धडा ८: धातुविज्ञान

नियम 1 : धातूंचे भौतिक गुणधर्म — धातू बहुधा स्थायू असतात; पारा आणि गॅलियम खोलीच्या तापमानाला द्रव असतात. त्यांना चकाकी (luster) असते, जी ऑक्सिजन, आर्द्रता आणि काही क्रियाशील वायूंच्या संपर्कात कमी होते. ते तन्य (ductile, तारा ओढता येतात), वर्धनीय (malleable, पत्रे बनवता येतात) आणि उष्णता व विजेचे चांगले वाहक असतात. धातू साधारणपणे कठीण असतात, पण गट 1 चे क्षार धातू (लिथियम, सोडियम, पोटॅशियम) मऊ असून चाकूने कापता येतात. टंगस्टनचा द्रवणांक सर्वाधिक (3422 °C). आघात केल्यावर आवाज करणारे धातू नादमय (sonorous) असतात.

आकृतीत : आकृतीत धातू आणि अधातूंचे गुणधर्म.

• सोपे : तांबे तन्य असल्याने त्याच्या बारीक तारा बनतात; अॅल्युमिनियम वर्धनीय असल्याने त्याचा पत्रा (फॉइल) बनतो.
• मध्यम : शाळेच्या घंटा धातूच्या असतात कारण धातू नादमय असतो.
• परीक्षेसाठी : सोडियम आणि पोटॅशियम रॉकेलात का ठेवतात आणि ते चाकूने का कापता येतात? कारण ते मऊ, अतिक्रियाशील क्षार धातू आहेत.

नियम 2 : अधातू आणि आयन — अधातू स्थायू किंवा वायू असतात (ब्रोमिन द्रव); त्यांना चकाकी नसते (आयोडीनचे स्फटिक चकाकतात), ते कठीण नसतात (हिरा, सर्वात कठीण नैसर्गिक पदार्थ, अपवाद), द्रवणांक आणि उत्कलनांक कमी असतात आणि ते वाईट वाहक असतात (ग्रॅफाइट विजेचे चांगले वाहक). हिरा विजेचा वाईट वाहक पण उष्णतेचा चांगला वाहक आहे. धातू इलेक्ट्रॉन गमावून धन आयन बनवतात, म्हणून ते विद्युतधन (electropositive); अधातू इलेक्ट्रॉन घेऊन ऋण आयन बनवतात, म्हणून ते विद्युतऋण (electronegative).

• सोपे : कार्बन अधातू असूनही पेन्सिलचा ग्रॅफाइटचा गाभा वीज वाहतो.
• मध्यम : सोडियम (2,8,1) एक इलेक्ट्रॉन गमावून Na⁺ बनतो; क्लोरीन (2,8,7) एक इलेक्ट्रॉन घेऊन Cl⁻ बनतो.
• परीक्षेसाठी : हिरा आणि ग्रॅफाइट दोन्ही कार्बन आहेत, तरी हिरा कठीण व विद्युतरोधक, तर ग्रॅफाइट मऊ व विजेचे चांगले वाहक.

फरक ओळखा

नियम 1 : धातूंच्या अभिक्रिया — ऑक्सिजनशी : धातू ऑक्साइडे बनवतात. सोडियम खोलीच्या तापमानालाही हवेशी अभिक्रिया करतो (4Na + O₂ → 2Na₂O) आणि पेट घेतो, म्हणून तो रॉकेलात ठेवतात. Na₂O आणि MgO सारखी ऑक्साइडे पाण्याशी अभिक्रिया करून NaOH आणि Mg(OH)₂ हे अल्कली देतात. पाण्याशी : सोडियम आणि पोटॅशियम वेगाने, तीव्रतेने हायड्रोजन मुक्त करतात; कॅल्शियम हळू अभिक्रिया करतो आणि तरंगतो; अॅल्युमिनियम, लोखंड आणि जस्त थंड किंवा गरम पाण्याशी अभिक्रिया करत नाहीत पण वाफेशी करून ऑक्साइडे आणि हायड्रोजन देतात. विरळ आम्लांशी क्रियाशीलतेचा क्रम Mg > Al > Zn > Fe. राजद्रव (aqua regia, सांद्र HCl : सांद्र HNO₃ = 3 : 1) सोने आणि प्लॅटिनम विरघळवते.

• सोपे : Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂ ही अभिक्रिया Fe + 2HCl पेक्षा जलद कारण Mg जास्त क्रियाशील.
• मध्यम : कॅल्शियमला हायड्रोजनचे बुडबुडे चिकटल्याने तो तरंगतो, तर सोडियम वेगाने अभिक्रिया करतो आणि पेट घेऊ शकतो.
• परीक्षेसाठी : 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂ हे संतुलित समीकरण लिहा आणि सोडियम रॉकेलात का ठेवतात ते सांगा.

आकृतीत : आकृतीत क्रियाशीलता श्रेणी.

नियम 2 : विस्थापन आणि श्रेणी — धातू A ने धातू B ला त्याच्या क्षाराच्या द्रावणातून विस्थापित केले तर A हा B पेक्षा जास्त क्रियाशील. लोखंड कॉपर सल्फेटमधून तांबे विस्थापित करतो, म्हणून लोखंड तांब्यापेक्षा जास्त क्रियाशील. श्रेणी : K, Na, Li, Ca, Mg, Al, Zn, Fe, Sn, Pb, Cu, Hg, Ag, Au सर्वाधिक ते सर्वात कमी क्रियाशील; धातूंची अतिक्रियाशील, मध्यम क्रियाशील आणि कमी क्रियाशील अशी विभागणी.

आकृतीत : आकृतीत लोखंड तांब्याला विस्थापित करतो, म्हणून लोखंड जास्त क्रियाशील.

• सोपे : Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu ही अभिक्रिया होते, म्हणून जस्त तांब्यापेक्षा जास्त क्रियाशील.
• मध्यम : झिंक सल्फेटच्या द्रावणात तांबे ठेवल्यास काहीच बदल होत नाही कारण तांबे कमी क्रियाशील असून जस्ताला विस्थापित करू शकत नाही.
• परीक्षेसाठी : Cu, Mg, Fe, Ag यांना क्रियाशीलतेच्या उतरत्या क्रमाने लावा : Mg > Fe > Cu > Ag.

फरक ओळखा

नियम 1 : अधातू आणि अष्टक — उदात्त वायू (हेलियम, निऑन, आर्गॉन) रासायनिकदृष्ट्या निष्क्रिय असतात कारण त्यांचे बाह्यतम कवच पूर्ण असते. धातू इलेक्ट्रॉन गमावून आणि अधातू इलेक्ट्रॉन घेऊन उदात्त वायूचे अष्टक मिळवतात. अधातू साधारणपणे आम्लधर्मी ऑक्साइडे (CO₂, SO₂) देतात; CO हे उदासीन ऑक्साइड. अधातू सामान्यतः पाणी किंवा विरळ आम्लाशी अभिक्रिया करत नाहीत, पण हॅलोजन करतात (Cl₂ + H₂O → HOCl + HCl).

• सोपे : Mg (2,8,2) 2 इलेक्ट्रॉन गमावून अष्टक 2,8 असलेला Mg²⁺ बनतो.
• मध्यम : ऑक्सिजन (2,6) 2 इलेक्ट्रॉन घेऊन O²⁻ (2,8) बनतो; Mg²⁺ आणि O²⁻ पासून मॅग्नेशियम ऑक्साइड MgO बनतो.
• परीक्षेसाठी : CO₂ आणि SO₂ ही अधातूंची आम्लधर्मी ऑक्साइडे; CO उदासीन; धातूंची ऑक्साइडे सहसा basic असतात.

नियम 2 : आयनिक संयुगांचे गुणधर्म — ते धन आयन आणि ऋण आयन यांच्यातील स्थिरविद्युत बलाने (आयनिक बंध) बांधलेले असतात. ते विद्युतदृष्ट्या उदासीन, स्फटिकी, कठीण व ठिसूळ असून द्रवणांक आणि उत्कलनांक जास्त असतात (NaCl 801 °C, MgO 2852 °C). ते पाण्यात विरघळतात पण रॉकेल किंवा पेट्रोलमध्ये नाही. घन अवस्थेत ते वीज वाहत नाहीत, पण वितळलेल्या अवस्थेत आणि जलीय द्रावणात वाहतात कारण आयन गतिमान असतात; म्हणून त्यांना विद्युत अपघट्य (electrolytes) म्हणतात.

आकृतीत : आकृतीत सोडियम आणि क्लोरीन इलेक्ट्रॉनच्या हस्तांतरणाने आयनिक बंध बनवतात.

• सोपे : घन मीठ बल्ब लावत नाही, पण मिठाचे द्रावण लावते, कारण द्रावणात आयन फिरतात.
• मध्यम : NaCl 801 °C ला आणि MgO 2852 °C ला वितळते; MgO मध्ये आकर्षण जास्त (2+ आणि 2−), म्हणून द्रवणांक जास्त.
• परीक्षेसाठी : घन NaCl वीज का वाहत नाही पण वितळलेले वाहते? घन अवस्थेत आयन स्थिर असतात; वितळलेल्या अवस्थेत मुक्त फिरतात.

फरक ओळखा

नियम 1 : खनिजे, धातुके आणि संहतीकरण — क्रियाशील धातू संयुक्त स्वरूपात (ऑक्साइडे, कार्बोनेटे, सल्फाइडे, नायट्रेटे) आढळतात; चांदी, सोने आणि प्लॅटिनम मुक्त स्वरूपात. अशुद्धीसह सापडणारी धातूंची संयुगे खनिजे (minerals); ज्यांपासून धातू आर्थिकदृष्ट्या वेगळा करता येतो ती धातुके (ores); माती व वाळू यांसारख्या अशुद्धी खनिज मळी (gangue). धातुकाचे संहतीकरण गुरुत्वीय पद्धती (विल्फ्ली टेबल, जलीय पृथक्करण), चुंबकीय पृथक्करण (कॅसिटेराइट), फेनप्लावन (froth floatation; ZnS, CuFeS₂ सारखी सल्फाइड धातुके, पाइन तेलासह) आणि निक्षालन (leaching; बॉक्साइट NaOH किंवा Na₂CO₃ ने) वापरून होते.

आकृतीत : आकृतीत धातुकाचे संहतीकरण करण्याच्या चार पद्धती.

• सोपे : धातुक = ज्या खनिजातून धातू फायदेशीरपणे काढता येतो; खनिज मळी = मिसळलेली वाळू आणि माती.
• मध्यम : सल्फाइड धातुकांसाठी फेनप्लावन वापरतात कारण सल्फाइडचे कण तेलाच्या फेसाला चिकटून तरंगतात आणि मळी मागे राहते.
• परीक्षेसाठी : कोणत्या धातुकाला कोणती पद्धत – कॅसिटेराइट : चुंबकीय; ZnS : फेनप्लावन; बॉक्साइट : निक्षालन.

नियम 2 : क्रियाशीलतेनुसार निष्कर्षण — क्रियाशील धातू (Na, Ca, Mg) त्यांच्या वितळलेल्या क्लोराइडांच्या विद्युतविच्छेदनाने मिळतात : धातू ऋणाग्रावर जमा होतो (क्षपण) आणि क्लोरीन धनाग्रावर मुक्त होतो (ऑक्सिडीकरण). अॅल्युमिनियम बॉक्साइटपासून (30–70% Al₂O₃) बेयर किंवा हॉल पद्धतीने मिळतो, त्यानंतर अॅल्युमिनाचे क्रायोलाइट व फ्लोरस्पारसह विद्युतविच्छेदन होते ज्यामुळे द्रवणांक सुमारे 1000 °C पर्यंत खाली येतो; ग्रॅफाइट धनाग्रे वेळोवेळी बदलावी लागतात.

आकृतीत : आकृतीत निष्कर्षण पद्धत क्रियाशीलतेवर अवलंबून.

• सोपे : ऋणाग्रावर Na⁺ + e⁻ → Na, आणि धनाग्रावर 2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻.
• मध्यम : 60% Al₂O₃ असलेल्या 1000 kg बॉक्साइटमध्ये 1000 × 60 ÷ 100 = 600 kg अॅल्युमिना असतो.
• परीक्षेसाठी : अॅल्युमिनाच्या विद्युतविच्छेदनात क्रायोलाइट का घालतात? ते द्रवणांक (सुमारे 1000 °C पर्यंत) कमी करते आणि ऊर्जा वाचते.

नियम 3 : मध्यम क्रियाशील धातू — मध्यम क्रियाशील धातू (Fe, Zn, Pb, Cu) : सल्फाइड धातुके हवेत तापवतात (भर्जन, roasting) आणि कार्बोनेट धातुके मर्यादित हवेत (निस्तापन, calcination) ज्यामुळे ऑक्साइडे मिळतात, ज्यांचे कार्बनने क्षपण करतात. थर्मिट अभिक्रिया (Fe₂O₃ + 2Al → 2Fe + Al₂O₃) रुळ जोडण्यासाठी वापरतात. तांबे Cu₂S ला हवेत तापवून मिळवतात. अशुद्ध धातू विद्युतविच्छेदनाने शुद्ध करतात.

• सोपे : ZnS चे भर्जन : 2ZnS + 3O₂ → 2ZnO + 2SO₂.
• मध्यम : ZnCO₃ चे निस्तापन : ZnCO₃ → ZnO + CO₂; मग क्षपण : ZnO + C → Zn + CO.
• परीक्षेसाठी : भर्जन म्हणजे सल्फाइड धातुक भरपूर हवेत तापवणे; निस्तापन म्हणजे कार्बोनेट धातुक मर्यादित हवेत तापवणे.

फरक ओळखा

नियम 1 : क्षरण — लोखंड दमट हवेत गंज (Fe₂O₃·H₂O) बनवते. तांबे कॉपर कार्बोनेटमुळे हिरवे होते. चांदी सिल्व्हर सल्फाइडमुळे काळी पडते. अॅल्युमिनियमवर पातळ संरक्षक ऑक्साइडचा थर बनतो जो पुढील क्षरण थांबवतो.

• सोपे : गंजलेला लोखंडी खिळा कमजोर आणि तपकिरी असतो; गंज खपल्यांसारखा गळतो.
• मध्यम : जुनी पितळी किंवा तांब्याची भांडी हिरवी होतात; हा हवा आणि आर्द्रतेने बनलेला कॉपर कार्बोनेट असतो.
• परीक्षेसाठी : अॅल्युमिनियम फारसे क्षरण का पावत नाही? त्याचा पातळ ऑक्साइड थर खालच्या धातूचे रक्षण करतो.

नियम 2 : प्रतिबंध आणि मिश्रधातू — रंग, तेल, ग्रीस किंवा वार्निशने धातूला हवेपासून दूर ठेवा (तात्पुरते संरक्षण). जस्तलेपन (galvanizing) : लोखंडावर जस्ताचा थर; जस्त लोखंडापेक्षा जास्त विद्युतधन. कल्हई (tinning) : तांबे आणि पितळी भांड्यांवर कथिलाचा थर. अॅनोडायझेशन (anodization) : धातू (अॅल्युमिनियम, तांबे) धनाग्र म्हणून वापरल्यास मजबूत ऑक्साइड थर बनतो. विद्युत मुलामा (electroplating) : जास्त क्रियाशील धातूवर कमी क्रियाशील धातूचा थर, उदा. चांदीचे मुलामा दिलेले चमचे. मिश्रधातू म्हणजे धातूचे इतर धातू किंवा अधातूंसोबतचे एकजिनसी मिश्रण : कांस्य 90% तांबे आणि 10% कथील; स्टेनलेस स्टील बहुतेक लोखंड (सुमारे 74%), क्रोमियम (18%) आणि उरलेले निकेल किंवा कार्बन (8%). पारा असलेला मिश्रधातू अमलगम (amalgam).

आकृतीत : आकृतीत धातूंना क्षरणापासून वाचवण्याचे मार्ग.

• सोपे : 200 g कांस्यात 200 × 90 ÷ 100 = 180 g तांबे आणि 20 g कथील असते.
• मध्यम : 500 g स्टेनलेस स्टीलच्या तुकड्यात 500 × 18 ÷ 100 = 90 g क्रोमियम आणि सुमारे 500 × 74 ÷ 100 = 370 g लोखंड असते.
• परीक्षेसाठी : जस्तलेपित लोखंड खरचटले तरी सुरक्षित राहते कारण जस्त जास्त क्रियाशील असल्याने आधी क्षरण पावते आणि लोखंडाला वाचवते.

फरक ओळखा