Reduction to free Metal Questions in Hindi

(A) कच्चा लोहा $Blast \ furnace$ (वात्या भट्टी) में बनाया जाता है।
इसमें मुख्य रूप से $4 \%$ कार्बन के अलावा $S, P, Si$ और $Mn$ जैसी अशुद्धियाँ अल्प मात्रा में होती हैं।

(N/A) ढलवां लोहा पिग आयरन (pig iron) से भिन्न होता है और इसे पिग आयरन को लोहे के स्क्रैप (scrap iron) और कोक (coke) के साथ गर्म हवा की भट्टी (hot air blast) में पिघलाकर बनाया जाता है।
इसमें कार्बन की मात्रा लगभग $3 \%$ होती है।
ढलवां लोहा कठोर और भंगुर (brittle) होता है।

(N/A) पिटवां लोहा व्यावसायिक रूप से लोहे का सबसे शुद्ध रूप है और इसे ढलवां लोहे (cast iron) से हेमेटाइट $(Fe_2O_3)$ की परत वाली परावर्तनी भट्टी में अशुद्धियों के ऑक्सीकरण द्वारा तैयार किया जाता है।
हेमेटाइट कार्बन को कार्बन मोनोऑक्साइड में ऑक्सीकृत करता है:
$Fe_2O_3 + 3C \rightarrow 2Fe + 3CO$
फ्लक्स के रूप में चूना पत्थर (limestone) मिलाया जाता है,और सल्फर,सिलिकॉन तथा फास्फोरस जैसी अशुद्धियाँ ऑक्सीकृत होकर स्लैग में चली जाती हैं।
अंत में,धातु को भट्टी से बाहर निकालकर रोलर्स के माध्यम से गुजारा जाता है ताकि स्लैग को हटाया जा सके,जिससे शुद्ध पिटवां लोहा प्राप्त होता है।

(A) $(i)$ $Cu_{2}O$ से कॉपर का निष्कर्षण: एलिंगम आरेख में,$Cu_{2}O$ रेखा सबसे ऊपर होती है,जिससे कॉपर ऑक्साइड अयस्कों को कोक के साथ गर्म करके धातु में अपचयित करना आसान हो जाता है। अक्सर,सल्फाइड अयस्कों को भर्जन द्वारा ऑक्साइड में बदला जाता है: $2Cu_{2}S + 3O_{2} \rightarrow 2Cu_{2}O + 2SO_{2}$। इसके बाद ऑक्साइड का अपचयन होता है: $Cu_{2}O + C \rightarrow 2Cu + CO$। व्यवहार में,लोहे को धातुमल $(FeSiO_{3})$ के रूप में हटा दिया जाता है और कॉपर स्वतः-अपचयन द्वारा प्राप्त किया जाता है: $2Cu_{2}O + Cu_{2}S \rightarrow 6Cu + SO_{2}$। इस उत्पाद को फफोलेदार कॉपर (Blister Copper) कहा जाता है।
$(ii)$ $ZnO$ से जिंक का निष्कर्षण: जिंक ऑक्साइड का अपचयन उच्च तापमान $(1673 \ K)$ पर कोक का उपयोग करके किया जाता है। ऑक्साइड को कोक और मिट्टी के साथ मिलाकर ब्रिकेट्स बनाए जाते हैं: $ZnO + C \xrightarrow{1673 \ K} Zn + CO$। इसके बाद जिंक धातु को आसवन द्वारा अलग किया जाता है और तेजी से ठंडा करके एकत्र किया जाता है।

(N/A) $Cu_{2}O$ के निर्माण के लिए $\Delta_{r} G^{\circ}$ बनाम $T$ का आलेख लगभग शीर्ष पर है।
इसलिए,कोक के साथ गर्म करके कॉपर ऑक्साइड अयस्क का धातु में अपचयन बहुत आसान है।
$(C, CO)$ और $(C, CO_{2})$ दोनों रेखाएं ग्राफ में बहुत नीचे हैं,विशेष रूप से $500-600 \ K$ से ऊपर। इसके अलावा,कुछ अयस्क सल्फाइड होते हैं और कुछ में आयरन भी होता है।
सल्फाइड अयस्क के भर्जन/प्रगलन से ऑक्साइड प्राप्त होता है:
$2 Cu_{2}S + 3 O_{2} \rightarrow 2 Cu_{2}O + 2 SO_{2}$
फिर,ऑक्साइड को कोक का उपयोग करके आसानी से धात्विक कॉपर में अपचयित किया जा सकता है:
$Cu_{2}O + C \rightarrow 2 Cu + CO$
इस प्रक्रिया में,अयस्क को सिलिका के साथ मिलाकर परावर्तनी भट्टी में गर्म किया जाता है।
भट्टी में,आयरन ऑक्साइड,आयरन सिलिकेट स्लैग के रूप में बनता है और कॉपर,कॉपर मैट के रूप में प्राप्त होता है,जिसमें $Cu_{2}S$ और $FeS$ होते हैं:
$FeO + SiO_{2} \rightarrow FeSiO_{3} \text{ (स्लैग)}$
फिर,कॉपर मैट को सिलिका-अस्तर वाले कन्वर्टर में लिया जाता है। थोड़ी सिलिका मिलाई जाती है और गर्म हवा का झोंका दिया जाता है।
इस प्रकार,शेष $FeS$ का $FeO$ में और $Cu_{2}S/Cu_{2}O$ का कॉपर धातु में परिवर्तन होता है,जिसे निम्नलिखित अभिक्रियाओं द्वारा दर्शाया गया है:
$2 FeS + 3 O_{2} \rightarrow 2 FeO + 2 SO_{2}$
$FeO + SiO_{2} \rightarrow FeSiO_{3}$
$2 Cu_{2}S + 3 O_{2} \rightarrow 2 Cu_{2}O + 2 SO_{2}$
$2 Cu_{2}O + Cu_{2}S \rightarrow 6 Cu + SO_{2}$
ठोस रूप में प्राप्त कॉपर पर $SO_{2}$ के निकलने के कारण छाले (blisters) दिखाई देते हैं,इसलिए इसे ब्लिस्टर कॉपर कहा जाता है।

(N/A) ऑक्साइड के निर्माण के लिए $\Delta_{r} G^{\circ}$ बनाम $T$ का ग्राफ दर्शाता है कि $Cu_{2}O$ रेखा सबसे ऊपर है।
इसलिए,कॉपर ऑक्साइड अयस्क का कोक के साथ गर्म करके धातु में अपचयन करना बहुत आसान है।
$(C, CO)$ और $(C, CO_{2})$ दोनों रेखाएं ग्राफ में काफी नीचे स्थित हैं,विशेष रूप से $500-600 \ K$ से ऊपर के तापमान पर।
हालाँकि,अधिकांश अयस्क सल्फाइड के रूप में होते हैं और उनमें अक्सर आयरन भी होता है।
सल्फाइड अयस्क का प्रगलन (smelting) करने पर ऑक्साइड प्राप्त होता है:
$2Cu_{2}S + 3O_{2} \rightarrow 2Cu_{2}O + 2SO_{2}$
इसके बाद,ऑक्साइड को कोक का उपयोग करके आसानी से धात्विक कॉपर में अपचयित किया जा सकता है:
$Cu_{2}O + C \rightarrow 2Cu + CO$
वास्तविक प्रक्रिया में,अयस्क को सिलिका के साथ मिलाकर परावर्तनी भट्टी (reverberatory furnace) में गर्म किया जाता है।
आयरन ऑक्साइड,आयरन सिलिकेट स्लैग के रूप में दूर हो जाता है और कॉपर,कॉपर मैट ($Cu_{2}S$ और $FeS$ का मिश्रण) के रूप में प्राप्त होता है:
$FeO + SiO_{2} \rightarrow FeSiO_{3} \text{ (स्लैग)}$
कॉपर मैट को सिलिका-लाइन वाले कन्वर्टर में डाला जाता है। इसमें थोड़ी सिलिका मिलाई जाती है और गर्म हवा का झोंका दिया जाता है।
यह शेष $FeS$ को $FeO$ में और $Cu_{2}S/Cu_{2}O$ को धात्विक कॉपर में परिवर्तित कर देता है:
$2FeS + 3O_{2} \rightarrow 2FeO + 2SO_{2}$
$FeO + SiO_{2} \rightarrow FeSiO_{3}$
$2Cu_{2}S + 3O_{2} \rightarrow 2Cu_{2}O + 2SO_{2}$
$2Cu_{2}O + Cu_{2}S \rightarrow 6Cu + SO_{2}$
ठोस हुए कॉपर पर $SO_{2}$ गैस के निकलने के कारण छाले (blisters) दिखाई देते हैं,इसलिए इसे ब्लिस्टर कॉपर कहा जाता है।

(N/A) विधि: जिंक ऑक्साइड $(ZnO)$ का अपचयन कोक $(C)$ का उपयोग करके किया जाता है। इस मामले में तापमान कॉपर की तुलना में अधिक उच्च रखा जाता है।
गर्म करने के उद्देश्य से,ऑक्साइड को कोक और मिट्टी के साथ मिलाकर छोटी ईंटें (brickettes) बनाई जाती हैं।
अभिक्रिया: $ZnO + C \rightarrow Zn + CO$
धातु को आसवित (distilled) किया जाता है और तीव्र शीतलन (rapid chilling) द्वारा एकत्रित किया जाता है।

(A) तांबे के निष्कर्षण के दौरान,अंतिम चरण में कॉपर मैट $(Cu_2S + FeS)$ का बेसेमराइजेशन किया जाता है।
इस प्रक्रिया में,$2Cu_2S + 3O_2 \rightarrow 2Cu_2O + 2SO_2$ अभिक्रिया होती है।
इसके बाद,$Cu_2O + Cu_2S \rightarrow 6Cu + SO_2$ अभिक्रिया होती है।
उत्पन्न होने वाली $SO_2$ गैस पिघले हुए तांबे से बाहर निकलने का प्रयास करती है,जिससे सतह पर बुलबुले बन जाते हैं,जिन्हें 'ब्लिस्टर कॉपर' कहा जाता है।

(A) पिग आयरन वह लोहा है जो वात्या भट्टी (blast furnace) से प्राप्त होता है। इसमें लगभग $4\%$ कार्बन और कम मात्रा में अन्य अशुद्धियाँ (जैसे $S, P, Si, Mn$) होती हैं। यह लोहे का सबसे अशुद्ध रूप है।

(A) वात्या भट्टी में,कम तापमान सीमा लगभग $500-800 \ K$ होती है।
इस क्षेत्र में,कार्बन मोनोऑक्साइड $(CO)$ द्वारा आयरन ऑक्साइड का अपचयन होता है।
अभिक्रियाएं इस प्रकार हैं:
$3Fe_2O_3 + CO \rightarrow 2Fe_3O_4 + CO_2$
$Fe_3O_4 + CO \rightarrow 3FeO + CO_2$
$FeO + CO \rightarrow Fe + CO_2$
अतः,मुख्य प्रक्रिया आयरन ऑक्साइड का धात्विक आयरन में अपचयन है।

(N/A) इलेक्ट्रोमेटलर्जी विद्युत अपघटन द्वारा उनके अयस्कों या लवणों से इलेक्ट्रोपॉजिटिव धातुओं को निकालने की प्रक्रिया है,जो आमतौर पर पिघली हुई अवस्था या जलीय घोल में की जाती है।
यह विधि विद्युत रासायनिक सिद्धांतों पर आधारित है,जो गिब्स मुक्त ऊर्जा समीकरण द्वारा नियंत्रित होती है:
$\Delta G^{\circ} = -nF E^{\circ}_{cell}$
जहाँ:
$n = \text{स्थानांतरित इलेक्ट्रॉनों की संख्या}$
$F = \text{फैराडे स्थिरांक}$
$E^{\circ}_{cell} = \text{मानक सेल विभव}$
एक स्वतःस्फूर्त अभिक्रिया के लिए,$\Delta G^{\circ}$ का मान ऋणात्मक होना चाहिए,जिसके लिए $E^{\circ}_{cell}$ का मान धनात्मक होना आवश्यक है। अत्यधिक सक्रिय धातुओं का अपचयन विभव (reduction potential) बड़ा ऋणात्मक होता है,जिससे उनका अपचयन कठिन हो जाता है। ऐसे मामलों में,विद्युत अपघटन का उपयोग किया जाता है जहाँ $M^{n+}$ आयन कैथोड पर अपचयित होते हैं:
$M^{n+} + ne^{-} \rightarrow M_{(s)}$
उत्पन्न धातु की सक्रियता के संबंध में सावधानी बरती जाती है और उपयुक्त इलेक्ट्रोड का चयन किया जाता है। चालकता बढ़ाने और गलनांक को कम करने के लिए अक्सर पिघले हुए इलेक्ट्रोलाइट में फ्लक्स मिलाया जाता है।
इन सिद्धांतों पर आधारित प्रक्रियाओं के उदाहरणों में हॉल-हेरोल्ट प्रक्रिया ($Al$ के लिए),कास्टनर की प्रक्रिया ($Na$ के लिए),और डाउन्स सेल प्रक्रिया ($Na$ के लिए) शामिल हैं।

(N/A) धातुओं के जलीय विलयन का उपयोग करके धातुओं के निष्कर्षण को जल-धातुकर्म (hydrometallurgy) कहा जाता है।
उदाहरण: $Au$,$Ag$,और $Cu$ इस विधि द्वारा निष्कर्षित किए जाते हैं।
निम्न श्रेणी के अयस्कों और स्क्रैप से तांबे (copper) का निष्कर्षण जल-धातुकर्म द्वारा किया जाता है। इसे अम्ल या बैक्टीरिया का उपयोग करके निक्षालित (leach) किया जाता है। $Cu^{2+}$ आयनों वाले विलयन को स्क्रैप आयरन या $H_{2}$ गैस के साथ उपचारित किया जाता है।
रासायनिक अभिक्रिया:
$Cu^{2+}_{(aq)} + H_{2(g)} \rightarrow Cu_{(s)} + 2H^{+}_{(aq)}$

(N/A) एल्युमिनियम के विद्युत-अपघटनी अपचयन में,शुद्ध $Al_{2}O_{3}$ को $Na_{3}AlF_{6}$ (क्रायोलाइट) या $CaF_{2}$ (फ्लोर्सपार) के साथ मिलाया जाता है,जो मिश्रण के गलनांक को कम करता है और इसकी विद्युत चालकता को बढ़ाता है।
गलित मिश्रण का विद्युत-अपघटन एक स्टील पात्र में किया जाता है,जिसमें कार्बन का अस्तर कैथोड के रूप में और ग्रेफाइट की छड़ें एनोड के रूप में कार्य करती हैं।
कुल अभिक्रिया इस प्रकार है:
$2 Al_{2}O_{3} + 3 C \rightarrow 4 Al + 3 CO_{2}$
विद्युत-अपघटन के दौरान एनोड पर मुक्त हुई ऑक्सीजन गैस एनोड के कार्बन के साथ अभिक्रिया करके $CO$ और $CO_{2}$ बनाती है। परिणामस्वरूप,उत्पादित प्रत्येक $1 \ kg$ एल्युमिनियम के लिए,लगभग $0.5 \ kg$ कार्बन एनोड खर्च हो जाता है। चूंकि एनोड अभिक्रिया में खपत हो जाते हैं,इसलिए उन्हें समय-समय पर बदलने की आवश्यकता होती है।
कैथोड पर: $Al^{3+} (melt) + 3 e^{-} \rightarrow Al (l)$
एनोड पर:
$C (s) + O^{2-} (melt) \rightarrow CO (g) + 2 e^{-}$
$C (s) + 2 O^{2-} (melt) \rightarrow CO_{2} (g) + 4 e^{-}$

(N/A) एल्यूमीनियम के विद्युत अपघटनी अपचयन में,शुद्ध $Al_{2}O_{3}$ को $Na_{3}AlF_{6}$ (क्रायोलाइट) या $CaF_{2}$ (फ्लोर्सपार) के साथ मिलाया जाता है,जो मिश्रण के गलनांक को कम करता है और इसकी विद्युत चालकता को बढ़ाता है।
इस मिश्रण का विद्युत अपघटन एक स्टील के बर्तन में किया जाता है जिसमें कार्बन की परत कैथोड के रूप में कार्य करती है,जबकि ग्रेफाइट की छड़ें एनोड के रूप में कार्य करती हैं।
संपूर्ण प्रक्रिया को इस समीकरण द्वारा दर्शाया गया है:
$2Al_{2}O_{3} + 3C \rightarrow 4Al + 3CO_{2}$
विद्युत अपघटन के दौरान एनोड पर ऑक्सीजन गैस मुक्त होती है,जो एनोड के कार्बन के साथ प्रतिक्रिया करके $CO$ और $CO_{2}$ बनाती है।
उत्पादित प्रत्येक $1 \ kg$ एल्यूमीनियम के लिए,लगभग $0.5 \ kg$ कार्बन एनोड नष्ट हो जाता है। इसलिए,ग्रेफाइट एनोड को समय-समय पर बदलने की आवश्यकता होती है।
कैथोड अभिक्रिया: $Al^{3+} + 3e^{-} \rightarrow Al_{(l)}$
एनोड अभिक्रियाएँ:
$C_{(s)} + O^{2-} \rightarrow CO_{(g)} + 2e^{-}$
$C_{(s)} + 2O^{2-} \rightarrow CO_{2(g)} + 4e^{-}$

(N/A) निम्न श्रेणी के अयस्कों से कॉपर को जलधातुक्रम विधि द्वारा निष्कर्षित किया जाता है। अयस्क का अम्ल या बैक्टीरिया का उपयोग करके निक्षालन (leaching) किया जाता है। प्राप्त विलयन में $Cu^{2+}$ आयन होते हैं,जिन्हें लोहे के स्क्रैप या $H_2$ गैस के साथ उपचारित किया जाता है। अभिक्रिया है: $Cu^{2+}_{(aq)} + H_{2(g)} \rightarrow Cu_{(s)} + 2H^+_{(aq)}$.

(B) जलधातुक्रम विधि (hydrometallurgy) में धातुओं को उनके अयस्कों से जलीय विलयन का उपयोग करके निकाला जाता है। कॉपर के लिए,निम्न श्रेणी के अयस्कों को अम्ल या बैक्टीरिया द्वारा लीच किया जाता है। प्राप्त विलयन जिसमें $Cu^{2+}$ आयन होते हैं,उसे लोहे के स्क्रैप या $H_2$ गैस के साथ उपचारित किया जाता है। लोहे के स्क्रैप के साथ अभिक्रिया इस प्रकार है: $Cu^{2+} (aq) + Fe (s) \rightarrow Cu (s) + Fe^{2+} (aq)$। अतः,विकल्प $B$ सही है।

(N/A) सोने और चांदी का निक्षालन $CN^-$ का उपयोग करके किया जाता है। यह एक ऑक्सीकरण प्रक्रिया $(Au \rightarrow Au^+)$ है।
धातु को बाद में विस्थापन (displacement) विधि द्वारा पुनः प्राप्त किया जाता है।
$4Au_{(s)} + 8CN^-_{(aq)} + 2H_2O_{(aq)} + O_{2(g)} \rightarrow 4[Au(CN)_2]^-_{(aq)} + 4OH^-_{(aq)}$
$2[Au(CN)_2]^-_{(aq)} + Zn_{(s)} \rightarrow 2Au_{(s)} + [Zn(CN)_4]^{2-}_{(aq)}$
इस अभिक्रिया में $Zn$ अपचायक (reducing agent) के रूप में कार्य करता है।

(N/A) ए्लिंघम आरेख में,कार्बन के कार्बन मोनोऑक्साइड में ऑक्सीकरण को दर्शाने वाली रेखा $(2C + O_2 \rightarrow 2CO)$ नीचे की ओर झुकती है,जबकि आयरन के आयरन$(II)$ ऑक्साइड में ऑक्सीकरण की रेखा $(2Fe + O_2 \rightarrow 2FeO)$ ऊपर की ओर जाती है।
$1073 \ K$ से अधिक तापमान पर,$CO$ के निर्माण के लिए गिब्स मुक्त ऊर्जा $(Gibbs \ free \ energy)$,$FeO$ की तुलना में अधिक ऋणात्मक हो जाती है,अर्थात $\Delta_{f} G^{\ominus}_{(C, CO)} < \Delta_{f} G^{\ominus}_{(Fe, FeO)}$.
चूंकि $C$ द्वारा $FeO$ का अपचयन $(2FeO + 2C \rightarrow 2Fe + 2CO)$ दो अभिक्रियाओं का योग है,इसलिए कुल $\Delta G^{\ominus}$ ऋणात्मक हो जाता है,जिससे यह अपचयन ऊष्मागतिक रूप से संभव हो जाता है।

(N/A) पिटवां लोहा,ढलवां लोहे से हेमेटाइट $(Fe_2O_3)$ की परत वाली रिवरबरेटरी भट्टी में अशुद्धियों को ऑक्सीकृत करके तैयार किया जाता है।
रासायनिक अभिक्रिया:
$Fe_2O_3(s) + 3C(s) \rightarrow 2Fe(s) + 3CO(g)$
सल्फर,सिलिकॉन और फास्फोरस जैसी अशुद्धियों को दूर करने के लिए,फ्लक्स के रूप में चूना पत्थर $(CaCO_3)$ मिलाया जाता है। अशुद्धियाँ अपने संबंधित ऑक्साइड ($SO_2$,$SiO_2$,$P_4O_{10}$) में ऑक्सीकृत हो जाती हैं और धातुमल (slag) के रूप में बाहर निकल जाती हैं। उदाहरण के लिए,$SiO_2$ चूना पत्थर के साथ अभिक्रिया करके कैल्शियम सिलिकेट धातुमल $(CaSiO_3)$ बनाता है। पिघली हुई धातु को रोलर्स से गुजारकर धातुमल से मुक्त किया जाता है।

(N/A) निम्न कोटि के अयस्कों से कॉपर का निष्कर्षण जल-धातुकर्म (hydrometallurgy),विशेष रूप से निक्षालन (leaching) प्रक्रिया द्वारा किया जाता है।
$1$. अयस्क को अम्ल या बैक्टीरिया के जलीय घोल के साथ उपचारित किया जाता है,जो कॉपर आयनों को घोल में घोल देता है और अशुद्धियों को पीछे छोड़ देता है।
$2$. इसके बाद $Cu^{2+}$ आयनों वाले घोल को लोहे के स्क्रैप $(Fe)$ या हाइड्रोजन गैस $(H_2)$ के साथ उपचारित किया जाता है ताकि कॉपर आयनों को धात्विक कॉपर में अपचयित (reduce) किया जा सके।
$3$. इसमें शामिल रासायनिक अभिक्रिया है: $Cu^{2+}(aq) + H_2(g) \rightarrow Cu(s) + 2H^+(aq)$ या $Cu^{2+}(aq) + Fe(s) \rightarrow Cu(s) + Fe^{2+}(aq)$।

(N/A) इसका कारण उच्च तापमान पर धातु कार्बाइड और धातु हाइड्राइड का निर्माण है।
$CaO + 3C \xrightarrow{2273 \ K} CaC_2 + CO$
$Ca + H_2 \rightarrow CaH_2$

(N/A) रिवरबरेटरी भट्टी की परत हेमेटाइट $(Fe_{2}O_{3})$ का उपयोग करके बनाई जाती है,जो ढलवां लोहे में मौजूद अशुद्धियों को ऑक्सीकृत करती है।
इसमें शामिल अभिक्रिया है:
$Fe_{2}O_{3} + 3C \rightarrow 2Fe + 3CO$
इस प्रक्रिया में,कार्बन का $CO$ में ऑक्सीकरण होता है। सल्फर,सिलिकॉन और फास्फोरस जैसी अन्य अशुद्धियाँ भी क्रमशः $SO_{2}$,$SiO_{2}$ और $P_{4}O_{10}$ में ऑक्सीकृत हो जाती हैं। $SO_{2}$ गैस के रूप में बाहर निकल जाती है,जबकि $SiO_{2}$ और $P_{4}O_{10}$ को फ्लक्स के साथ अभिक्रिया कराकर धातुमल (slag) के रूप में हटा दिया जाता है।

(A) तांबे के सल्फाइड अयस्क में अशुद्धि के रूप में आयरन ऑक्साइड $(FeO)$ मौजूद होता है। इस अशुद्धि को दूर करने के लिए फ्लक्स के रूप में सिलिका $(SiO_2)$ मिलाया जाता है। यह $FeO$ के साथ अभिक्रिया करके आयरन सिलिकेट $(FeSiO_3)$ बनाता है,जो एक गलनीय धातुमल (slag) है।
$FeO + SiO_2 \rightarrow FeSiO_3$
यह प्रक्रिया कॉपर मैट से धातुमल को अलग करने की अनुमति देती है।

(N/A) $i$. धातु की अभिक्रियाशीलता: यदि धातुएं अत्यधिक अभिक्रियाशील हैं,तो उनका निष्कर्षण उनके गलित लवणों के विद्युत अपघटन द्वारा किया जाना चाहिए,क्योंकि वे अभिक्रिया के दौरान पानी के साथ अभिक्रिया कर सकती हैं।
$ii$. इलेक्ट्रोड की प्रकृति: विद्युत अपघटन के लिए उपयोग किए जाने वाले इलेक्ट्रोड को विद्युत अपघटन के उत्पादों के साथ अभिक्रिया नहीं करनी चाहिए। यदि वे अभिक्रिया करते हैं,तो इलेक्ट्रोड सस्ती सामग्री से बने होने चाहिए,क्योंकि उन्हें समय-समय पर बदलने की लागत प्रक्रिया की कुल लागत से अधिक नहीं होनी चाहिए।

(B) धातुकर्म प्रक्रियाओं में फ्लक्स की भूमिका निम्नलिखित है:
$(i)$ अयस्क में उपस्थित गैंग (gangue) के साथ अभिक्रिया करके उसे एक गलनीय पदार्थ में बदलना जिसे धातुमल (slag) कहते हैं।
$(ii)$ मिश्रण के गलनांक को कम करना,जिससे निष्कर्षण प्रक्रिया अधिक कुशल हो जाती है।

(N/A) $500-800 \ K$ (निम्न तापमान सीमा) में,ब्लास्ट फर्नेस में निम्नलिखित अपचयन अभिक्रियाएँ होती हैं:
$3 Fe_{2}O_{3} + CO \rightarrow 2 Fe_{3}O_{4} + CO_{2}$
$Fe_{3}O_{4} + 4 CO \rightarrow 3 Fe + 4 CO_{2}$
$Fe_{2}O_{3} + CO \rightarrow 2 FeO + CO_{2}$

(N/A) सोने के निष्कर्षण में निम्नलिखित चरण शामिल हैं:
$1$. निक्षालन (Leaching): सोने को वायु $(O_2)$ की उपस्थिति में सोडियम सायनाइड $(NaCN)$ के तनु विलयन के साथ उपचारित करके एक विलेय संकुल बनाया जाता है:
$4 Au(s) + 8 CN^{-}(aq) + 2 H_{2}O(l) + O_{2}(g) \rightarrow 4 [Au(CN)_{2}]^{-}(aq) + 4 OH^{-}(aq)$
$2$. अपचयन (Reduction): जिंक $(Zn)$ मिलाकर संकुल से सोना प्राप्त किया जाता है,जो एक अपचायक के रूप में कार्य करता है:
$2 [Au(CN)_{2}]^{-}(aq) + Zn(s) \rightarrow 2 Au(s) + [Zn(CN)_{4}]^{2-}(aq)$
जिंक अपने संकुल से सोने को विस्थापित करके एक अपचायक के रूप में कार्य करता है।

(N/A) अपचयन के अलावा,कुछ निष्कर्षण ऑक्सीकरण पर आधारित होते हैं,विशेष रूप से अधातुओं के लिए।
$(i)$ ब्राइन से क्लोरीन का निष्कर्षण: यह निष्कर्षण ऑक्सीकरण पर आधारित है।
$2 Cl_{(aq)}^{-} + 2 H_2O_{(l)} \rightarrow 2 OH_{(aq)}^{-} + H_{2(g)} + Cl_{2(g)}$
अभिक्रिया के लिए गिब्स मुक्त ऊर्जा में परिवर्तन $+422 \ kJ$ है। जब इसे $\Delta G^{0} = -nFE^{0}$ समीकरण का उपयोग करके $E^{0}$ में परिवर्तित किया जाता है,तो हमें $E^{0} = -2.2 \ V$ प्राप्त होता है। अतः,प्रक्रिया को पूरा करने के लिए $2.2 \ V$ से अधिक का बाहरी $emf$ प्रदान करने की आवश्यकता होती है।
हालाँकि,विद्युत अपघटन में अन्य बाधा डालने वाली अभिक्रियाओं को दूर करने के लिए अतिरिक्त विभव की आवश्यकता होती है। इस प्रकार,विद्युत अपघटन द्वारा $Cl_2$ प्राप्त किया जाता है,जिसमें उप-उत्पाद के रूप में $H_2$ और जलीय $NaOH$ प्राप्त होते हैं। पिघले हुए $NaCl$ का विद्युत अपघटन भी किया जाता है,लेकिन उस स्थिति में $Na$ धातु उत्पन्न होती है,$NaOH$ नहीं।
$(ii)$ स्वर्ण सायनाइडेशन प्रक्रिया: सोने या चांदी के निष्कर्षण में $CN^{-}$ के साथ लीचिंग शामिल है। यह भी एक ऑक्सीकरण अभिक्रिया है ($Ag \rightarrow Ag^{+}$,$Au \rightarrow Au^{+}$)।
धातु को बाद में विस्थापन विधि द्वारा पुनः प्राप्त किया जाता है।
$4 Au_{(s)} + 8 CN_{(aq)}^{-} + 2 H_2O_{(l)} + O_{2(g)} \rightarrow 4[Au(CN)_2]^{-}_{(aq)} + 4 OH_{(aq)}^{-}$
$2[Au(CN)_2]^{-}_{(aq)} + Zn_{(s)} \rightarrow 2 Au_{(s)} + [Zn(CN)_4]^{2-}_{(aq)}$
$Zinc$ एक अपचायक के रूप में कार्य करता है।

(A) आयरन के निष्कर्षण की प्रक्रिया में,अपचयन (reduction) का मुख्य चरण $FeO_{(s)} + C_{(s)} \rightarrow Fe_{(s/l)} + CO_{(g)}$ $(i)$ है।
अभिक्रिया $(i)$ को निम्नलिखित दो अभिक्रियाओं के संयोजन (coupling) के रूप में देखा जा सकता है:
$FeO_{(s)} \rightarrow Fe_{(s)} + \frac{1}{2} O_{2(g)}$ ; $\Delta_{r} G^{\ominus}_{(FeO, Fe)}$ $(ii)$
$C_{(s)} + \frac{1}{2} O_{2(g)} \rightarrow CO_{(g)}$ ; $\Delta_{r} G^{\ominus}_{(C, CO)}$ $(iii)$
जब अभिक्रिया $(ii)$ और $(iii)$ मिलकर $(i)$ प्रदान करती हैं,तो कुल गिब्स मुक्त ऊर्जा परिवर्तन होता है:
$\Delta_{r} G^{\ominus} = \Delta_{r} G^{\ominus}_{(C, CO)} + \Delta_{r} G^{\ominus}_{(FeO, Fe)}$ $(iv)$
अभिक्रिया स्वतः प्रवर्तित होगी यदि समीकरण $(iv)$ में $\Delta_{r} G^{\ominus}$ का मान ऋणात्मक हो। इसे ए्लिंघम आरेख द्वारा समझाया जा सकता है:
$(i)$ दिए गए चित्र में,$Fe$ के $FeO$ में ऑक्सीकरण के लिए $\Delta_{r} G^{\ominus}$ बनाम $T$ का आरेख ऊपर की ओर जाता है,जबकि $C$ के $CO$ में ऑक्सीकरण के लिए आरेख नीचे की ओर जाता है। ये दोनों आरेख लगभग $1073 \ K$ पर एक-दूसरे को काटते हैं।
$(ii)$ $1073 \ K$ से अधिक तापमान पर,$C \rightarrow CO$ रेखा $Fe \rightarrow FeO$ रेखा के नीचे स्थित होती है,अर्थात $\Delta_{r} G^{\ominus}_{(C, CO)} < \Delta_{r} G^{\ominus}_{(FeO, Fe)}$।
अतः,$1073 \ K$ से ऊपर,कोक $FeO$ के लिए अपचायक के रूप में कार्य करता है और स्वयं $CO$ में ऑक्सीकृत हो जाता है।

अपचयन प्रक्रिया के दौरान,धातु का ऑक्साइड विघटित हो जाता है और अपचायक ऑक्सीजन को हटा देता है। अपचायक की भूमिका $\Delta_{r} G^{\ominus}$ का मान ऋणात्मक और पर्याप्त रूप से बड़ा प्रदान करना है ताकि दो अभिक्रियाओं (अपचायक का ऑक्सीकरण और धातु ऑक्साइड का अपचयन) के $\Delta_{r} G^{\ominus}$ का योग ऋणात्मक हो जाए।
$M_{x}O_{(s)} \rightarrow xM_{(s \text{ or } l)} + \frac{1}{2}O_{2(g)}$ ; $\Delta_{r} G^{\ominus}(M_{x}O, M)$ $... (i)$
यदि अपचयन कार्बन द्वारा किया जाता है,तो अपचायक $(C)$ का ऑक्सीकरण होता है:
$C_{(s)} + \frac{1}{2}O_{2(g)} \rightarrow CO_{(g)}$ ; $\Delta_{r} G^{\ominus}(C, CO)$ $... (ii)$
वैकल्पिक रूप से,कार्बन का कार्बन डाइऑक्साइड में पूर्ण ऑक्सीकरण हो सकता है:
$\frac{1}{2}C_{(s)} + \frac{1}{2}O_{2(g)} \rightarrow \frac{1}{2}CO_{2(g)}$ ; $\frac{1}{2}\Delta_{r} G^{\ominus}(C, CO_{2})$ $... (iii)$
अभिक्रियाओं $(i)$ और $(ii)$ को जोड़ने पर,हमें प्राप्त होता है:
$M_{x}O_{(s)} + C_{(s)} \rightarrow xM_{(s \text{ or } l)} + CO_{(g)}$ $... (iv)$
अभिक्रियाओं $(i)$ और $(iii)$ को जोड़ने पर,हमें प्राप्त होता है:
$M_{x}O_{(s)} + \frac{1}{2}C_{(s)} \rightarrow xM_{(s \text{ or } l)} + \frac{1}{2}CO_{2(g)}$ $... (v)$
इसी प्रकार,यदि कार्बन मोनोऑक्साइड अपचायक है,तो इसका ऑक्सीकरण इस प्रकार होता है:
$CO_{(g)} + \frac{1}{2}O_{2(g)} \rightarrow CO_{2(g)}$ ; $\Delta_{r} G^{\ominus}(CO, CO_{2})$ $... (vi)$
अभिक्रियाओं $(i)$ और $(vi)$ को जोड़ने पर,हमें प्राप्त होता है:
$M_{x}O_{(s)} + CO_{(g)} \rightarrow xM_{(s \text{ or } l)} + CO_{2(g)}$ $... (vii)$
अभिक्रियाएं $(iv)$ और $(vii)$ धातु ऑक्साइड $M_{x}O$ के अपचयन का वर्णन करती हैं। चुना गया तापमान ऐसा होना चाहिए कि संयुक्त रेडॉक्स प्रक्रिया के लिए $\Delta_{r} G^{\ominus}$ ऋणात्मक हो। यह एलिंगम आरेख में दो वक्रों के प्रतिच्छेदन बिंदु द्वारा इंगित किया जाता है। उस बिंदु के बाद,$\Delta_{r} G^{\ominus}$ पर्याप्त रूप से ऋणात्मक हो जाता है जिससे $M_{x}O$ का अपचयन संभव हो जाता है।

(A) सोने के अयस्क से निष्कर्षण के दौरान डाइसियानोऑरेट$(I)$ संकुल,$[Au(CN)_2]^-$ बनता है।
इस संकुल से धात्विक सोना प्राप्त करने के लिए जिंक $(Zn)$ जैसी अधिक विद्युतधनात्मक धातु मिलाई जाती है।
विस्थापन अभिक्रिया इस प्रकार है: $2[Au(CN)_2]^- (aq) + Zn (s) \rightarrow 2Au (s) + [Zn(CN)_4]^{2-} (aq)$.

(B) ढलवां लोहा (cast iron) लोहे का सबसे अशुद्ध रूप है,जिसमें लगभग $3-4.5 \%$ कार्बन होता है। इसका उपयोग ऑक्सीकरण द्वारा अशुद्धियों को दूर करके पिटवां लोहा (wrought iron) और स्टील के निर्माण के लिए किया जाता है।

(C) एलिंगम आरेख कुछ धातु ऑक्साइडों के निर्माण के लिए मानक गिब्स मुक्त ऊर्जा $(\Delta G^{\circ})$ और तापमान $(T)$ के बीच का एक आलेख है।
यह किसी दिए गए अपचायक (reducing agent) द्वारा धातु ऑक्साइड के अपचयन की व्यवहार्यता की भविष्यवाणी करने में मदद करता है।

(C) कार्बन ब्लैक,चारकोल,कोक और ग्राफीन कार्बन के रूप या अपररूप हैं। इनमें से,$Coke$ का उपयोग मुख्य रूप से लौह अयस्क के अपचयन (reduction) द्वारा स्टील बनाने के लिए किया जाता है।

(B) लोहे के विभिन्न रूपों में लोहे की मात्रा इस प्रकार है:
$1$. कास्ट आयरन: इसमें लगभग $93-95 \%$ लोहा होता है।
$2$. पिग आयरन: इसमें लगभग $93-95 \%$ लोहा होता है।
$3$. रॉट आयरन: इसमें लगभग $99.5-99.9 \%$ लोहा होता है,जो इसे व्यावसायिक लोहे का सबसे शुद्ध रूप बनाता है।
$4$. स्टेनलेस स्टील: इसमें क्रोमियम और निकल के साथ लगभग $70-80 \%$ लोहा होता है।
अतः,रॉट आयरन में लोहे की मात्रा अधिकतम होती है।

(A) एलिंगम आरेख में,दो रेखाओं का प्रतिच्छेदन बिंदु यह दर्शाता है कि दोनों अभिक्रियाओं के लिए $ \Delta G $ के मान समान हैं,जिसका अर्थ है कि कुल युग्मित अभिक्रिया के लिए $ \Delta G = 0 $ है।
एलिंगम आरेख में रेखा की ढलान में अचानक परिवर्तन धातु या धातु ऑक्साइड की अवस्था परिवर्तन (गलनांक या क्वथनांक) को दर्शाता है।

(A) हॉल-हेरॉल्ट प्रक्रिया द्वारा एल्युमीनियम के निष्कर्षण के दौरान,शुद्ध $Al_2O_3$ का गलनांक बहुत अधिक होता है।
अभिक्रिया मिश्रण के गलनांक को कम करने और इसकी विद्युत चालकता बढ़ाने के लिए $Na_3AlF_6$ (क्रायोलाइट) मिलाया जाता है।

(A) $Al_2O_3 \rightarrow Al$ का अपचयन कोक (कार्बन) का उपयोग करके नहीं किया जा सकता है क्योंकि एल्युमीनियम की ऑक्सीजन के प्रति आकर्षण शक्ति बहुत अधिक होती है।
इसके बजाय,यह इसके गलित लवणों के विद्युत अपघटन द्वारा किया जाता है।
$ZnO$,$Fe_2O_3$ और $Cu_2O$ का अपचयन कार्बन (कोक) को अपचायक के रूप में उपयोग करके किया जा सकता है।

(B) बेयर प्रक्रम में,$Al_{2}O_{3}$ को $NaOH$ के साथ निक्षालित करके सोडियम एल्युमिनेट,$X = Na[Al(OH)_{4}]$ बनाया जाता है।
$X$ के विलयन में $CO_{2}$ गैस $(Y)$ प्रवाहित करने पर जलयोजित एल्युमिना,$Z = Al_{2}O_{3} \cdot xH_{2}O$ अवक्षेपित होता है।
रासायनिक अभिक्रियाएँ इस प्रकार हैं:
$Al_{2}O_{3}(s) + 2NaOH(aq) + 3H_{2}O(l) \rightarrow 2Na[Al(OH)_{4}](aq)$
$2Na[Al(OH)_{4}](aq) + CO_{2}(g) \rightarrow Al_{2}O_{3} \cdot xH_{2}O(s) + 2NaHCO_{3}(aq)$

(B) एलिंघम आरेख धातु के ऑक्साइड बनाने के लिए गिब्स मुक्त ऊर्जा परिवर्तन $(\Delta G)$ और तापमान $(T)$ के बीच का एक ग्राफ है। यह धातु ऑक्साइड के अपचयन की व्यवहार्यता की भविष्यवाणी करने में मदद करता है।

(D) कथन $I$ सत्य है क्योंकि एलिंगम आरेख,जो $\Delta G$ बनाम तापमान का आलेख है,धातु निष्कर्षण के लिए उपयुक्त अपचायक चुनने में मदद करता है। अधिक ऋणात्मक $\Delta G$ मान वाली धातु,कम ऋणात्मक $\Delta G$ मान वाली धातु के ऑक्साइड का अपचयन कर सकती है।
कथन $II$ असत्य है क्योंकि एलिंगम आरेख में रेखाओं का ढाल $-\Delta S$ के बराबर होता है। अधिकांश धातु ऑक्सीकरण अभिक्रियाओं में एन्ट्रापी में कमी $(\Delta S < 0)$ होती है,इसलिए ढाल आमतौर पर धनात्मक होता है। एलिंगम आरेख में बाएं से दाएं जाने पर $\Delta S$ का मान नहीं बढ़ता है।

(D) एल्युमीनियम का निष्कर्षण एल्युमिना $(Al_2O_3)$ के विद्युत अपघटन द्वारा किया जाता है। चूंकि $Al_2O_3$ का गलनांक बहुत अधिक होता है और यह विद्युत का कुचालक होता है,इसलिए इसे क्रायोलाइट $(Na_3AlF_6)$ के साथ मिलाया जाता है ताकि गलनांक कम हो सके और विद्युत चालकता बढ़ सके। अतः,अभिकथन $(A)$ सत्य है।
$(B)$ क्रायोलाइट $(Na_3AlF_6)$ में,$Al$ की ऑक्सीकरण अवस्था $x$ मान लें। ऑक्सीकरण अवस्थाओं का योग $3(+1) + x + 6(-1) = 0$ है,जो $3 + x - 6 = 0$ देता है,इसलिए $x = +3$ है। अतः,कारण $(R)$ सत्य है।
$(C)$ यद्यपि दोनों कथन सत्य हैं,लेकिन यह तथ्य कि क्रायोलाइट में $Al$ की ऑक्सीकरण अवस्था $+3$ है,यह कारण नहीं है कि क्रायोलाइट का उपयोग विद्युत अपघटन प्रक्रिया में क्यों किया जाता है (इसका उपयोग गलनांक को कम करने और चालकता में सुधार करने के लिए किया जाता है)। इसलिए,$(R)$,$(A)$ की सही व्याख्या नहीं है।

(B) ब्लास्ट फर्नेस में,तापमान अलग-अलग क्षेत्रों में भिन्न होता है।
दहन क्षेत्र,जहाँ कोक गर्मी उत्पन्न करने के लिए जलता है,वहाँ अधिकतम तापमान लगभग $2200 \ K$ तक पहुँच जाता है।

(A) कॉपर के सल्फाइड अयस्क से कॉपर के निष्कर्षण के दौरान,$FeO$ अशुद्धि के रूप में उपस्थित होता है।
इस अशुद्धि को दूर करने के लिए फ्लक्स के रूप में सिलिका $(SiO_2)$ मिलाया जाता है।
अभिक्रिया इस प्रकार है:
$FeO + SiO_2 \rightarrow FeSiO_3$
यहाँ,$FeSiO_3$ धातुमल (slag) के रूप में बनता है,जिसे पिघले हुए कॉपर मैट से आसानी से अलग किया जा सकता है।

(B) हॉल-हेरॉल्ट प्रक्रम एल्युमिना $(Al_2O_3)$ से एल्युमिनियम के निष्कर्षण की प्रमुख औद्योगिक विधि है।
इस विद्युत-अपघटनी प्रक्रम में,एल्युमिना को गलित क्रायोलाइट $(Na_3AlF_6)$ में घोला जाता है और कार्बन इलेक्ट्रोड का उपयोग करके विद्युत-अपघटन किया जाता है।
कुल रासायनिक अभिक्रिया है: $2 Al_2O_3 + 3 C \rightarrow 4 Al + 3 CO_2$।

(C) सोने की निक्षालन प्रक्रिया में डाइसायनोऑरेट$(I)$ संकुल $[A]$ का निर्माण होता है:
$4Au(s) + 8CN^-(aq) + 2H_2O(aq) + O_2(g) \rightarrow 4[Au(CN)_2]^-(aq) + 4OH^-(aq)$.
यहाँ,$[A]$ का मान $[Au(CN)_2]^-$ है।
इसके बाद,जिंक के साथ विस्थापन अभिक्रिया होती है:
$2[Au(CN)_2]^-(aq) + Zn(s) \rightarrow [Zn(CN)_4]^{2-}(aq) + 2Au(s)$.
यहाँ,$[B]$ का मान $[Zn(CN)_4]^{2-}$ है।
अतः,$[A]$ और $[B]$ क्रमशः $[Au(CN)_2]^-$ और $[Zn(CN)_4]^{2-}$ हैं।

(D) एलिंगम आरेख में,$\Delta G^{\circ}$ का मान जितना अधिक ऋणात्मक होता है,धातु ऑक्साइड उतना ही अधिक स्थिर होता है। इसलिए,कथन $I$ गलत है क्योंकि कम (अधिक ऋणात्मक) $\Delta G^{\circ}$ वाला धातु ऑक्साइड अधिक स्थिर होता है।
कथन $II$ सही है क्योंकि जिस धातु की ऑक्साइड निर्माण रेखा एलिंगम आरेख में नीचे होती है,उसकी $\Delta G^{\circ}$ अधिक ऋणात्मक होती है और वह आरेख में ऊपर स्थित धातु ऑक्साइड के लिए अपचायक (reducing agent) के रूप में कार्य कर सकती है।

(D) कथन $I$ गलत है क्योंकि साइनाइड आयन के साथ सोने के निक्षालन के लिए $Au$ को $Au^+$ में बदलने हेतु ऑक्सीकरण एजेंट के रूप में हवा या $O_2$ की उपस्थिति आवश्यक है,जिससे $[Au(CN)_2]^-$ संकुल बनता है। यह $Au(III)$ संकुल नहीं बनाता है।
कथन $II$ सही है क्योंकि विस्थापन अभिक्रिया में,जिंक एक अपचायक (reducing agent) के रूप में कार्य करता है और इसका ऑक्सीकरण $[Zn(CN)_4]^{2-}$ में हो जाता है जबकि सोना $Au^+$ से $Au$ में अपचयित हो जाता है।

(D) कॉपर के निष्कर्षण में,$FeO$ अयस्क में उपस्थित एक अशुद्धि है,जो गैंग के रूप में कार्य करती है।
$FeO$ अशुद्धि को हटाने के लिए $SiO_{2}$ को फ्लक्स के रूप में मिलाया जाता है।
$FeSiO_{3}$ बनने वाला गलनीय पदार्थ है,जिसे स्लैग कहा जाता है।
अतः,$FeO$ गैंग है और $FeSiO_{3}$ स्लैग है।

(B) एलिंगम आरेख के अनुसार,$MgO$ $(2Mg O_{2} \rightarrow 2MgO)$ और $Al_{2}O_{3}$ $(4/3 Al O_{2} \rightarrow 2/3 Al_{2}O_{3})$ के निर्माण के लिए रेखाएं $1350^{\circ} C$ पर एक-दूसरे को काटती हैं।
$1350^{\circ} C$ से नीचे,$MgO$ की रेखा $Al_{2}O_{3}$ की रेखा के नीचे होती है,जिसका अर्थ है कि $Mg$ एक बेहतर अपचायक है और $Al_{2}O_{3}$ को अपचयित कर सकता है।
$1350^{\circ} C$ से ऊपर,$Al_{2}O_{3}$ की रेखा $MgO$ की रेखा के नीचे होती है,जिसका अर्थ है कि $Al$ एक बेहतर अपचायक है और $MgO$ को अपचयित कर सकता है। अतः,अभिकथन $A$ सही है।
कारण $R$ बताता है कि मैग्नीशियम के गलनांक और क्वथनांक एल्युमिनियम से कम होते हैं। यह एक तथ्यात्मक कथन है,लेकिन यह एलिंगम रेखाओं के प्रतिच्छेदन का कारण नहीं है,जो ऑक्साइड के निर्माण की मानक गिब्स मुक्त ऊर्जा $(\Delta G^{\circ})$ पर निर्भर करता है। अतः,$R$ सही है लेकिन $A$ की सही व्याख्या नहीं है।