धातु एवं अधातु

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1 भौतिक गुणधर्मों से धातु और अधातु की पहचान
1.1 धातुओं के भौतिक गुणधर्म
1.2 अधातुओं के भौतिक गुणधर्म
1.3 भौतिक गुणधर्मों की सीमाएँ: सिर्फ इनसे वर्गीकरण नहीं हो सकता
2 धातुओं के रासायनिक गुणधर्म
2.1 ऑक्सीजन के साथ अभिक्रिया: उभयधर्मी ऑक्साइड
2.2 जल के साथ अभिक्रिया
2.3 तनु अम्लों के साथ अभिक्रिया
2.4 धातु लवणों के विलयन के साथ अभिक्रिया: विस्थापन
2.5 सक्रियता श्रेणी
2.6 अधातुओं के रासायनिक गुणधर्म
3 धातु और अधातु कैसे अभिक्रिया करते हैं: आयनिक यौगिक
3.1 आयनिक यौगिकों के गुणधर्म
4 धातुओं की प्राप्ति और निष्कर्षण
4.1 सक्रियता श्रेणी के अनुसार धातुओं के तीन वर्ग
4.2 अयस्कों का समृद्धीकरण
4.3 निम्न-सक्रियता धातुओं का निष्कर्षण: केवल गर्म करके
4.4 मध्यम-सक्रियता धातुओं का निष्कर्षण
4.5 उच्च-सक्रियता धातुओं का निष्कर्षण: विद्युत अपघटनी अपचयन
4.6 धातुओं का परिष्करण: विद्युत अपघटनी परिष्करण
5 संक्षारण और मिश्रातु
5.1 संक्षारण किन परिस्थितियों में होता है
5.2 संक्षारण से सुरक्षा
5.3 मिश्रातु
इस अध्याय में आप सीखेंगे
  • धातु और अधातु को उनके भौतिक गुणधर्मों (चमक, कठोरता, आघातवर्ध्यता, तन्यता) से पहचानना, और यह भी कि क्यों कुछ अपवाद इस पहचान को पूरा भरोसेमंद नहीं बनाते
  • धातुओं की ऑक्सीजन, जल, अम्ल और दूसरी धातुओं के लवण-विलयनों के साथ अभिक्रियाएँ, और इनसे बनी सक्रियता श्रेणी
  • आयनिक बंध कैसे बनता है और आयनिक यौगिकों के गुणधर्म क्यों वैसे ही होते हैं जैसे होते हैं
  • अयस्क से शुद्ध धातु तक पहुँचने के सभी चरण: समृद्धीकरण, भर्जन-निस्तापन, अपचयन और परिष्करण
  • संक्षारण किन परिस्थितियों में होता है, उससे कैसे बचा जाता है, और मिश्रातु धातु के गुणधर्म कैसे बदल देते हैं
धात्विक चमकआघातवर्ध्यतातन्यताउभयधर्मी ऑक्साइड
सक्रियता श्रेणीविस्थापन अभिक्रियाआयनिक यौगिकखनिज व अयस्क
भर्जन व निस्तापनथर्मिट अभिक्रियाविद्युत अपघटनी परिष्करण
संक्षारणयशदलेपनमिश्रातु

1 भौतिक गुणधर्मों से धातु और अधातु की पहचान

अपने घर में देखिए: चम्मच, कील, तार, बर्तन: ये सब चमकदार और मज़बूत हैं। कोयला, गंधक और आयोडीन इनसे बिल्कुल अलग दिखते हैं। यही फ़र्क तत्वों को दो बड़े समूहों, धातु और अधातु, में बाँटने की शुरुआत है।

1.1 धातुओं के भौतिक गुणधर्म

क्रियाकलाप 3.1 से 3.6

आयरन, कॉपर, एल्युमिनियम, मैग्नीशियम आदि के नमूनों को साफ करके, काटकर, हथौड़े से पीटकर, तार में खींचकर, गर्म करके और परिपथ में जोड़कर परखा जाता है। हर बार धातुओं का एक जैसा व्यवहार सामने आता है।

  • धात्विक चमक: शुद्ध अवस्था में धातु की सतह चमकदार होती है
  • कठोरता: धातुएँ सामान्यतः कठोर होती हैं, पर हर धातु की कठोरता अलग-अलग है
  • आघातवर्ध्यता: हथौड़े से पीटकर पतली चादर बनाई जा सकती है: सोना और चाँदी सबसे अधिक आघातवर्ध्य धातुएँ हैं
  • तन्यता: पतले तार में खींचा जा सकता है: सोना सबसे अधिक तन्य है, 1 ग्राम सोने से लगभग 2 km लंबा तार बनाया जा सकता है
  • ऊष्मा की सुचालकता: सिल्वर और कॉपर सबसे अच्छे ऊष्मा-चालक हैं; लेड और मर्करी तुलना में कुचालक
  • विद्युत की सुचालकता: परिपथ में जोड़ने पर बल्ब जलता है
  • ध्वानिकता: कठोर सतह से टकराने पर आवाज़ देती हैं, इसीलिए स्कूल की घंटी धातु की बनती है
क्या आप जानते हैं?

आघातवर्ध्यता और तन्यता की वजह से ही धातुओं को हमारी ज़रूरत के हिसाब से मनचाहा आकार दिया जा सकता है, बर्तन, तार, चादर, गहने सबमें।

1.2 अधातुओं के भौतिक गुणधर्म

अधातुओं की संख्या धातुओं से कहीं कम है: कार्बन, सल्फर, आयोडीन, ऑक्सीजन, हाइड्रोजन इनके मुख्य उदाहरण हैं। अधिकांश अधातुएँ ठोस या गैस होती हैं, केवल ब्रोमीन द्रव अवस्था में मिलती है।

क्रियाकलाप 3.7

कार्बन (कोल या ग्रेफ़ाइट), सल्फ़र और आयोडीन के नमूने लेकर उनके साथ क्रियाकलाप 3.1 से 3.4 और 3.6 दोहराए जाते हैं (चमक, कठोरता, आघातवर्ध्यता, तन्यता और विद्युत चालकता की जाँच), और प्रेक्षण सारणी 3.1 में लिखे जाते हैं।

अधातुओं के गुणधर्म धातुओं के विपरीत होते हैं:

  • अधातुएँ न तो आघातवर्ध्य होती हैं और न ही तन्य
  • ग्रेफ़ाइट के अलावा सभी अधातुएँ ऊष्मा एवं विद्युत की कुचालक होती हैं; ग्रेफ़ाइट विद्युत का चालक है

1.3 भौतिक गुणधर्मों की सीमाएँ: सिर्फ इनसे वर्गीकरण नहीं हो सकता

अगर सिर्फ ऊपर के गुणधर्मों से वर्गीकरण करें तो चार जगह गड़बड़ हो जाएगी:

1

मर्करी अपवाद

सभी धातुएँ कमरे के ताप पर ठोस हैं, सिवाय मर्करी के (यह द्रव है)। गैलियम और सीज़ियम का गलनांक इतना कम है कि हथेली पर रखते ही पिघलने लगें।

2

आयोडीन अपवाद

आयोडीन अधातु है, फिर भी चमकीला दिखता है।

3

कार्बन के अपररूप

हीरा और ग्रेफाइट दोनों कार्बन (अधातु) के ही अपररूप हैं। हीरा सबसे कठोर प्राकृतिक पदार्थ है, जबकि ग्रेफाइट विद्युत का सुचालक है।

4

क्षारीय धातुएँ

लीथियम, सोडियम, पोटैशियम इतनी मुलायम हैं कि चाकू से भी कट जाती हैं। इनका घनत्व और गलनांक दोनों कम हैं।

परीक्षा संकेत

“धातु और अधातु का वर्गीकरण केवल भौतिक गुणधर्मों पर आधारित नहीं हो सकता, क्यों?”: इस सवाल के जवाब में ऊपर के चारों अपवादों में से कम से कम दो उदाहरण अवश्य लिखें।

क्रियाकलाप 3.8

मैग्नीशियम को जलाकर उसकी राख जल में घोलने पर विलयन लिटमस को नीला करता है (क्षारकीय)। सल्फर के दहन से बना धुआँ जल में घोलने पर विलयन लिटमस को लाल करता है (अम्लीय)।

कंठस्थ करेंपरिभाषा 1

अधिकांश अधातुओं के ऑक्साइड अम्लीय होते हैं और अधिकांश धातुओं के ऑक्साइड क्षारकीय होते हैं। तत्वों को उनके रासायनिक गुणधर्मों के आधार पर कहीं अधिक स्पष्टता से धातु और अधातु में बाँटा जा सकता है।

2 धातुओं के रासायनिक गुणधर्म

2.1 ऑक्सीजन के साथ अभिक्रिया: उभयधर्मी ऑक्साइड

क्रियाकलाप 3.9

अलग-अलग धातुओं को ज्वाला पर जलाकर देखा जाता है: कौन आसानी से जलती है, कैसी ज्वाला-रंग बनती है और दहन के बाद सतह कैसी दिखती है।

लगभग सभी धातुएँ ऑक्सीजन के साथ मिलकर संगत धातु ऑक्साइड बनाती हैं:

सामान्य नियम
धातु + ऑक्सीजन → धातु ऑक्साइड
2 Cu+OX2→2 CuO2\,\ce{Cu + O2 -> 2CuO} (काला कॉपर(II) ऑक्साइड)  ·  4 Al+3 OX2→2 AlX2OX34\,\ce{Al + 3O2 -> 2Al2O3}
कंठस्थ करेंपरिभाषा 2

उभयधर्मी ऑक्साइड वे धातु ऑक्साइड हैं जो अम्ल और क्षारक, दोनों के साथ अभिक्रिया करके लवण और जल बनाते हैं। पुस्तक के उदाहरण: एल्युमिनियम ऑक्साइड (Al₂O₃) और जिंक ऑक्साइड (ZnO)। पुस्तक इन्हें “एल्युमिनियम ऑक्साइड, जिंक ऑक्साइड जैसी कुछ धातु ऑक्साइड” कहती है, यानी ये उदाहरण हैं, पूरी सूची नहीं।

AlX2OX3+6 HCl→2 AlClX3+3 HX2O\ce{Al2O3 + 6HCl -> 2AlCl3 + 3H2O} (अम्ल के साथ)
AlX2OX3+2 NaOH→2 NaAlOX2+HX2O\ce{Al2O3 + 2NaOH -> 2NaAlO2 + H2O} (क्षारक के साथ, सोडियम ऐलुमिनेट बनता है)

कुछ धातु ऑक्साइड जल में घुलकर क्षार भी बनाते हैं:

NaX2O(s)+HX2O(l)→2 NaOH(aq)\ce{Na2O(s) + H2O(l) -> 2NaOH(aq)}    KX2O(s)+HX2O(l)→2 KOH(aq)\ce{K2O(s) + H2O(l) -> 2KOH(aq)}

सभी धातुएँ ऑक्सीजन से एक ही रफ़्तार से नहीं जुड़तीं:

  • पोटैशियम और सोडियम इतनी तेज़ी से अभिक्रिया करते हैं कि खुले में रखते ही आग पकड़ लें, इसीलिए इन्हें किरोसिन तेल में डुबोकर रखा जाता है
  • मैग्नीशियम, एल्युमिनियम, जिंक, लेड की सतह पर एक पतली ऑक्साइड परत बन जाती है, यह परत धातु को आगे के ऑक्सीकरण से बचाती है
  • आयरन गर्म करने पर सीधे नहीं जलता, पर लौह चूर्ण ज्वाला में डालने पर तेज़ी से जल उठता है
  • कॉपर जलता नहीं, पर गर्म धातु पर काली कॉपर(II) ऑक्साइड की परत चढ़ जाती है
  • सिल्वर और गोल्ड अत्यंत उच्च ताप पर भी ऑक्सीजन से अभिक्रिया नहीं करते
क्या आप जानते हैं?

ऐनोडीकरण: एल्युमिनियम पर मोटी सुरक्षात्मक ऑक्साइड परत बनाने की प्रक्रिया। साफ एल्युमिनियम की वस्तु को ऐनोड बनाकर तनु सल्फ्यूरिक अम्ल में विद्युत-अपघटन किया जाता है। बनी मोटी ऑक्साइड परत को रंगकर आकर्षक बनाया जा सकता है।

2.2 जल के साथ अभिक्रिया

क्रियाकलाप 3.10

धातुओं के नमूने पहले ठंडे जल में, फिर गर्म जल में और अंत में भाप के साथ परखे जाते हैं (पुस्तक के चित्र 3.3 जैसे उपकरण से)।

सामान्य नियम
धातु + जल → धातु ऑक्साइड + हाइड्रोजन
जो धातु ऑक्साइड जल में घुलनशील हो, वह आगे घुलकर धातु हाइड्रॉक्साइड बनाता है: धातु ऑक्साइड + जल → धातु हाइड्रॉक्साइड
धातु ठंडे जल से गर्म जल से भाप से
पोटैशियम, सोडियम हिंसक, ऊष्माक्षेपी, H₂ तुरंत जल उठती है × ×
कैल्सियम धीमी अभिक्रिया, तैरने लगता है × ×
मैग्नीशियम अभिक्रिया नहीं Mg(OH)₂ + H₂ बनता है, तैरता है ×
एल्युमिनियम, आयरन, जिंक अभिक्रिया नहीं अभिक्रिया नहीं धातु ऑक्साइड + H₂ बनता है
लेड, कॉपर, सिल्वर, गोल्ड जल के साथ बिल्कुल अभिक्रिया नहीं
2 K(s)+2 HX2O(l)→2 KOH(aq)+HX2(g)2\,\ce{K(s) + 2H2O(l) -> 2KOH(aq) + H2(g)} + ऊष्मीय ऊर्जा
2 Na(s)+2 HX2O(l)→2 NaOH(aq)+HX2(g)2\,\ce{Na(s) + 2H2O(l) -> 2NaOH(aq) + H2(g)} + ऊष्मीय ऊर्जा
Ca(s)+2 HX2O(l)→Ca(OH)X2(aq)+HX2(g)\ce{Ca(s) + 2H2O(l) -> Ca(OH)2(aq) + H2(g)}
2 Al(s)+3 HX2O(g)→AlX2OX3(s)+3 HX2(g)2\,\ce{Al(s) + 3H2O(g) -> Al2O3(s) + 3H2(g)}
3 Fe(s)+4 HX2O(g)→FeX3OX4(s)+4 HX2(g)3\,\ce{Fe(s) + 4H2O(g) -> Fe3O4(s) + 4H2(g)}
सामान्य भूल

कैल्सियम और मैग्नीशियम जल पर तैरते हैं, यह इसलिए नहीं कि वे हल्के हैं, बल्कि इसलिए कि बनी हाइड्रोजन गैस के बुलबुले धातु की सतह से चिपक जाते हैं।

2.3 तनु अम्लों के साथ अभिक्रिया

क्रियाकलाप 3.11

सोडियम और पोटैशियम को छोड़कर बाकी धातुओं को तनु हाइड्रोक्लोरिक अम्ल में डालकर बुलबुले बनने की दर और ताप में बदलाव नोट किया जाता है।

सामान्य नियम
धातु + तनु अम्ल → लवण + हाइड्रोजन

प्रयोग से मिली अभिक्रियाशीलता का क्रम: Mg > Al > Zn > Fe। कॉपर में न बुलबुले बनते हैं, न ताप बदलता है: यानी कॉपर तनु HCl से अभिक्रिया नहीं करता।

सामान्य भूल

नाइट्रिक अम्ल (HNO₃) के साथ धातु की अभिक्रिया में सामान्यतः हाइड्रोजन गैस नहीं निकलती, क्योंकि HNO₃ एक प्रबल ऑक्सीकारक है और बनी हाइड्रोजन को ऑक्सीकृत कर जल बना देता है (और स्वयं नाइट्रोजन ऑक्साइड में अपचयित हो जाता है)। केवल मैग्नीशियम और मैंगनीज अति तनु HNO₃ से H₂ गैस देते हैं।

क्या आप जानते हैं?

एक्वा रेजिया: सांद्र हाइड्रोक्लोरिक अम्ल और सांद्र नाइट्रिक अम्ल का 3:1 अनुपात में ताज़ा मिश्रण। यह गोल्ड और प्लैटिनम को गला सकता है, जबकि इनमें से कोई भी अम्ल अकेले ऐसा नहीं कर सकता।

2.4 धातु लवणों के विलयन के साथ अभिक्रिया: विस्थापन

क्रियाकलाप 3.12

कॉपर का तार आयरन सल्फेट विलयन में और आयरन की कील कॉपर सल्फेट विलयन में डाली जाती है। 20 मिनट बाद प्रेक्षण दर्ज करना है: सामान्यतः केवल आयरन की कील वाली परखनली में बदलाव दिखता है (कील पर कॉपर की भूरी परत जमना, विलयन के नीले रंग का फीका पड़ना), कॉपर के तार वाली परखनली में कोई बदलाव नहीं दिखता।

कंठस्थ करेंपरिभाषा 3

कोई अभिक्रियाशील धातु अपने से कम अभिक्रियाशील धातु को उसके यौगिक के विलयन या गलित अवस्था से विस्थापित कर देती है: धातु (A) + (B) का लवण विलयन → (A) का लवण विलयन + धातु (B), जहाँ धातु A, धातु B से अधिक अभिक्रियाशील है।

क्रियाकलाप 3.12 के परिणाम से पता चलता है कि आयरन, कॉपर से अधिक अभिक्रियाशील है (आयरन ने कॉपर को उसके विलयन से विस्थापित किया, पर कॉपर ने आयरन को विस्थापित नहीं किया)।

2.5 सक्रियता श्रेणी

कंठस्थ करेंपरिभाषा 4

सक्रियता श्रेणी धातुओं की एक सूची है, जिसमें उन्हें घटती हुई अभिक्रियाशीलता के क्रम में रखा जाता है। यह विस्थापन प्रयोगों (क्रियाकलाप 1.9 और 3.12) से विकसित की गई है।

धातु प्रतीक अभिक्रियाशीलता
पोटैशियम K सबसे अधिक अभिक्रियाशील
सोडियम Na
कैल्सियम Ca
मैग्नीशियम Mg
एल्युमिनियम Al
जिंक Zn घटती अभिक्रियाशीलता
आयरन Fe
लेड Pb
(हाइड्रोजन, तुलना के लिए) [H] ×
कॉपर Cu
मर्करी Hg
सिल्वर Ag
गोल्ड Au सबसे कम अभिक्रियाशील

× = लागू नहीं: हाइड्रोजन धातु नहीं है, इसे केवल तुलना के लिए रखा गया है। पुस्तक की सारणी 3.2 की तरह केवल पोटैशियम, जिंक और गोल्ड के आगे अभिक्रियाशीलता लिखी है; बीच की धातुएँ ऊपर से नीचे घटती अभिक्रियाशीलता के क्रम में पढ़ी जाती हैं।

परीक्षा संकेत

सक्रियता श्रेणी का पूरा क्रम (K से Au तक) बिना देखे लिख पाना बहुत ज़रूरी है: इसी क्रम से अगले भाग में धातुओं के निष्कर्षण की विधि तय होती है। [H] की स्थिति भी याद रखें: इसके ऊपर की धातुएँ तनु अम्ल से हाइड्रोजन विस्थापित कर सकती हैं, नीचे की नहीं।

2.6 अधातुओं के रासायनिक गुणधर्म

रासायनिक गुणधर्मों में भी अधातुएँ धातुओं के लगभग विपरीत व्यवहार करती हैं:

गुणधर्म धातु अधातु
इलेक्ट्रॉन अधातुओं को इलेक्ट्रॉन देकर धन आयन बनाती हैं, इसलिए विद्युत धनात्मक तत्व धातुओं के साथ अभिक्रिया में इलेक्ट्रॉन ग्रहण कर ऋण आवेशित आयन बनाती हैं, इसलिए विद्युत ऋणात्मक तत्व
ऑक्सीजन के साथ क्षारकीय ऑक्साइड (Al₂O₃, ZnO जैसे कुछ उभयधर्मी) ऑक्साइड जो अम्लीय या उदासीन होते हैं
तनु अम्ल के साथ सक्रियता श्रेणी में हाइड्रोजन के ऊपर की धातुएँ तनु अम्ल से हाइड्रोजन विस्थापित करती हैं तनु अम्लों से हाइड्रोजन का विस्थापन नहीं करतीं
हाइड्रोजन के साथ × हाइड्रोजन के साथ अभिक्रिया कर हाइड्राइड बनाती हैं

× = यह अभिक्रिया इस अध्याय में धातुओं के लिए नहीं दी गई है

परीक्षा संकेत

प्रश्नावली के प्रश्न 11 (अधातुएँ कैसे ऑक्साइड बनाती हैं) और प्रश्न 14 (रासायनिक गुणधर्मों के आधार पर धातु और अधातु में विभेद) का उत्तर इसी सारणी से लिखें।

3 धातु और अधातु कैसे अभिक्रिया करते हैं: आयनिक यौगिक

कक्षा 9 में पढ़ा था कि उत्कृष्ट गैसों का संयोजकता कोश पूरा भरा होता है, इसीलिए वे लगभग अभिक्रिया नहीं करतीं। बाकी सभी तत्वों की अभिक्रियाशीलता को हम इसी संयोजकता कोश को पूरा करने की प्रवृत्ति के रूप में समझ सकते हैं।

तत्व का प्रकार तत्व K L M N
उत्कृष्ट गैसें निऑन (Ne) 2 8 × ×
आर्गन (Ar) 2 8 8 ×
धातुएँ सोडियम (Na) 2 8 1 ×
मैग्नीशियम (Mg) 2 8 2 ×
एल्युमिनियम (Al) 2 8 3 ×
अधातुएँ क्लोरीन (Cl) 2 8 7 ×
ऑक्सीजन (O) 2 6 × ×

सोडियम परमाणु के बाह्यतम (M) कोश में सिर्फ एक इलेक्ट्रॉन है। यह इलेक्ट्रॉन त्यागते ही इसका L कोश बाह्यतम बन जाता है, जो पहले से ही पूरा भरा (स्थायी अष्टक) है। दूसरी ओर क्लोरीन के बाह्यतम कोश में 7 इलेक्ट्रॉन हैं, बस एक और चाहिए। तो सोडियम जो इलेक्ट्रॉन त्यागता है, क्लोरीन वही ग्रहण कर लेता है:

चित्र 1 इलेक्ट्रॉनों के स्थानांतरण द्वारा सोडियम क्लोराइड (ऊपर) और मैग्नीशियम क्लोराइड (नीचे) का निर्माण। बिंदु धातु-परमाणु के संयोजकता इलेक्ट्रॉन हैं और क्रॉस क्लोरीन-परमाणु के; नारंगी तीर इलेक्ट्रॉन का स्थानांतरण दिखाता है। सोडियम एक इलेक्ट्रॉन त्यागता है (2,8,1 → Na⁺, 2,8) और क्लोरीन उसे ग्रहण करता है (2,8,7 → Cl⁻, 2,8,8)। मैग्नीशियम दो इलेक्ट्रॉन त्यागता है, दो क्लोरीन परमाणुओं को एक-एक (2,8,2 → Mg²⁺, 2,8)। विपरीत आवेश वाले आयन प्रबल स्थिर वैद्युत आकर्षण से बँधे रहते हैं।
चित्र 1 इलेक्ट्रॉनों के स्थानांतरण द्वारा सोडियम क्लोराइड (ऊपर) और मैग्नीशियम क्लोराइड (नीचे) का निर्माण। बिंदु धातु-परमाणु के संयोजकता इलेक्ट्रॉन हैं और क्रॉस क्लोरीन-परमाणु के; नारंगी तीर इलेक्ट्रॉन का स्थानांतरण दिखाता है। सोडियम एक इलेक्ट्रॉन त्यागता है (2,8,1 → Na⁺, 2,8) और क्लोरीन उसे ग्रहण करता है (2,8,7 → Cl⁻, 2,8,8)। मैग्नीशियम दो इलेक्ट्रॉन त्यागता है, दो क्लोरीन परमाणुओं को एक-एक (2,8,2 → Mg²⁺, 2,8)। विपरीत आवेश वाले आयन प्रबल स्थिर वैद्युत आकर्षण से बँधे रहते हैं।
Na→NaX++eX−\ce{Na -> Na+ + e-} (2,8,1 → 2,8)     Cl+eX−→ClX−\ce{Cl + e- -> Cl-} (2,8,7 → 2,8,8)
सामान्य भूल

सोडियम क्लोराइड अणु के रूप में नहीं पाया जाता, यह विपरीत आवेश वाले आयनों का समुच्चय है।

इसी तरह मैग्नीशियम क्लोराइड बनता है, बस मैग्नीशियम को दो इलेक्ट्रॉन त्यागने पड़ते हैं (इसलिए दो क्लोरीन परमाणु चाहिए):

Mg→MgX2++2 eX−\ce{Mg -> Mg^2+ + 2e-} (2,8,2 → 2,8)     2 (Cl+eX−→Cl−)2\,\ce{(Cl + e- -> Cl-)} (2,8,7 → 2,8,8 प्रत्येक)

सोडियम ऑक्साइड और मैग्नीशियम ऑक्साइड भी ठीक इसी तरह बनते हैं। ऑक्सीजन (2,6) को दो और इलेक्ट्रॉन चाहिए, इसलिए वह दो सोडियम परमाणुओं से एक-एक, या एक मैग्नीशियम परमाणु से दोनों इलेक्ट्रॉन ग्रहण करता है (इलेक्ट्रॉन-बिंदु संरचना वाला NCERT का पाठ्य-प्रश्न यही है):

चित्र 2 सोडियम (1 संयोजकता इलेक्ट्रॉन), ऑक्सीजन (6) और मैग्नीशियम (2) की इलेक्ट्रॉन-बिंदु संरचनाएँ तथा सोडियम ऑक्साइड और मैग्नीशियम ऑक्साइड का निर्माण। दो सोडियम परमाणु एक-एक इलेक्ट्रॉन ऑक्सीजन परमाणु को देते हैं, जिससे 2Na⁺ और O²⁻ (Na₂O) बनते हैं; एक मैग्नीशियम परमाणु अपने दोनों इलेक्ट्रॉन ऑक्सीजन परमाणु को देता है, जिससे Mg²⁺ और O²⁻ (MgO) बनते हैं। अब हर आयन का बाह्यतम कोश पूर्ण अष्टक (2,8) है। Na₂O में Na⁺ और O²⁻ आयन तथा MgO में Mg²⁺ और O²⁻ आयन उपस्थित हैं।
चित्र 2 सोडियम (1 संयोजकता इलेक्ट्रॉन), ऑक्सीजन (6) और मैग्नीशियम (2) की इलेक्ट्रॉन-बिंदु संरचनाएँ तथा सोडियम ऑक्साइड और मैग्नीशियम ऑक्साइड का निर्माण। दो सोडियम परमाणु एक-एक इलेक्ट्रॉन ऑक्सीजन परमाणु को देते हैं, जिससे 2Na⁺ और O²⁻ (Na₂O) बनते हैं; एक मैग्नीशियम परमाणु अपने दोनों इलेक्ट्रॉन ऑक्सीजन परमाणु को देता है, जिससे Mg²⁺ और O²⁻ (MgO) बनते हैं। अब हर आयन का बाह्यतम कोश पूर्ण अष्टक (2,8) है। Na₂O में Na⁺ और O²⁻ आयन तथा MgO में Mg²⁺ और O²⁻ आयन उपस्थित हैं।
कंठस्थ करेंपरिभाषा 5

धातु से अधातु में इलेक्ट्रॉन के स्थानांतरण से बने यौगिकों को आयनिक यौगिक या वैद्युत संयोजक यौगिक कहते हैं।

3.1 आयनिक यौगिकों के गुणधर्म

क्रियाकलाप 3.13

सोडियम क्लोराइड, पोटैशियम आयोडाइड जैसे लवणों को ज्वाला पर गर्म किया जाता है और जल, पेट्रोल, किरोसिन में घोलने का प्रयास होता है। फिर इनके विलयन में विद्युत चालकता जाँची जाती है (चित्र 3.8 जैसे परिपथ से)।

आयनिक यौगिक गलनांक (K) क्वथनांक (K)
NaCl 1074 1686
LiCl 887 1600
CaCl₂ 1045 1900
CaO 2850 3120
MgCl₂ 981 1685
CaO2850 K
NaCl1074 K
CaCl₂1045 K
MgCl₂981 K
LiCl887 K

आयनिक यौगिकों के गलनांक (सारणी 3.4 के आँकड़े): CaO का गलनांक सबसे अधिक है क्योंकि Ca²⁺ और O²⁻ दोनों पर दोहरा आवेश है, इसलिए आकर्षण बल सबसे प्रबल है।

इन प्रयोगों से आयनिक यौगिकों के चार गुणधर्म सामने आते हैं:

1

भौतिक प्रकृति

ठोस, कुछ हद तक कठोर (प्रबल स्थिर वैद्युत आकर्षण के कारण), पर सामान्यतः भंगुर: दाब डालते ही टुकड़ों में टूट जाते हैं

2

गलनांक और क्वथनांक

बहुत अधिक, क्योंकि प्रबल अंतर-आयनिक आकर्षण बल तोड़ने के लिए भरपूर ऊर्जा चाहिए

3

घुलनशीलता

जल में घुलनशील, किरोसिन और पेट्रोल जैसे विलायकों में अघुलनशील

4

विद्युत चालकता

ठोस अवस्था में चालन नहीं (आयन गतिहीन), पर जलीय विलयन और गलित अवस्था में चालन होता है (आयन मुक्त रूप से गति करते हैं)

4 धातुओं की प्राप्ति और निष्कर्षण

पृथ्वी की भूपर्पटी धातुओं का मुख्य स्रोत है। समुद्री जल में भी सोडियम क्लोराइड और मैग्नीशियम क्लोराइड जैसे कुछ विलेय लवण मिलते हैं।

कंठस्थ करेंपरिभाषा 6

खनिज: भूपर्पटी में प्राकृतिक रूप से पाए जाने वाले तत्व या यौगिक। अयस्क: वह खनिज जिसमें किसी धातु की मात्रा इतनी अधिक हो कि उससे धातु निकालना लाभकारी हो।

4.1 सक्रियता श्रेणी के अनुसार धातुओं के तीन वर्ग

1

निम्न अभिक्रियाशील (Cu, Ag, Au के पास)

स्वतंत्र अवस्था में मिलती हैं, जैसे गोल्ड, सिल्वर, प्लैटिनम और कॉपर। कॉपर व सिल्वर सल्फाइड/ऑक्साइड अयस्क के रूप में भी मिलते हैं।

2

मध्यम अभिक्रियाशील (Zn, Fe, Pb)

भूपर्पटी में मुख्यतः ऑक्साइड, सल्फाइड या कार्बोनेट के रूप में मिलती हैं।

3

उच्च अभिक्रियाशील (K, Na, Ca, Mg, Al)

इतनी अभिक्रियाशील कि कभी स्वतंत्र तत्व के रूप में नहीं मिलतीं, हमेशा यौगिकों में मिलती हैं।

4.2 अयस्कों का समृद्धीकरण

खनित अयस्कों में मिट्टी, रेत जैसी अशुद्धियाँ मिली होती हैं, जिन्हें गैंग कहते हैं। धातु निकालने से पहले अयस्क और गैंग के भौतिक या रासायनिक गुणधर्मों में अंतर के आधार पर गैंग को हटाया जाता है।

4.3 निम्न-सक्रियता धातुओं का निष्कर्षण: केवल गर्म करके

ये धातुएँ इतनी अनभिक्रिय हैं कि इनके ऑक्साइड को केवल गर्म करने से ही धातु मिल जाती है:

2 HgS(s)+3 OX2(g)→Δ2 HgO(s)+2 SOX2(g)2\,\ce{HgS(s) + 3O2(g) ->[\Delta] 2HgO(s) + 2SO2(g)}
2 HgO(s)→Δ2 Hg(l)+OX2(g)2\,\ce{HgO(s) ->[\Delta] 2Hg(l) + O2(g)} (सिनाबार से मर्करी)
2 CuX2S+3 OX2(g)→Δ2 CuX2O(s)+2 SOX2(g)2\,\ce{Cu2S + 3O2(g) ->[\Delta] 2Cu2O(s) + 2SO2(g)}
2 CuX2O+CuX2S→Δ6 Cu(s)+SOX2(g)2\,\ce{Cu2O + Cu2S ->[\Delta] 6Cu(s) + SO2(g)}

4.4 मध्यम-सक्रियता धातुओं का निष्कर्षण

ये धातुएँ सामान्यतः सल्फाइड या कार्बोनेट के रूप में मिलती हैं, जिन्हें पहले ऑक्साइड में बदला जाता है:

भर्जन

  • सल्फाइड अयस्क को अधिक वायु में तेज़ गर्म करना
  • 2 ZnS(s)+3 OX2(g)→Δ2 ZnO(s)+2 SOX2(g)2\,\ce{ZnS(s) + 3O2(g) ->[\Delta] 2ZnO(s) + 2SO2(g)}

निस्तापन

  • कार्बोनेट अयस्क को सीमित वायु में गर्म करना
  • ZnCOX3(s)→ΔZnO(s)+COX2(g)\ce{ZnCO3(s) ->[\Delta] ZnO(s) + CO2(g)}

बना धातु ऑक्साइड फिर कार्बन जैसे अपचायक से अपचयित किया जाता है:

ZnO(s)+C(s)→Zn(s)+CO(g)\ce{ZnO(s) + C(s) -> Zn(s) + CO(g)}

अत्यधिक अभिक्रियाशील धातुएँ (सोडियम, कैल्सियम, एल्युमिनियम) भी अपचायक की तरह इस्तेमाल होती हैं, क्योंकि वे कम अभिक्रियाशील धातु को उसके यौगिक से विस्थापित कर सकती हैं:

3 MnOX2(s)+4 Al(s)→3 Mn(l)+2 AlX2OX3(s)3\,\ce{MnO2(s) + 4Al(s) -> 3Mn(l) + 2Al2O3(s)} + ऊष्मा
कंठस्थ करेंपरिभाषा 7

थर्मिट अभिक्रिया: आयरन(III) ऑक्साइड और एल्युमिनियम के बीच की अत्यधिक ऊष्माक्षेपी विस्थापन अभिक्रिया, जिसमें आयरन गलित अवस्था में बनता है। रेल पटरियों और मशीनी पुर्जों को जोड़ने में इस्तेमाल होती है।

FeX2OX3(s)+2 Al(s)→2 Fe(l)+AlX2OX3(s)\ce{Fe2O3(s) + 2Al(s) -> 2Fe(l) + Al2O3(s)} + ऊष्मा

4.5 उच्च-सक्रियता धातुओं का निष्कर्षण: विद्युत अपघटनी अपचयन

सक्रियता श्रेणी में सबसे ऊपर की धातुओं की ऑक्सीजन से बंधुता कार्बन से भी अधिक है, इसलिए कार्बन इन्हें अपचयित नहीं कर सकता। इन्हें उनके गलित यौगिकों के विद्युत अपघटन से प्राप्त किया जाता है:

कैथोड पर: NaX++eX−→Na\ce{Na+ + e- -> Na}     ऐनोड पर: 2 ClX−→ClX2+2 eX−2\,\ce{Cl- -> Cl2 + 2e-}

सोडियम, मैग्नीशियम और कैल्सियम इसी तरह अपने गलित क्लोराइडों से मिलते हैं; एल्युमिनियम, एल्युमिनियम ऑक्साइड के विद्युत अपघटनी अपचयन से।

4.6 धातुओं का परिष्करण: विद्युत अपघटनी परिष्करण

अपचयन से मिली धातु पूरी तरह शुद्ध नहीं होती। सबसे प्रचलित शुद्धिकरण विधि है:

चित्र 3 विद्युत अपघटनी परिष्करण। अशुद्ध धातु ऐनोड है, जो बैटरी के धन सिरे से जुड़ा है, और शुद्ध धातु की पतली पट्टी कैथोड है, जो ऋण सिरे से जुड़ी है; धातु के लवण का विलयन विद्युत अपघट्य है (ताँबे के लिए अम्लीकृत कॉपर सल्फ़ेट)। धारा प्रवाहित करने पर ऐनोड की धातु विद्युत अपघट्य में घुलती है और उतनी ही शुद्ध धातु कैथोड पर निक्षेपित होती है। विलेय अशुद्धियाँ विलयन में चली जाती हैं; अविलेय अशुद्धियाँ ऐनोड के नीचे तली पर ऐनोड पंक के रूप में जमा हो जाती हैं।
चित्र 3 विद्युत अपघटनी परिष्करण। अशुद्ध धातु ऐनोड है, जो बैटरी के धन सिरे से जुड़ा है, और शुद्ध धातु की पतली पट्टी कैथोड है, जो ऋण सिरे से जुड़ी है; धातु के लवण का विलयन विद्युत अपघट्य है (ताँबे के लिए अम्लीकृत कॉपर सल्फ़ेट)। धारा प्रवाहित करने पर ऐनोड की धातु विद्युत अपघट्य में घुलती है और उतनी ही शुद्ध धातु कैथोड पर निक्षेपित होती है। विलेय अशुद्धियाँ विलयन में चली जाती हैं; अविलेय अशुद्धियाँ ऐनोड के नीचे तली पर ऐनोड पंक के रूप में जमा हो जाती हैं।

अशुद्ध धातु को ऐनोड, शुद्ध धातु की पतली पट्टी को कैथोड और धातु लवण के विलयन को विद्युत अपघट्य बनाया जाता है। विलेय अशुद्धियाँ विलयन में चली जाती हैं। कॉपर, जिंक, टिन, निकेल, सिल्वर, गोल्ड जैसी अनेक धातुएँ इसी विधि से परिष्कृत की जाती हैं।

5 संक्षारण और मिश्रातु

5.1 संक्षारण किन परिस्थितियों में होता है

अध्याय 1 से याद कीजिए: सिल्वर हवा में काली पड़ जाती है (सिल्वर सल्फाइड बनने से), कॉपर पर हरी परत चढ़ जाती है (बेसिक कॉपर कार्बोनेट), और आयरन पर भूरे रंग की परतदार परत, यानी जंग, चढ़ जाती है।

क्रियाकलाप 3.14

तीन परखनली A, B, C में साफ लोहे की कीलें रखी गईं। A में सादा जल, B में उबला आसवित जल + तेल की परत (हवा जल में घुलने से रुक जाती है), C में निर्जल कैल्सियम क्लोराइड (नमी सोखने वाला)। कुछ दिन बाद केवल A की कील में जंग लगी।

कंठस्थ करेंपरिभाषा 8

जंग लगने के लिए वायु (ऑक्सीजन) और जल, दोनों की उपस्थिति ज़रूरी है। परखनली A में दोनों मौजूद थे, इसीलिए वहीं जंग लगी।

5.2 संक्षारण से सुरक्षा

1

पेंट करना

सतह को हवा-जल के सीधे संपर्क से बचाता है

2

तेल या ग्रीज़ लगाना

औज़ारों और मशीनी पुर्जों पर आम तरीका

3

यशदलेपन

लोहे/इस्पात पर जस्ते (जिंक) की पतली परत चढ़ाना

4

क्रोमियम लेपन

चमकदार, जंगरोधी सतह के लिए

5

ऐनोडीकरण

ऑक्साइड की मोटी सुरक्षा-परत बनाना

6

मिश्रातु बनाना

जैसे स्टेनलेस स्टील, जिसमें जंग ही नहीं लगता

यशदलेपित वस्तु की जिंक परत टूट भी जाए तो भी वह सुरक्षित रहती है, क्योंकि जिंक आयरन से अधिक अभिक्रियाशील है और आयरन की जगह खुद पहले संक्षारित होता है।

5.3 मिश्रातु

कंठस्थ करेंपरिभाषा 9

मिश्रातु: दो या अधिक धातुओं का, या एक धातु और एक अधातु का, समांगी मिश्रण। शुद्ध धातु को पिघलाकर उसमें दूसरे तत्व निश्चित अनुपात में घोले जाते हैं, फिर मिश्रण को कमरे के ताप तक ठंडा किया जाता है।

शुद्ध लोहा बहुत नर्म होता है और गर्म करने पर आसानी से खिंच जाता है। इसमें लगभग 0.05% कार्बन मिलाते ही यह कठोर और मज़बूत हो जाता है। निकेल और क्रोमियम मिलाने पर स्टेनलेस स्टील बनता है, जो कठोर होता है और जंग नहीं लगाता।

कंठस्थ करेंपरिभाषा 10

पारद (मर्करी) के साथ बना मिश्रातु अमलगम कहलाता है। शुद्ध धातु की अपेक्षा उसके मिश्रातु की विद्युत चालकता तथा गलनांक कम होता है।

मिश्रातु संघटन खास बात
पीतल कॉपर + जिंक विद्युत का कुचालक (शुद्ध कॉपर के विपरीत)
काँसा कॉपर + टिन विद्युत का कुचालक
सोल्डर लेड + टिन बहुत कम गलनांक, विद्युत तारों की वेल्डिंग में उपयोग
स्टेनलेस स्टील आयरन + निकेल + क्रोमियम कठोर, जंगरहित
क्या आप जानते हैं?

शुद्ध सोना (24 कैरट) आभूषण बनाने के लिए बहुत नर्म है, इसलिए इसे कठोर बनाने के लिए चाँदी या ताँबा मिलाया जाता है। भारत में आभूषणों के लिए सामान्यतः 22 कैरट सोना इस्तेमाल होता है, यानी 22 भाग शुद्ध सोने में 2 भाग चाँदी या ताँबा।

चित्र 4 दिल्ली का लौह स्तंभ, कुतुबमीनार के निकट स्थित है। लगभग 1600 वर्ष पहले बना यह स्तंभ 8 m ऊँचा और 6 टन (6000 kg) भारी है, फिर भी आज तक जंगरहित है। प्राचीन भारतीय धातुकर्मियों की इस उपलब्धि की जाँच दुनिया भर के वैज्ञानिकों ने की है। चित्र: Mark A. Wilson / Wikimedia Commons / Public Domain
चित्र 4 दिल्ली का लौह स्तंभ, कुतुबमीनार के निकट स्थित है। लगभग 1600 वर्ष पहले बना यह स्तंभ 8 m ऊँचा और 6 टन (6000 kg) भारी है, फिर भी आज तक जंगरहित है। प्राचीन भारतीय धातुकर्मियों की इस उपलब्धि की जाँच दुनिया भर के वैज्ञानिकों ने की है। चित्र: Mark A. Wilson / Wikimedia Commons / Public Domain

कोई भी धातु शुद्ध अवस्था में शायद ही कभी काम की होती है: उसे थोड़ा-सा दूसरे तत्व के साथ मिलाते ही उसके गुणधर्म बदल जाते हैं, और यही मिश्रातु आधुनिक इंजीनियरिंग की नींव है।

इस अध्याय की एक पंक्ति में सीख

परीक्षा से पहले स्वयं जाँचें
  • क्या मैं धातु के चार भौतिक गुणधर्म और उनके चार अपवाद उदाहरण सहित बता सकता/सकती हूँ?
  • क्या मैं सक्रियता श्रेणी का पूरा क्रम (K से Au तक) बिना देखे लिख सकता/सकती हूँ?
  • क्या मैं NaCl और MgCl₂ के बनने की प्रक्रिया इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण से समझा सकता/सकती हूँ?
  • क्या मैं भर्जन और निस्तापन में अंतर स्पष्ट कर सकता/सकती हूँ?
  • क्या मैं जंग लगने की दोनों शर्तें और उससे बचाव के तरीके गिना सकता/सकती हूँ?
सभी परिभाषाएँ एक जगह
उभयधर्मी ऑक्साइडवह धातु ऑक्साइड जो अम्ल और क्षारक दोनों से अभिक्रिया कर लवण और जल बनाए (Al₂O₃, ZnO)
विस्थापन अभिक्रियाअभिक्रियाशील धातु अपने से कम अभिक्रियाशील धातु को उसके यौगिक से हटा देती है
सक्रियता श्रेणीधातुओं की घटती अभिक्रियाशीलता के क्रम में सूची
आयनिक/वैद्युत संयोजक यौगिकधातु से अधातु में इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण से बना यौगिक
खनिजभूपर्पटी में प्राकृतिक रूप से पाया जाने वाला तत्व या यौगिक
अयस्कवह खनिज जिससे धातु निकालना लाभकारी हो
गैंगअयस्क में मिली मिट्टी, रेत जैसी अशुद्धियाँ
भर्जनसल्फाइड अयस्क को अधिक वायु में तेज़ गर्म करके ऑक्साइड में बदलना
निस्तापनकार्बोनेट अयस्क को सीमित वायु में गर्म करके ऑक्साइड में बदलना
थर्मिट अभिक्रियाFe₂O₃ और Al के बीच ऊष्माक्षेपी विस्थापन अभिक्रिया, रेल पटरी जोड़ने में उपयोग
विद्युत अपघटनी परिष्करणअशुद्ध धातु को ऐनोड, शुद्ध धातु को कैथोड बनाकर धातु का शुद्धिकरण
संक्षारणवायु और जल की मौजूदगी में धातु की सतह का धीरे-धीरे नष्ट होना (जैसे जंग)
यशदलेपनलोहे/इस्पात पर जस्ते की पतली परत चढ़ाकर जंग से बचाना
मिश्रातुदो या अधिक धातुओं, या धातु और अधातु का समांगी मिश्रण
अमलगमपारद (मर्करी) के साथ बना मिश्रातु
त्वरित दोहराव: परीक्षा से एक रात पहले यह पढ़ें
  • भौतिक गुणधर्म: चमक, कठोरता, आघातवर्ध्यता, तन्यता, ऊष्मा/विद्युत की सुचालकता, ध्वानिकता: पर मर्करी, आयोडीन, कार्बन के अपररूप और क्षारीय धातुएँ चार बड़े अपवाद हैं
  • धातु + ऑक्सीजन → धातु ऑक्साइड (क्षारकीय); उभयधर्मी ऑक्साइड (अम्ल और क्षारक दोनों से अभिक्रिया), जैसे Al₂O₃, ZnO
  • धातु + जल: K, Na हिंसक; Ca धीमी; Mg केवल गर्म जल से; Al, Fe, Zn केवल भाप से; Pb, Cu, Ag, Au कभी नहीं
  • धातु + तनु अम्ल → लवण + H₂; क्रम Mg > Al > Zn > Fe; कॉपर अभिक्रिया नहीं करता
  • अधातुएँ: न आघातवर्ध्य न तन्य, ग्रेफ़ाइट के अलावा ऊष्मा-विद्युत की कुचालक; ऑक्साइड अम्लीय या उदासीन; तनु अम्ल से हाइड्रोजन विस्थापित नहीं करतीं, हाइड्रोजन से हाइड्राइड बनाती हैं
  • सक्रियता श्रेणी: K, Na, Ca, Mg, Al, Zn, Fe, Pb, [H], Cu, Hg, Ag, Au
  • आयनिक यौगिक: इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण से बनते हैं, ठोस में कुचालक पर विलयन/गलित अवस्था में सुचालक, गलनांक-क्वथनांक ऊँचे
  • निष्कर्षण सक्रियता पर निर्भर: निम्न सक्रियता = केवल गर्म करना; मध्यम = भर्जन/निस्तापन फिर कार्बन से अपचयन; उच्च = विद्युत अपघटनी अपचयन
  • जंग लगने के लिए वायु और जल दोनों चाहिए; बचाव: पेंट, तेल, ग्रीज़, यशदलेपन, क्रोमियम लेपन, ऐनोडीकरण, मिश्रातु
  • मिश्रातु धातु के गुणधर्म बदल देता है: पीतल, काँसा, सोल्डर, स्टेनलेस स्टील याद रखें
इसी अध्याय की बाक़ी सामग्री
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