లోహ సంగ్రహణ శాస్త్రం (ధాతువుల నుంచి లోహసంగ్రహణం)

 వేరుపరిచి.. శుద్ధిచేసి.. సేకరించి!

 

రకరకాల నిర్మాణాలు, వాటి దృఢత్వం, చిరకాల మన్నిక కోసం ఇనుము, ఉక్కు కావాలి. ప్యాకేజింగ్‌లకు అల్యూమినియం అవసరం. ఎలక్ట్రిక్‌ వైరింగ్‌లకు రాగి తప్పనిసరి. ఇవన్నీ మిశ్రమ లోహాలు. ప్రత్యక్షంగా ప్రకృతిలో లభించవు. ఆధునిక సాంకేతిక పద్ధతుల్లో వాటిని ఉత్పత్తి చేస్తారు. అందులో భాగంగా ఖనిజ ధాతువుల నుంచి మాలిన్యాలను తొలగించి లోహాలను వెలికితీస్తారు, శుద్ధి చేస్తారు, ప్రాసెసింగ్‌ నిర్వహిస్తారు. దీనినే లోహసంగ్రహణం అంటారు.  ఈ విధానంలో వివిధ మూలకాలను కలిపి కొత్త లోహాలను తయారు చేస్తారు. లోహాలకు ఉండే చర్యాశీలత, ఇతర మూలకాలతో కలిసినప్పుడు జరిపే చర్యల గురించి పరీక్షార్థులు తెలుసుకోవాలి. ఈ క్రమంలో ఉపయోగించే ప్రగలనం, భర్జనం, భస్మీకరణం, సాంద్రీకరణ, శుద్ధి, క్షయకరణ ప్రక్రియలు, వాటితో వచ్చే ఫలితాలు, సంబంధిత ఫార్ములాలపై అవగాహన పెంచుకోవాలి. 

లోహాలను వాటి ధాతువుల నుంచి సంగ్రహించి, వేరుపరచడం వంటి అంశాల్లో ముఖ్యంగా మూడు దశలు ఉంటాయి. అవి 

1) ముడి ఖనిజ సాంద్రీకరణ 

2) ముడి లోహ నిష్కర్షణ3) లోహాన్ని శుద్ధి చేయడం

ముడి ఖనిజ సాంద్రీకరణ: భూమి నుంచి మైనింగ్‌ ద్వారా పొందిన ధాతువులో సాధారణంగా మట్టి, ఇసుక వంటి మలినాలు పెద్ద మొత్తంలో కలిసి ఉంటాయి. వీటిని ఖనిజ మాలిన్యం అంటారు. ధాతువు నుంచి వీలైనంత ఖనిజ మాలిన్యాన్ని తక్కువ ఖర్చుతో కూడిన కొన్ని భౌతిక పద్ధతుల ద్వారా ముందుగా వేరుచేస్తారు. ఆ విధంగా పాక్షికంగా ఖనిజ మాలిన్యాన్ని ధాతువు నుంచి వేరుచేసే ప్రక్రియను ధాతు సాంద్రీకరణ అంటారు.

* ధాతువు, ఖనిజ మాలిన్యాల మధ్య భౌతిక ధర్మాల్లో ఉండే భేదంపై ఆధారపడి ధాతువును సాంద్రీకరణ చేయడానికి కొన్ని భౌతిక పద్ధతులను అవలంభిస్తారు.

1) చేతితో ఏరివేయడం(Hand picking): రంగు, పరిమాణం వంటి ధర్మాల్లో ధాతువు, మలినాల (గ్యాంగ్‌)కు మధ్య వ్యత్యాసం ఉంటే ఈ పద్ధతిని అనుసరిస్తారు. ఇందులో ధాతు కణాలను చేతితో ఏరివేయడం ద్వారా ఇతర మలినాల నుంచి వేరుచేయవచ్చు.

2) నీటితో కడగడం (washing):  ధాతువును బాగా చూర్ణం చేసి వాలుగా ఉన్నతలంపై ఉంచుతారు. పై నుంచి వచ్చే నీటి ప్రవాహంతో కడుగుతారు. అప్పుడు తేలికగా ఉన్న మలినాలు నీటి ప్రవాహంతో కొట్టుకుపోతాయి. శుద్ధమైన ముడి ఖనిజ కణాలు మిగిలిపోతాయి.

3) ప్లవన ప్రక్రియ (Forth Flotation):  ముఖ్యంగా సల్ఫైట్‌ ధాతువుల నుంచి ఖనిజ మాలిన్యాన్ని తొలగించడానికి ఈ పద్ధతి వీలుగా ఉంటుంది. ఇందులో ఖనిజాన్ని మెత్తని చూర్ణంగా చేసి, నీటితో ఉన్న తొట్టిలో ఉంచి, దానిలోకి అధిక పీడనంతో గాలిని పంపి నురగ వచ్చే విధంగా చేస్తారు. అడుగు భాగానికి బరువైన మాలిన్య కణాలు చేరి, తేలికైన నురగ తెట్టుగా మారి పైకి తేలుతుంది. దానిలో ఖనిజ కణాలు ఉంటాయి. వాటిని వేరుచేసి ధాతు కణాలను సేకరిస్తారు.

4) అయస్కాంత వేర్పాటు: ముడి ఖనిజం గానీ, లేదా ఖనిజ మాలిన్యం గానీ ఏదో ఒకటి అయస్కాంత పదార్థం అయి ఉంటే దాన్ని విద్యుదయస్కాంతాలను ఉపయోగించి వేరు చేస్తారు.

లోహాల చర్యాశీలత:  K, Na, Ca, Mg, Al వంటి లోహాలు అత్యధిక చర్యాశీలత కలిగి ఉంటాయి.

* Zn, Fe, Pb, Cu వంటి లోహాలు మధ్యస్థ చర్యాశీలత కలిగి ఉంటాయి.

* Hg, Ag, Pt, Au వంటి లోహాలు అత్యల్ప చర్యాశీలత కలిగి ఉంటాయి.

* Na, K వంటి లోహాలు తక్కువ ఆక్సిజన్‌ సమక్షంలో Na₂O, k₂O లను అధిక ఆక్సిజన్‌ సమక్షంలో పెరాక్సైడ్‌లను ఏర్పరుస్తాయి.

* K  నుంచి Mg వరకు ఉన్న మూలకాలు హైడ్రోజన్‌ను చల్లని నీటి నుంచి స్థానభ్రంశం చెందిస్తాయి. కానీ వీటి చర్యాశీలత తగ్గుతూ ఉంటుంది. Fe నెమ్మదిగా  K తీవ్రంగా చర్య జరుపుతాయి.

* K నుంచి Fe వరకు నీటిఆవిరితో చర్య జరిపి  H₂ ను స్థానభ్రంశం చెందిస్తాయి. వీటి చర్యాశీలత తగ్గుతుంది. ఇందులో K - తీవ్రంగా, Mg - చాలా నెమ్మదిగా చర్య జరుపుతాయి. 

* K  నుంచి Pb వరకు మూలకాలు బలమైన విలీన ఆమ్లాలతో H₂  ను స్థానభ్రంశం చెందిస్తాయి. చర్యాశీలత K నుంచి Pb కి తగ్గుతుంది. ఇందులో K - అతితీవ్రంగా, Mg - చాలా చురుగ్గా,  Fe - నెమ్మదిగా, Pb - చాలా నెమ్మదిగా చర్య జరుపుతాయి.

* Ca, Mg, Al, Zn, Fe వంటి లోహాలు తగ్గుతున్న తీవ్రతతో మండుతూ CaO, MgO, Al₂O₃, ZnO, Fe₂O₃ వంటి ఆక్సైడ్‌లను ఏర్పరుస్తాయి.

* Pb, Cu, Hg లోహాలు మండవు. ఆక్సిజన్‌తో చర్య జరిపి ఉపరితలంపై వరుసగా PbO, CuO, HgO వంటి ఆక్సైడ్‌ పొరలను ఏర్పరుస్తాయి.

* Ag, Pt, Au   వంటి లోహాలు మండవు. ఆక్సిజన్‌తో కూడా చర్య జరపవు.

* Al నుంచి Au వరకు మూలకాలు చల్లని నీటి నుంచి H₂  ను స్థానభ్రంశం చెందించలేవు.

* Pb నుంచి Au  వరకు మూలకాలు ఆవిరి నుంచి H₂ ను స్థానభ్రంశం చెందిస్తాయి.

*  Cu  నుంచి Au వరకు మూలకాలు బలమైన విలీన ఆమ్లంతో H₂ ను స్థానభ్రంశం చెందించలేవు.

* అన్ని లోహాలు క్లోరిన్‌తో వేడిమి చర్య జరిపి వాటి క్లోరైడ్‌లను ఏర్పరుస్తాయి. కానీ పైనుంచి కిందకు ఈ చర్యాశీలత తగ్గుతుంది.

* ఒక మోల్‌ క్లోరిన్‌ వాయువుతో లోహం చర్య జరిపి క్లోరైడ్‌ను ఏర్పరచినప్పుడు వెలువడిన ఉష్ణాన్ని బట్టి ఇది అవగతమవుతుంది.

* అన్ని లోహాలు (దాదాపుగా) క్లోరిన్‌తో చర్య జరిపి KCl, NaCl, CaCl₂, MgCl₂, AlCl₂, ZnCl₂, ...... AuCl₃, PtCl₃ లు ఏర్పడతాయి.

ధాతువు నుంచి ముడి లోహ సంగ్రహణ: భూమి నుంచి లభించిన ధాతువును సాంద్రీకరణ చెందించిన తర్వాత శుద్ధి చేసి ధాతువును పొందుతారు. ఈ ధాతువు నుంచి సాంద్రీకరించిన లోహాన్ని సంగ్రహణ చేయడానికి క్షయకరణ చర్య ద్వారా దాన్ని లోహ ఆక్సైడ్‌గా మారుస్తారు. ఈ లోహ ఆక్సైడ్‌ను మళ్లీ క్షయకరణకు గురిచేసి మలినాలతో కూడిన లోహాన్ని పొందుతారు. ఒక లోహాన్ని దాని ధాతువుల నుంచి సంగ్రహించడం ఆ లోహం చర్యాశీలతపై ఆధారపడి ఉంటుంది. లోహాలను వీటి చర్యాశీలతల అవరోహణ క్రమంలో అమర్చితే వచ్చే శ్రేణిని చర్యాశీలత శ్రేణి అంటారు.

 

చర్యాశీలతల ఆధారంగా లోహ ధాతువుల క్షయకరణం: * K, Na, Ca, Mg, Al వంటి లోహాల లోహధాతువులను C, CO లతో వేడిమి చర్య వంటి సాధారణ క్షయకరణ పద్ధతులను వాడి లోహ నిష్కర్షణ చేయడం కుదరదు.

* ఈ లోహాలను సంగ్రహించడానికి వాటి ద్రవరూప సమ్మేళనాలను విద్యుత్తు విశ్లేషణ చేయడం అనువైన పద్ధతి. ఉదాహరణకు సోడియం క్లోరైడ్‌ (NaCl) నుంచి Na పొందడానికి ద్రవరూప NaCl ను స్టీల్‌క్యాతోడ్, గ్రాఫైట్‌ ఆనోడ్‌ సహాయంతో విద్యుత్తు విశ్లేషణ చేస్తారు.

* క్యాథోడ్‌ వద్ద సోడియం లోహం నిక్షిప్తమై ఆనోడ్‌ వద్ద క్లోరిన్‌ వెలువడుతుంది.

* విద్యుత్తు విశ్లేషణం చేసినప్పుడు ధాతువును ద్రవస్థితిలో ఉంచడానికి అధిక పరిమాణంలో విద్యుత్తు అవసరం.

*Zn, Fe, Sn, Pb, Cu   వంటి లోహాల లోహ ధాతువులు సాధారణంగా సల్ఫైడ్, కార్బొనేట్‌ రూపంలో ఉంటాయి. ఈ లోహధాతువులను క్షయక్షరణం చెందించే ముందు తప్పకుండా ఆక్సైడ్‌లుగా మార్చాలి.

* సల్ఫైడ్‌ ధాతువులను లోహాలుగా క్షయకరణం చేసే ముందు భర్జనం చేసి వాటిని ఆక్సైడ్‌లుగా మారుస్తారు.

కార్బన్‌తో లోహ ఆక్సైడ్‌ క్షయకరణం: ఈ లోహ ఆక్సైడ్‌లను మూసివున్న కొలిమిలో తీసుకొని కోల్‌తో బాగా వేడి చేసి క్షయకరణం చేస్తారు. ఈ చర్యలో లోహం, కార్బన్‌ మోనాక్సైడ్‌ ఏర్పడతాయి.

కార్బన్‌ మోనాక్సైడ్‌తో ఆక్సైడ్‌ ధాతువులను క్షయకరణం చెందించడం:

సల్ఫైడ్‌ ధాతువుల స్వయం క్షయకరణం: సల్ఫైడ్‌ ధాతువుల నుంచి రాగిని సంగ్రహించేటప్పుడు ఆ ధాతువును గాలిలో పాక్షిక భర్జనం చేసి ఆక్సైడ్‌గా మారుస్తారు. 

* గాలి లేకుండా ఉష్ణోగ్రతను పెంచితే మిగిలిన లోహ సల్ఫైడ్, లోహ ఆక్సైడ్‌తో చర్యపొంది లోహాన్ని, SO₂ ను ఏర్పరుస్తుంది.

థర్మైట్‌ చర్య: థర్మైట్‌ అనే ప్రక్రియలో ఆక్సైడ్‌లు, అల్యూమినియం మధ్య చర్య జరుగుతుంది. అధిక చర్యాశీలత ఉన్న లోహాలు సోడియం, కాల్షియం, అల్యూమినియం వంటి వాటిని, అలాగే తక్కువ చర్యాశీలత ఉన్న లోహాలను వాటి ధాతువుల నుంచి స్థానభ్రంశం చెందించడానికి ఉపయోగిస్తారు.

* ఐరన్‌ ఆక్సైడ్‌(Fe₂O₃) అల్యూమినియంతో చర్య పొందినప్పుడు ఏర్పడిన ద్రవ ఇనుమును విరిగిన రైలుపట్టాలు, పగిలిన యంత్ర పరికరాలను అతికించడానికి ఉపయోగిస్తారు. ఈ చర్యనే ధర్మైట్‌ చర్య అంటారు.

*  Ag, Hg లాంటి లోహాలు చర్యాశీలత శ్రేణిలో దిగువున ఉన్నాయి. అందుకే స్వేచ్ఛా స్థితిలో ఉంటాయి. వీటిని వేడిమి చర్యతో క్షయాకరింపచేసి లేదా జలద్రావణాల నుంచి స్థానభ్రంశం చెందించడం ద్వారా పొందవచ్చు.

* పాదరసం యొక్క సల్ఫైడ్‌ ధాతువును (సిన్నాబార్‌) గాలిలో మండించినప్పుడు అది మొదట HgO గా మారుతుంది. ఇంకా బాగా వేడి చేస్తే పాదరసం ఏర్పడుతుంది.

 

రచయిత: చంటి రాజుపాలెం