्रस्तुत गर्नुहोस्।

सुझाव

एउटा धातु छानेर त्यसलाई सुरुदेखि अन्त्यसम्म पछ्याउनुहोस्: त्यसको धाउ, धाउ कहाँ खनिन्छ, धातु निकाल्ने हरेक चरण र धातुको प्रयोग।
खानीले गर्न सक्ने एउटा हानि (धुलो, फालिएको ढुङ्गा, प्रदूषित खोला, खर्च हुने ऊर्जा) र त्यसलाई घटाउने उपाय पनि लेख्नुहोस्। पुनःप्रयोग (recycling) पनि एउटा उपाय हो: पुराना क्यानबाट आल्मिनियम बनाउन बक्साइटबाट बनाउन लाग्ने ऊर्जाको करिब 5% मात्र लाग्छ।

अभ्यास

1. तलका प्रश्नको सही विकल्प छनोट गर्नुहोस्

क. फलामको मुख्य धाउ कुन हो?

किन भनेर हेर्न एउटा उत्तर छान्नुहोस्।

फलामको मुख्य धाउ हेमाटाइट (Fe₂O₃) हो। बक्साइट आल्मिनियमको र अर्जेन्टाइट चाँदीको धाउ हो। पाइराइट (FeS₂) मा फलाम त हुन्छ, तर सल्फर धेरै हुने भएकाले यसलाई फलामको धाउका रूपमा प्रयोग गरिँदैन।

ख. प्रकृतिमा शुद्ध अवस्थामा पाइने धातु कुन हो?

किन भनेर हेर्न एउटा उत्तर छान्नुहोस्।

सुन अत्यन्तै कम सक्रिय भएकाले शुद्ध अवस्थामा पाइन्छ। (तामा पनि कहिलेकाहीँ शुद्ध अवस्थामा पाइन्छ, तर धेरैजसो तामा यसका धाउबाट निकालिन्छ। त्यसैले यहाँ प्रस्ट उत्तर सुन हो।)

ग. प्रारम्भिक चरणमा धाउलाई शुद्ध पार्न अपनाइने प्रक्रिया कुन हो?

किन भनेर हेर्न एउटा उत्तर छान्नुहोस्।

धातु निकाल्ने पहिलो चरण ग्राइन्डिङ हो: धाउलाई सबैभन्दा पहिले फुटाएर र पिँधेर धुलो बनाएपछि मात्र यसबाट अशुद्ध पदार्थ छुट्याउन (कन्सन्ट्रेसन) सकिन्छ। अशुद्धि साँच्चै हटाउने पहिलो चरण भने कन्सन्ट्रेसन हो। त्यसैले प्रश्नमा “अशुद्ध पदार्थ हटाउने पहिलो चरण” सोधिएको भए उत्तर कन्सन्ट्रेसन हुन्थ्यो।

घ. दिइएकामध्ये कुन धाउलाई अक्सिडाइज गर्न क्याल्सिनेसन गरिन्छ?

किन भनेर हेर्न एउटा उत्तर छान्नुहोस्।

हेमाटाइट (Fe₂O₃), बक्साइट (Al₂O₃·2H₂O) र क्युप्राइट (Cu₂O) पहिले नै अक्साइड भएकाले तिनलाई अक्सिडाइज गर्नु पर्दैन। अक्साइड नभएको एउटै धाउ साइड्राइट (FeCO₃) हो। साइड्राइट कार्बोनेट भएकाले सामान्य नियमअनुसार यसको क्याल्सिनेसन गरिन्छ। तर साइड्राइट अपवाद हो: यसमा भएको फलाम पनि आइरन(II) बाट आइरन(III) अक्साइडमा अक्सिडाइज हुने भएकाले यसलाई हावामा तताइन्छ, अर्थात् रोस्टिङ गरिन्छ: 4FeCO₃ + O₂ → 2Fe₂O₃ + 4CO₂। कुनै किताबमा यही प्रश्न “रोस्टिङ” भनेर सोधिन्छ। प्रश्नमा क्याल्सिनेसन लेखिएको होस् वा रोस्टिङ, उत्तर साइड्राइट नै हो।

ङ. स्मेल्टिङ कुन प्रक्रियाअन्तर्गत पर्छ?

किन भनेर हेर्न एउटा उत्तर छान्नुहोस्।

2. कारण दिनुहोस्

क.

सबै धाउ खनिज हुन् तर सबै खनिज धाउ होइनन्।

उत्तर

हरेक धाउ पृथ्वीको क्रस्टमा प्राकृतिक रूपमा पाइने यौगिक वा तत्त्व भएकाले हरेक धाउ खनिज हो। तर धातु सजिलै र नाफा हुने गरी निकाल्न सकिने खनिजलाई मात्र धाउ भनिन्छ। धेरै खनिजमा धातुको मात्रा थोरै हुने वा धातु कसिलो गरी बाँधिएको हुने भएकाले तिनबाट धातु निकाल्न धेरै खर्च लाग्छ; यस्ता खनिज खनिज त हुन्, तर धाउ होइनन्। जस्तै, माटोमा आल्मिनियम हुन्छ, तर माटो आल्मिनियमको धाउ होइन; बक्साइट भने धाउ हो।

ख.

कन्सन्ट्रेसनपश्चात् धाउलाई अक्सिडेसन गरिन्छ।

उत्तर

धातुको अक्साइडलाई कार्बन, कार्बन मोनोअक्साइड वा हाइड्रोजनले रिडक्सन गरेर धातु सजिलै निकाल्न सकिने भएकाले सल्फाइड र कार्बोनेट धाउलाई पहिले रोस्टिङ वा क्याल्सिनेसनद्वारा अक्साइडमा बदलिन्छ। कन्सन्ट्रेसनपछि अक्सिडेसन गरिने भएकाले काम नलाग्ने अशुद्ध पदार्थ तताउनु पर्दैन; धाउ मात्र तताए पुग्छ र इन्धन बच्छ। अक्सिडेसनका क्रममा सल्फर, कार्बनडाइअक्साइड र पानीजस्ता अशुद्धि पनि जलेर वा निस्केर हट्छन्।

3. फरक लेख्नुहोस्

क.

खनिज र धाउ

उत्तर

खनिज	धाउ
पृथ्वीको क्रस्टमा पाइने प्राकृतिक, अप्राङ्गारिक, मणिभ तत्त्व वा यौगिक	धातु सजिलै र नाफा हुने गरी निकाल्न सकिने खनिज
यसमा धातु थोरै हुन सक्छ	यसमा धातुको प्रतिशत धेरै हुन्छ
यसबाट धातु निकाल्नु किफायती नहुन सक्छ	यसबाट धातु निकाल्नु किफायती हुन्छ
सबै खनिज धाउ होइनन्	सबै धाउ खनिज हुन्
जस्तै, माटो (आल्मिनियमका लागि)	जस्तै, बक्साइट (आल्मिनियमका लागि)

ख.

रोस्टिङ र क्याल्सिनेसन

उत्तर

रोस्टिङ	क्याल्सिनेसन
धाउलाई प्रशस्त हावाको प्रवाहमा कडासँग तताइन्छ	धाउलाई हावाबिना (वा धेरै थोरै हावामा) कडासँग तताइन्छ
सल्फाइड धाउका लागि गरिन्छ	कार्बोनेट (र पानी मिसिएका) धाउका लागि गरिन्छ
सल्फर डाइअक्साइड निस्कन्छ	कार्बनडाइअक्साइड (र पानीको बाफ) निस्कन्छ
जस्तै, 2ZnS + 3O₂ → 2ZnO + 2SO₂	जस्तै, ZnCO₃ → ZnO + CO₂

ग.

अक्सिडेसन र रिडक्सन

उत्तर

अक्सिडेसन	रिडक्सन
अक्सिजन थपिनु (वा हाइड्रोजन हटिनु)	अक्सिजन हटिनु (वा हाइड्रोजन थपिनु)
धातु विज्ञानमा यसबाट धाउ अक्साइडमा बदलिन्छ	धातु विज्ञानमा यसबाट अक्साइड धातुमा बदलिन्छ
रोस्टिङ वा क्याल्सिनेसनद्वारा गरिन्छ	रिड्युसिङ एजेन्ट (C, CO, H₂) वा विद्युत् विच्छेदनद्वारा गरिन्छ
जस्तै, 2ZnS + 3O₂ → 2ZnO + 2SO₂	जस्तै, ZnO + C → Zn + CO

4. तलका प्रश्नको उत्तर दिनुहोस्

क.

धातु प्राप्त गर्ने स्रोत के हो?

उत्तर

धातु पृथ्वीको क्रस्टमा पाइने खनिजबाट प्राप्त हुन्छन्। सुन र प्लाटिनम (कहिलेकाहीँ चाँदी र तामा पनि) जस्ता कम सक्रिय धातु स्वतन्त्र शुद्ध अवस्थामा पाइन्छन् भने सक्रिय धातु अक्साइड, सल्फाइड, कार्बोनेट, क्लोराइड आदि यौगिकका रूपमा पाइन्छन्। नाफा हुने गरी धातु निकाल्न सकिने खनिजलाई त्यस धातुको धाउ भनिन्छ। समुद्रको पानी पनि केही धातुको स्रोत हो (यसबाट म्याग्नेसियम निकालिन्छ)। पुनःप्रयोग गरिने कबाडी पनि धातुको झन् झन् महत्त्वपूर्ण स्रोत बन्दै गएको छ।

ख.

फलाम, तामा, आल्मिनियम र चाँदीका धाउको सूची बनाउनुहोस्।

उत्तर

फलाम: हेमाटाइट (Fe₂O₃), म्याग्नेटाइट (Fe₃O₄), साइड्राइट (FeCO₃), लिमोनाइट (2Fe₂O₃·3H₂O), आइरन पाइराइट (FeS₂)।
तामा: चाल्कोसाइट अर्थात् कपर ग्लान्स (Cu₂S), चाल्कोपाइराइट अर्थात् कपर पाइराइट्स (CuFeS₂), क्युप्राइट (Cu₂O), मालाचाइट (Cu₂(OH)₂CO₃)।
आल्मिनियम: बक्साइट (Al₂O₃·2H₂O), क्रायोलाइट (Na₃AlF₆), कोरन्डम (Al₂O₃)।
चाँदी: अर्जेन्टाइट (Ag₂S), हर्न सिल्भर (AgCl), रुबी सिल्भर (Ag₃SbS₃), सिल्भर कपर ग्लान्स ((Ag,Cu)₂S)।

ग.

मेटालर्जी एक चरणबद्ध प्रक्रिया हो, कसरी? व्याख्या गर्नुहोस्।

उत्तर

धाउबाट धातु एकै पटकमा निकाल्न सकिँदैन। हरेक चरणमा धाउलाई अर्को चरणका लागि तयार पारिन्छ:

ग्राइन्डिङ: धाउलाई पिँधेर धुलो बनाएपछि यसको सतहको क्षेत्रफल ठुलो हुन्छ।
कन्सन्ट्रेसन: गुरुत्व विधि, चुम्बकीय विधि वा फ्रोथ फ्लोटेसनद्वारा अशुद्ध पदार्थ (बालुवा, माटो, ढुङ्गा) हटाएपछि धाउमा धातुको प्रतिशत बढ्छ।
अक्सिडेसन: कन्सन्ट्रेट गरिएको धाउलाई अक्साइडमा बदलिन्छ। सल्फाइड धाउलाई हावामा रोस्टिङ र कार्बोनेट धाउलाई हावाबिना क्याल्सिनेसन गरिन्छ।
रिडक्सन: अक्साइडलाई कार्बन, कार्बन मोनोअक्साइड वा हाइड्रोजनजस्ता रिड्युसिङ एजेन्टसँग तताएर (प्रायः स्मेल्टिङ गरेर) अक्सिजन हटाइन्छ। सक्रिय धातुको अक्साइडबाट भने विद्युत् विच्छेदनद्वारा अक्सिजन हटाइन्छ।
रिफाइनिङ: अशुद्ध धातुलाई डिस्टिलेसन वा इलेक्ट्रोरिफाइनिङद्वारा शुद्ध पारिन्छ।

उदाहरण: जिङ्क ब्लेन्ड (ZnS) → फ्रोथ फ्लोटेसन → रोस्टिङ गरेर ZnO → कार्बनले रिडक्सन गरेर जिङ्क → डिस्टिलेसन गरेर शुद्ध जिङ्क।

घ.

इलेक्ट्रोरिफाइनिङबाट कसरी शुद्ध धातु प्राप्त हुन्छ? एउटा क्रियाकलापको सहायताबाट व्याख्या गर्नुहोस्।

उत्तर

इलेक्ट्रोरिफाइनिङमा अशुद्ध धातुको ढिक्कालाई एनोड र शुद्ध धातुको पातलो पातालाई क्याथोड बनाइन्छ। दुवैलाई त्यही धातुको लवणको घोलमा राखेर विद्युत् प्रवाह गरिन्छ।
क्रियाकलाप (तामा): भोल्टामिटरमा निलोतुथो (कपर सल्फेट) को घोल भरिन्छ। अशुद्ध तामालाई ब्याट्रीको धनात्मक ध्रुवसँग जोडेर एनोड र शुद्ध तामाको पातलो पातालाई ऋणात्मक ध्रुवसँग जोडेर क्याथोड बनाइन्छ। त्यसपछि विद्युत् प्रवाह गरिन्छ।
एनोडमा तामाका परमाणु इलेक्ट्रोन गुमाएर आयोनका रूपमा घोलमा जान्छन्: Cu → Cu²⁺ + 2e⁻। क्याथोडमा तामाका आयोन इलेक्ट्रोन लिएर शुद्ध तामाका रूपमा जम्मा हुन्छन्: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu। एनोड खिइँदै जान्छ भने क्याथोडमा शुद्ध तामा थपिएर त्यो बाक्लो हुँदै जान्छ। अशुद्धि एनोडमुनि एनोड मडका रूपमा खस्छन् वा घोलमै रहन्छन्। यसरी पाइने तामा करिब 99.99% शुद्ध हुन्छ।

कार्यपत्र (PDF, 4 पृष्ठ) शिक्षकका लागि उत्तरकुञ्जिका

पुस्तकका सबै प्रश्नको अभ्यास गर्नुहोस्; नमिलेका प्रश्न छुट्टै देखिन्छन् →