Reduction to free Metal Questions in Hindi

(B) कैसिटेराइट अयस्क $SnO_2$ है। निष्कर्षण प्रक्रिया में निम्नलिखित चरण शामिल हैं:
$1$. गुरुत्व पृथक्करण द्वारा अयस्क का सांद्रण।
$2$. सल्फर और आर्सेनिक की अशुद्धियों को दूर करने के लिए भर्जन।
$3$. ऑक्साइड अयस्क का कार्बन द्वारा अपचयन: $SnO_2 + 2C \to Sn + 2CO$।
$4$. $Fe$,$W$ और $Cu$ जैसी अशुद्धियों को दूर करने के लिए धातु का शोधन।
चूंकि कैसिटेराइट एक ऑक्साइड अयस्क है,इसलिए इसमें स्वतः-अपचयन (self-reduction) नहीं होता है,जो $Cu_2S$ या $PbS$ जैसे सल्फाइड अयस्कों की विशेषता है।

(C) प्रगलन (smelting) उच्च तापमान पर फ्लक्स की उपस्थिति में एक अपचायक (जैसे $CO$ या $C$) का उपयोग करके धातु को उसके पिघले हुए अवस्था में निकालने की प्रक्रिया है।
अभिक्रिया $Fe_2O_3 + 3CO \to 2Fe + 3CO_2$ में,आयरन ऑक्साइड का कार्बन मोनोऑक्साइड द्वारा अपचयन होकर पिघला हुआ आयरन प्राप्त होता है।
विकल्प $A$ भर्जन (roasting) को दर्शाता है,विकल्प $B$ निस्तापन/निर्जलीकरण को दर्शाता है,और विकल्प $D$ एल्युमिनोथर्मिक अपचयन को दर्शाता है।

(D) थर्माइट धातु ऑक्साइड (आमतौर पर $Fe_2O_3$) और धातु पाउडर (आमतौर पर $Al$) का मिश्रण है।
यह अभिक्रिया अत्यधिक ऊष्माक्षेपी होती है और इसका उपयोग वेल्डिंग के उद्देश्यों के लिए किया जाता है।
रासायनिक अभिक्रिया इस प्रकार है: $Fe_2O_3(s) + 2Al(s) \rightarrow 2Fe(l) + Al_2O_3(s) + \text{Heat}$.

(C) सर्पेक प्रक्रिया में,बॉक्साइट $(Al_2O_3 \cdot 2H_2O)$ को कोक और नाइट्रोजन के साथ $1800 \ ^\circ C$ पर गर्म करके एल्युमीनियम नाइट्राइड $(AlN)$ बनाया जाता है।
$Al_2O_3 + 3C + N_2 \rightarrow 2AlN + 3CO$.
सिलिकॉन डाइऑक्साइड $(SiO_2)$ बॉक्साइट में मौजूद एक अशुद्धि है। इसे कोक के साथ प्रतिक्रिया कराकर सिलिकॉन कार्बाइड $(SiC)$ के रूप में हटा दिया जाता है।

(C) एल्युमिनो-थर्माइट प्रक्रिया में,धातु ऑक्साइड (जैसे $Fe_2O_3$) को अपचायक के रूप में एल्युमिनियम पाउडर का उपयोग करके उनकी संबंधित धातुओं में अपचयित किया जाता है।
रासायनिक अभिक्रिया इस प्रकार है: $Fe_2O_3 + 2Al \rightarrow 2Fe + Al_2O_3 + \text{Heat}$.
यहाँ,$Al$ का $Al_2O_3$ में ऑक्सीकरण होता है और यह $Fe_2O_3$ को $Fe$ में अपचयित करता है। अतः,$Al$ एक अपचायक के रूप में कार्य करता है।

(A) हॉल-हेरॉल्ट प्रक्रिया में,शुद्ध एल्यूमिना $(Al_2O_3)$ का गलनांक बहुत अधिक $(2323 \ K)$ होता है और यह विद्युत का कुचालक होता है।
पिघला हुआ क्रायोलाइट $(Na_3AlF_6)$ मिलाने के दो मुख्य उद्देश्य हैं:
$1$. यह मिश्रण के गलनांक को घटाकर लगभग $1240 \ K$ कर देता है।
$2$. यह पिघले हुए मिश्रण की विद्युत चालकता को बढ़ाता है,जिससे विद्युत अपघटन प्रक्रिया कुशल हो जाती है।

(B) शुद्ध $NaCl$ का गलनांक बहुत अधिक $(1081 \ K)$ होता है।
विद्युत अपघटनी सेल (डाउन्स प्रक्रिया) के परिचालन तापमान को कम करने के लिए,$NaCl$ में $CaCl_2$ और $KF$ मिलाया जाता है।
यह मिश्रण इलेक्ट्रोलाइट के गलनांक को लगभग $873 \ K$ तक कम कर देता है,जिससे ऊर्जा की बचत होती है और सोडियम धातु के वाष्पीकरण को रोका जा सकता है।

(C) मैग्नीशियम एक अत्यधिक सक्रिय धातु है। इसे इसके ऑक्साइड के कार्बन (कोक) द्वारा रासायनिक अपचयन से प्राप्त नहीं किया जा सकता है क्योंकि $Mg$ की ऑक्सीजन के प्रति बंधुता कार्बन से अधिक होती है।
इसे व्यावसायिक रूप से गलित मैग्नीशियम क्लोराइड $(MgCl_2)$ के विद्युत अपघटन द्वारा उत्पादित किया जाता है,जिसमें गलनांक को कम करने के लिए अन्य क्लोराइड मिलाए जाते हैं।
अतः,सही विधि गलित मैग्नीशियम लवण का विद्युत अपघटन है।

(D) गिब्स मुक्त ऊर्जा परिवर्तन का समीकरण $ \Delta G = \Delta H - T \Delta S $ है।
किसी प्रक्रिया के स्वतःस्फूर्त होने के लिए,$ \Delta G $ का मान ऋणात्मक $( \Delta G < 0 )$ होना चाहिए।
यदि $ \Delta H $ ऋणात्मक $( -ve )$ है और $ T \Delta S $ धनात्मक $( +ve )$ है,तो $ \Delta G = (-ve) - (+ve) = -ve $ होगा।
यह स्थिति सुनिश्चित करती है कि $ \Delta G $ किसी भी तापमान पर हमेशा ऋणात्मक रहे,जिससे धातु ऑक्साइड का धातु में अपचयन अनुकूल हो जाता है।

(D) एलिंगम आरेख ऊष्मागतिक अवधारणाओं पर आधारित हैं।
ये तापमान $(T)$ के संबंध में गिब्स मुक्त ऊर्जा $(\Delta G)$ में परिवर्तन का प्रतिनिधित्व करते हैं।
ये अपचयन प्रक्रिया की गतिज (kinetics),जैसे कि अभिक्रिया की दर,के बारे में कोई जानकारी नहीं देते हैं।

(B) $MgO$ के रासायनिक अपचयन द्वारा मैग्नीशियम प्राप्त करने के लिए कार्बन का उपयोग नहीं किया जा सकता है क्योंकि उच्च तापमान पर मैग्नीशियम कार्बन के साथ अभिक्रिया करके कार्बाइड बनाता है।
$2 Mg + 3 C \xrightarrow{2000^{\circ} C} Mg_2 C_3$

(A) $[Ag(CN)_2]^-$ संकुल से $Ag$ की प्राप्ति में अधिक सक्रिय धातु द्वारा $Ag^+$ का विस्थापन शामिल है।
मानक अपचयन विभव $E^o_{Zn^{2+}/Zn} = -0.76 \ V$ और $E^o_{Cu^{2+}/Cu} = +0.34 \ V$ हैं।
चूंकि $Zn$ का अपचयन विभव $Cu$ की तुलना में अधिक ऋणात्मक है,इसलिए यह एक अधिक शक्तिशाली अपचायक है।
$Zn$,$[Ag(CN)_2]^-$ से $Ag$ को विस्थापित कर सकता है क्योंकि यह $Ag^+$ को $Ag(s)$ में अपचयित कर सकता है,जबकि कॉपर अपनी कम अपचयन क्षमता के कारण इस संकुल में $Ag^+$ को प्रभावी ढंग से अपचयित नहीं कर सकता है।
अतः,कथन और कारण दोनों सही हैं और कारण,कथन की सही व्याख्या है।

(D) प्रगलन (smelting) की प्रक्रिया में,धातु ऑक्साइड को कार्बन या कार्बन मोनोऑक्साइड $(CO)$ द्वारा अपचयित किया जाता है।
$ZnO$ के लिए: $ZnO + C \to Zn + CO$।
$FeO$ के लिए: $FeO + C \to Fe + CO$।
$Zn, Fe, Pb,$ और $Sn$ जैसी धातुएं आमतौर पर उनके ऑक्साइड अयस्कों से कार्बन अपचयन (प्रगलन) द्वारा प्राप्त की जाती हैं। $FeO$ और $ZnO$ दोनों कार्बन द्वारा अपचयित होने वाले ऑक्साइड के मानक उदाहरण हैं।

(D) हॉल-हेरोल्ट प्रक्रिया में,शुद्ध एल्युमिना $(Al_2O_3)$ का गलनांक बहुत अधिक (लगभग $2323 \ K$) होता है,जिससे इसे पिघलाना कठिन होता है और बहुत अधिक ऊर्जा की खपत होती है।
पिघले हुए एल्युमिना में क्रायोलाइट $(Na_3AlF_6)$ मिलाने से इसका गलनांक लगभग $1140 \ K$ तक कम हो जाता है और इसकी विद्युत चालकता बढ़ जाती है।
अतः,सही विकल्प $D$ है।

(C) ब्लास्ट फर्नेस में,आयरन ऑक्साइड $(Fe_2O_3)$ का अपचयन मुख्य रूप से कार्बन मोनोऑक्साइड $(CO)$ द्वारा होता है जिससे आयरन $(Fe)$ और कार्बन डाइऑक्साइड $(CO_2)$ बनते हैं,जिसे अभिक्रिया $(i)$ द्वारा दर्शाया गया है।
इसके अतिरिक्त,सिलिका $(SiO_2)$ अशुद्धि को धातुमल $(CaSiO_3)$ के रूप में हटाने की प्रक्रिया $(iv)$ द्वारा होती है,जहाँ कैल्शियम ऑक्साइड $(CaO)$ एक फ्लक्स के रूप में कार्य करता है।
अभिक्रिया $(ii)$ लोहे के निष्कर्षण के लिए ब्लास्ट फर्नेस में प्राथमिक अभिक्रिया नहीं है,और अभिक्रिया $(iii)$ $CO$ अपचयन की तुलना में मुख्य अपचयन तंत्र नहीं है।
अतः,सही अभिक्रियाएँ $(i)$ और $(iv)$ हैं।

(C) $Fe_2O_3$ से आयरन का निष्कर्षण ब्लास्ट फर्नेस में कोक $(C)$ के साथ गर्म करके किया जाता है।
कोक ऑक्सीजन के साथ अभिक्रिया करके $CO$ बनाता है,जो अपचायक के रूप में कार्य करता है:
$Fe_2O_3 3CO \to 2Fe 3CO_2$
अतः,कथन सही है।
अभिक्रिया $Fe_2O_{3(s)} \to 2Fe_{(s)} 3/2 O_{2(g)}$ स्वतःप्रवर्तित नहीं है क्योंकि इसमें मजबूत धातु-ऑक्सीजन बंधों को तोड़ना शामिल है,जो ऊष्माशोषी $(\Delta H > 0)$ है और एन्ट्रापी में वृद्धि $(\Delta S > 0)$ होती है,लेकिन सामान्य तापमान पर गिब्स मुक्त ऊर्जा परिवर्तन $(\Delta G = \Delta H - T\Delta S)$ धनात्मक रहता है।
इसलिए,कारण गलत है।

(A) $Bessemerization$ प्रक्रिया के दौरान,पिघले हुए तांबे को सांचों में डाला जाता है और ठंडा होने दिया जाता है।
जैसे-जैसे धातु जमती है,घुली हुई $SO_2$ गैस बाहर निकलती है,जिससे ठोस तांबे की सतह पर बुलबुले या छाले बन जाते हैं।
इसलिए,प्राप्त तांबे को ब्लिस्टर कॉपर कहा जाता है।
कथन और कारण दोनों सही हैं,और कारण कथन की सही व्याख्या है।

(B) कथन और कारण दोनों सत्य हैं। प्रगलन (smelting) फ्लक्स की उपस्थिति में कार्बन (कोक) के साथ भुने हुए अयस्क के अपचयन की एक प्रक्रिया है। गैंग (अशुद्धियों) को धातुमल (slag) के रूप में हटाने के लिए फ्लक्स मिलाया जाता है। यद्यपि कारण में दी गई परिभाषा सटीक है,प्रगलन में कोक और फ्लक्स का उपयोग अपचयन और धातुमल निर्माण प्रक्रिया के लिए एक विशिष्ट आवश्यकता है,जिससे कारण कथन के लिए एक वर्णनात्मक परिभाषा बन जाता है,न कि प्रत्यक्ष कारण।

(B) $Fe$ और $Pt$ मरकरी के साथ अमलगम नहीं बनाते हैं।
$\text{सिल्वर अमलगम} (Ag-Hg) \xrightarrow[\Delta]{Fe \text{ पात्र}} Ag + Hg \uparrow$
यदि पात्र अन्य धातुओं जैसे $Cu$,$Ni$,या $Zn$ से बना होता,तो वे मुक्त हुए मरकरी के साथ अभिक्रिया करके अमलगम बना लेते,जिससे सिल्वर अशुद्ध हो जाता।

(C) एलिंगम आरेख के अनुसार,एक धातु दूसरी धातु के ऑक्साइड को तब अपचयित कर सकती है यदि उसका अपना ऑक्साइड निर्माण वक्र,अपचयित होने वाले धातु ऑक्साइड के वक्र से नीचे स्थित हो।
ऐसा इसलिए है क्योंकि आरेख में नीचे स्थित धातु के ऑक्साइड के लिए गिब्स मुक्त ऊर्जा $(-\Delta G)$ का मान अधिक ऋणात्मक होता है।
मैग्नीशियम $(Mg)$,$MgO$ बनाता है,और इसका निर्माण वक्र $1623 \ K$ से नीचे के तापमान पर एल्यूमिना $(Al_2O_3)$ के निर्माण वक्र से नीचे स्थित होता है।
इसलिए,$Mg$,$Al_2O_3$ को $Al$ में अपचयित कर सकता है।

(B) रॉट आयरन व्यावसायिक लोहे का सबसे शुद्ध रूप है,जिसमें लगभग $99.5 \%$ से $99.9 \%$ लोहा होता है। इसे हेमेटाइट $(Fe_2O_3)$ से अस्तर वाली रिवरबरेटरी भट्टी में अशुद्धियों को ऑक्सीकृत करके कास्ट आयरन से तैयार किया जाता है।

(B) एलिंगम आरेख में,एक धातु $A$ दूसरी धातु $B$ के ऑक्साइड $(BO_{2})$ का अपचयन कर सकती है यदि $AO_{2}$ के निर्माण की रेखा $BO_{2}$ के निर्माण की रेखा के नीचे स्थित हो।
दिए गए आरेख से,$A + O_{2} \rightarrow AO_{2}$ के लिए रेखा $B + O_{2} \rightarrow BO_{2}$ के लिए रेखा को $1400^{\circ} C$ पर काटती है।
$1400^{\circ} C$ से ऊपर,$AO_{2}$ के निर्माण की रेखा $BO_{2}$ के निर्माण की रेखा के नीचे है,जिसका अर्थ है कि अभिक्रिया $A + BO_{2} \rightarrow AO_{2} + B$ के लिए $\Delta G^{\circ}$ ऋणात्मक हो जाती है।
इसलिए,$A$,$1400^{\circ} C$ से अधिक तापमान पर $BO_{2}$ का अपचयन करता है।

(N/A) सक्रियता श्रेणी में सबसे ऊपर स्थित धातुएं जैसे $Na$,$K$,$Ca$,$Li$,$Mg$ और $Al$ को विद्युत अपघटन द्वारा निष्कर्षित किया जाता है क्योंकि वे अत्यधिक अभिक्रियाशील होती हैं और कार्बन जैसे सामान्य अपचायक द्वारा उनका अपचयन नहीं किया जा सकता है।

(N/A) एलिंगम आरेख के अनुसार,$Al_2O_3$ और $MgO$ के निर्माण के लिए वक्र बिंदु $A$ (लगभग $1623 \ K$ या $1350 \ ^\circ C$) पर प्रतिच्छेद करते हैं।
इस प्रतिच्छेदन बिंदु से नीचे के तापमान पर,$MgO$ के निर्माण की रेखा $Al_2O_3$ के निर्माण की रेखा के नीचे स्थित होती है,जिसका अर्थ है कि $MgO$ के निर्माण के लिए $\Delta _r G^\Theta$ अधिक ऋणात्मक है।
इसलिए,$1623 \ K$ से कम तापमान पर,मैग्नीशियम एल्यूमिना $(Al_2O_3)$ को एल्यूमीनियम $(Al)$ में अपचयित कर सकता है क्योंकि समग्र अभिक्रिया $\frac{2}{3} Al_2O_3 + 2 Mg \rightarrow 2 MgO + \frac{4}{3} Al$ के लिए $\Delta _r G^\Theta$ का मान ऋणात्मक होगा।

(N/A) एलिंगम आरेख के अनुसार,$Al_2O_3$ और $MgO$ वक्रों के प्रतिच्छेदन बिंदु से नीचे के तापमान पर मैग्नीशियम एल्युमिना $(Al_2O_3)$ का अपचयन कर सकता है। हालाँकि,इस प्रक्रिया का उपयोग व्यवहार में नहीं किया जाता है क्योंकि यह आर्थिक रूप से अलाभकारी है और आवश्यक तापमान स्थितियों को बनाए रखना तकनीकी रूप से कठिन है।

(N/A) ठोस अवस्था की तुलना में द्रव अवस्था में पदार्थ की एन्ट्रॉपी अधिक होती है।
जब निर्मित धातु द्रव अवस्था में होती है,तो अपचयन अभिक्रिया के लिए एन्ट्रॉपी परिवर्तन $(\Delta S)$ अधिक धनात्मक हो जाता है।
गिब्स मुक्त ऊर्जा समीकरण ${\Delta _r}{G^\Theta } = \Delta H - T\Delta S$ के अनुसार,
जैसे-जैसे $\Delta S$ बढ़ता है,${\Delta _r}{G^\Theta }$ का मान अधिक ऋणात्मक हो जाता है,जिससे अपचयन प्रक्रिया ऊष्मागतिक रूप से अधिक अनुकूल और आसान हो जाती है।

(B) लीच किए गए तांबे के अयस्क $(Cu^{2+})$ का अपचयन $zinc$ $(Zn)$ या $iron$ $(Fe)$ स्क्रैप का उपयोग करके विस्थापन अभिक्रिया द्वारा किया जा सकता है: $M + Cu^{2+} \rightarrow M^{2+} + Cu$।
$Zinc$,$iron$ की तुलना में अधिक अभिक्रियाशील है क्योंकि यह विद्युत रासायनिक श्रेणी में ऊपर स्थित है,जिसका अर्थ है कि $zinc$ के साथ अपचयन प्रक्रिया तेज होगी।
हालाँकि,$iron$,$zinc$ की तुलना में काफी सस्ता है। इसलिए,आर्थिक और औद्योगिक दृष्टिकोण से,लीच किए गए तांबे के अयस्क के अपचयन के लिए $iron$ स्क्रैप अधिक उपयुक्त और फायदेमंद है।

(N/A) हाँ,यह सच है। इसे एलिंगम आरेख (Ellingham diagram) का उपयोग करके समझाया जा सकता है,जो मानक गिब्स मुक्त ऊर्जा $(\Delta_f G^\Theta)$ बनाम तापमान $(T)$ को दर्शाता है।
$1$. अभिक्रिया $3Mg + Al_2O_3 \to 3MgO + 2Al$ तब होती है जब $MgO$ के लिए $\Delta_f G^\Theta$ वक्र,$Al_2O_3$ के $\Delta_f G^\Theta$ वक्र के नीचे स्थित होता है। यह $1623 \ K$ से कम तापमान पर होता है।
$2$. अभिक्रिया $2Al + 3MgO \to Al_2O_3 + 3Mg$ तब होती है जब $Al_2O_3$ के लिए $\Delta_f G^\Theta$ वक्र,$MgO$ के $\Delta_f G^\Theta$ वक्र के नीचे स्थित होता है। यह $1623 \ K$ से अधिक तापमान पर होता है।
$3$. दोनों वक्रों का प्रतिच्छेदन बिंदु $1623 \ K$ है,जहाँ दोनों अभिक्रियाओं के लिए $\Delta_f G^\Theta$ समान होता है।

(N/A) $Zn$ और $Fe$ के अपचयन विभव (reduction potentials) $Cu$ से कम होते हैं। जल-धातुकर्म में,$Fe$ जैसी धातुओं का उपयोग $Cu$ को उसके जलीय विलयन से विस्थापित करने के लिए किया जा सकता है।
$Fe_{(s)} + Cu_{(aq)}^{2+} \to Fe_{(aq)}^{2+} + Cu_{(s)}$
हालाँकि,$Zn$ को उसके विलयन से विस्थापित करने के लिए,अधिक सक्रिय धातुओं (अर्थात $Zn$ से कम अपचयन विभव वाली धातुएं) जैसे $Mg, Ca, K$ आदि की आवश्यकता होती है।
ये अत्यधिक सक्रिय धातुएं पानी के साथ तेजी से अभिक्रिया करके $H_2$ गैस मुक्त करती हैं,न कि धातु को विस्थापित करती हैं।
$2K_{(s)} + 2H_2O_{(l)} \to 2KOH_{(aq)} + H_{2(g)}$
परिणामस्वरूप,इन धातुओं का उपयोग $Zn$ के निष्कर्षण के लिए जल-धातुकर्म में नहीं किया जा सकता है। इसलिए,$Cu$ का निष्कर्षण जल-धातुकर्म द्वारा किया जा सकता है लेकिन $Zn$ का नहीं।

(N/A) $Cu_2S$ की निर्माण की गिब्स मुक्त ऊर्जा $\Delta_r G$,$H_2S$ और $CS_2$ की तुलना में कम ऋणात्मक है।
इसलिए,$H_2$ और $C$,$Cu_2S$ को $Cu$ में अपचयित नहीं कर सकते हैं।
दूसरी ओर,$Cu_2O$ की निर्माण की गिब्स मुक्त ऊर्जा $CO$ से अधिक है। अतः,$C$,$Cu_2O$ को $Cu$ में अपचयित कर सकता है।
$C_{(s)} + Cu_2O_{(s)} \longrightarrow 2Cu_{(s)} + CO_{(g)}$
अतः,पायराइट अयस्क से कॉपर का निष्कर्षण उसके ऑक्साइड अयस्क से अपचयन द्वारा निष्कर्षण की तुलना में अधिक कठिन है।

(B) एलिंघम आरेख (Ellingham diagram) के अनुसार,$983 \, K$ से कम तापमान पर,$CO$ के $CO_2$ में ऑक्सीकरण के लिए $\Delta G$ का मान $C$ के $CO$ में ऑक्सीकरण के $\Delta G$ मान से अधिक ऋणात्मक होता है।
चूंकि इस तापमान पर ऑक्सीजन के लिए $CO$ की बंधुता अधिक होती है,इसलिए यह $673 \, K$ पर $C$ की तुलना में एक बेहतर अपचायक के रूप में कार्य करता है।

(N/A) लोहे के निष्कर्षण के दौरान,ब्लास्ट फर्नेस में आयरन ऑक्साइड का अपचयन होता है। भट्टी में अलग-अलग तापमान क्षेत्र होते हैं,और अभिक्रियाएं इस प्रकार हैं:
$1.$ कम तापमान सीमा (लगभग $500-800 \ K$):
$3Fe_{2}O_{3} + CO \longrightarrow 2Fe_{3}O_{4} + CO_{2}$
$Fe_{3}O_{4} + 4CO \longrightarrow 3Fe + 4CO_{2}$
$Fe_{2}O_{3} + CO \longrightarrow 2Fe + 3CO_{2}$
$2.$ उच्च तापमान सीमा (लगभग $900-1500 \ K$):
$C + CO_{2} \longrightarrow 2CO$
$FeO + CO \longrightarrow Fe + CO_{2}$
$3.$ धातुमल (स्लैग) का निर्माण:
$CaCO_{3} \longrightarrow CaO + CO_{2}$
$CaO + SiO_{2} \longrightarrow CaSiO_{3} \text{ (स्लैग)}$
$4.$ बहुत उच्च तापमान पर (लगभग $2170 \ K$):
$C + O_{2} \longrightarrow CO_{2}$
$FeO + C \longrightarrow Fe + CO$

(N/A) कॉपर पाइराइट अयस्क $(CuFeS_{2})$ के भर्जन के दौरान,$FeO$ और $Cu_{2}O$ का मिश्रण प्राप्त होता है।
$2CuFeS_{2} + O_{2} \xrightarrow{\Delta} Cu_{2}S + 2FeS + SO_{2}$
$2Cu_{2}S + 3O_{2} \xrightarrow{\Delta} 2Cu_{2}O + 2SO_{2}$
$2FeS + 3O_{2} \xrightarrow{\Delta} 2FeO + 2SO_{2}$
कॉपर के धातु-कर्म में सिलिका $(SiO_{2})$ की भूमिका भर्जन प्रक्रिया के दौरान बनने वाली क्षारीय अशुद्धि,आयरन$(II)$ ऑक्साइड $(FeO)$ को हटाने के लिए अम्लीय गालक (flux) के रूप में कार्य करना है।
$FeO$ सिलिका के साथ मिलकर आयरन$(II)$ सिलिकेट,$FeSiO_{3}$ बनाता है,जिसे धातुमल (slag) कहा जाता है।
$FeO + SiO_{2} \xrightarrow{\Delta} FeSiO_{3} \text{ (Slag)}$

(N/A) ब्लास्ट फर्नेस से प्राप्त लोहे को $ \text{pig iron} $ (पिग आयरन) के रूप में जाना जाता है। इसमें लगभग $4 \%$ कार्बन और $S$,$P$,$Si$,$Mn$ जैसी कई अशुद्धियाँ कम मात्रा में होती हैं।
कास्ट आयरन को पिग आयरन को स्क्रैप आयरन और कोक के साथ गर्म हवा के झोंके का उपयोग करके पिघलाकर प्राप्त किया जाता है। इसमें पिग आयरन की तुलना में कार्बन की मात्रा कम (लगभग $3 \%$) होती है। पिग आयरन के विपरीत,कास्ट आयरन अत्यधिक कठोर और भंगुर होता है।

कॉपर मैट में $Cu_{2}S$ और $FeS$ होते हैं। कॉपर मैट को सिलिका-लाइन्ड कन्वर्टर में इसलिए डाला जाता है ताकि मैट में मौजूद शेष $FeS$ और $FeO$ को स्लैग $(FeSiO_{3})$ के रूप में हटाया जा सके। सिलिका $(SiO_{2})$ क्षारीय अशुद्धि $FeO$ को हटाने के लिए अम्लीय फ्लक्स के रूप में कार्य करता है। जब गर्म हवा का झोंका प्रवाहित किया जाता है,तो निम्नलिखित अभिक्रियाएँ होती हैं:
$2FeS + 3O_{2} \longrightarrow 2FeO + 2SO_{2}$
$FeO + SiO_{2} \longrightarrow FeSiO_{3} \text{ (स्लैग)}$
$2Cu_{2}S + 3O_{2} \longrightarrow 2Cu_{2}O + 2SO_{2}$
$2Cu_{2}O + Cu_{2}S \longrightarrow 6Cu + SO_{2}$

(B) एल्युमीनियम के विद्युत-अपघटनी निष्कर्षण में क्रायोलाइट $(Na_3AlF_6)$ दो मुख्य कार्य करता है:
$1.$ यह मिश्रण के गलनांक को $2323 \, K$ से घटाकर लगभग $1140 \, K$ कर देता है,जिससे ऊर्जा की बचत होती है।
$2.$ यह पिघले हुए एल्युमिना $(Al_2O_3)$ की विद्युत चालकता को बढ़ाता है,जिससे विद्युत-अपघटन की प्रक्रिया सुगम हो जाती है।

(N/A) जिन तापमानों पर $CO$ का उपयोग आमतौर पर अपचायक के रूप में किया जाता है,उन पर $ZnO$ के निर्माण की मानक गिब्स मुक्त ऊर्जा $CO_2$ की तुलना में अधिक ऋणात्मक होती है।
एलिंगम आरेख के अनुसार,$C$ और $O_2$ से $CO$ के निर्माण की रेखा $Zn$ और $O_2$ से $ZnO$ के निर्माण की रेखा के नीचे केवल बहुत उच्च तापमान पर ही स्थित होती है।
कम तापमान पर,$CO$ प्रभावी रूप से $ZnO$ को $Zn$ में अपचयित नहीं कर सकता क्योंकि अभिक्रिया ऊष्मागतिक रूप से संभव नहीं है $(\Delta G > 0)$।
इसलिए,$ZnO$ से जिंक के निष्कर्षण के लिए $CO$ के बजाय कार्बन $(C)$ का उपयोग अपचायक के रूप में किया जाता है।

(A) $Al_2O_3$ के निर्माण के लिए ${\Delta _r}{G^\Theta }$ का मान $(-827 \, kJ \, mol^{-1})$,$Cr_2O_3$ $(-540 \, kJ \, mol^{-1})$ की तुलना में अधिक ऋणात्मक है।
इसलिए,$Al$,$Cr_2O_3$ को $Cr$ में अपचयित कर सकता है।
वैकल्पिक रूप से,निम्नलिखित अभिक्रियाओं पर विचार करें:
$2Al + \frac{3}{2}O_2 \longrightarrow Al_2O_3 \quad {\Delta _r}{G^\Theta } = -827 \, kJ \, mol^{-1}$ $(i)$
$2Cr + \frac{3}{2}O_2 \longrightarrow Cr_2O_3 \quad {\Delta _r}{G^\Theta } = -540 \, kJ \, mol^{-1}$ $(ii)$
समीकरण $(ii)$ को $(i)$ से घटाने पर,हमें प्राप्त होता है:
$2Al + Cr_2O_3 \longrightarrow Al_2O_3 + 2Cr$
${\Delta _r}{G^\Theta } = -827 - (-540) = -287 \, kJ \, mol^{-1}$
चूंकि अभिक्रिया के लिए कुल ${\Delta _r}{G^\Theta }$ ऋणात्मक है,इसलिए $Al$ द्वारा $Cr_2O_3$ का अपचयन ऊष्मागतिकीय रूप से संभव है।

(A) $ZnO$ का $Zn$ में अपचयन आमतौर पर $1673 \, K$ पर किया जाता है।
एलिंगम आरेख से यह देखा जा सकता है कि $1073 \, K$ से ऊपर,$C$ से $CO$ के निर्माण की गिब्स मुक्त ऊर्जा,$ZnO$ के निर्माण की गिब्स मुक्त ऊर्जा से कम होती है।
इसलिए,$C$ इन तापमानों पर $ZnO$ को आसानी से $Zn$ में अपचयित कर सकता है।
दूसरी ओर,$CO$ से $CO_2$ के निर्माण की गिब्स मुक्त ऊर्जा इस तापमान सीमा में हमेशा $ZnO$ के निर्माण की गिब्स मुक्त ऊर्जा से अधिक होती है।
अतः,$CO$ प्रभावी रूप से $ZnO$ का अपचयन नहीं कर सकता है।
इसलिए,$ZnO$ के अपचयन के लिए $CO$ की तुलना में $C$ एक बेहतर अपचायक है।

(N/A) हाँ,अपचायक का चयन मुख्य रूप से ऊष्मागतिक कारकों,विशेष रूप से गिब्स मुक्त ऊर्जा परिवर्तन $(\Delta G^{\Theta})$ द्वारा निर्धारित होता है। एक धातु दूसरी धातु के ऑक्साइड को अपचयित कर सकती है यदि अपचायक धातु के ऑक्साइड की मानक विरचन मुक्त ऊर्जा $(\Delta_f G^{\Theta})$ अपचयित होने वाली धातु के ऑक्साइड की तुलना में अधिक ऋणात्मक हो।
उदाहरण $1$: एल्युमीनियम $(Al)$,कॉपर$(I)$ ऑक्साइड $(Cu_2O)$ को कॉपर $(Cu)$ में अपचयित कर सकता है क्योंकि $\Delta_f G^{\Theta} (Al_2O_3)$,$\Delta_f G^{\Theta} (Cu_2O)$ की तुलना में अधिक ऋणात्मक है। अभिक्रिया: $2Al + 3Cu_2O \rightarrow Al_2O_3 + 6Cu$.
उदाहरण $2$: मैग्नीशियम $(Mg)$,जिंक ऑक्साइड $(ZnO)$ को जिंक $(Zn)$ में अपचयित कर सकता है क्योंकि $\Delta_f G^{\Theta} (MgO)$,$\Delta_f G^{\Theta} (ZnO)$ की तुलना में अधिक ऋणात्मक है। अभिक्रिया: $Mg + ZnO \rightarrow MgO + Zn$.

(N/A) एल्युमिनियम के विद्युत-धातुकर्म में,शुद्ध एल्युमिना $(Al_2O_3)$,क्रायोलाइट $(Na_3AlF_6)$ और फ्लोर्सपार $(CaF_2)$ के पिघले हुए मिश्रण का विद्युत अपघटन किया जाता है। इस प्रक्रिया में,ग्रेफाइट छड़ों का उपयोग एनोड के रूप में किया जाता है। विद्युत अपघटन के दौरान,कैथोड पर $Al$ मुक्त होता है,जबकि एनोड पर ऑक्सीजन की ग्रेफाइट के साथ अभिक्रिया के कारण $CO$ और $CO_2$ उत्पन्न होते हैं।
कैथोड: $Al^{3+}_{(melt)} + 3e^- \to Al_{(l)}$
एनोड: $C_{(s)} + 2O^{2-}_{(melt)} \to CO_{2(g)} + 4e^-$
यदि एनोड के रूप में किसी धातु का उपयोग किया जाता,तो $O_2$ मुक्त होती,जो धातु इलेक्ट्रोड को ऑक्सीकृत कर देती और उत्पादित $Al$ को वापस $Al_2O_3$ में बदल देती। इस प्रकार,ग्रेफाइट एनोड $O_2$ के निर्माण को रोकता है और यह किफायती भी है।

(B) एलिंगम आरेख के अनुसार,$Al_2O_3$ के निर्माण की रेखा $MgO$ के निर्माण की रेखा को लगभग $1350^{\circ}C$ पर काटती है।
$1350^{\circ}C$ से ऊपर,$Al_2O_3$ के निर्माण की मानक गिब्स मुक्त ऊर्जा $MgO$ की तुलना में अधिक ऋणात्मक होती है।
इसलिए,$1350^{\circ}C$ से अधिक तापमान पर $Al$,$MgO$ को $Mg$ में अपचयित कर सकता है।

(B) जिंक का उत्पादन उसके अयस्क का कोक $(C)$ के साथ वात्या भट्टी में प्रगलन करके किया जाता है।
अपने कम क्वथनांक के कारण,जिंक धातु भट्टी के तापमान पर वाष्पित हो जाती है।
शुद्ध जिंक धातु प्राप्त करने के लिए जिंक वाष्प को एक रिसीवर में संघनित किया जाता है।
इस प्रक्रिया को आसवन कहा जाता है।

(N/A) धातु ऑक्साइड को कार्बन $(C)$ या कार्बन मोनोऑक्साइड $(CO)$ जैसे अपचायक (reducing agent) के साथ गर्म करके धातु में अपचयित किया जाता है।
अपचायक धातु ऑक्साइड में मौजूद ऑक्सीजन के साथ जुड़ जाता है।
सामान्य अभिक्रिया है: $M_{x}O_{y} + yC \rightarrow xM + yCO$.
कुछ धातु ऑक्साइड आसानी से अपचयित हो जाते हैं,जबकि कुछ को अपचयित करना कठिन होता है। अपचयन में धातु आयन द्वारा इलेक्ट्रॉनों का ग्रहण करना शामिल है। अधिकांश मामलों में,इस प्रक्रिया को सुगम बनाने के लिए ऊष्मा की आवश्यकता होती है।

(A) ब्लास्ट फर्नेस में आयरन ऑक्साइड (हेमेटाइट,$Fe_2O_3$) से आयरन के निष्कर्षण में,फ्लक्स के रूप में चूना पत्थर $(CaCO_3)$ मिलाया जाता है।
$CaCO_3$ विघटित होकर कैल्शियम ऑक्साइड $(CaO)$ बनाता है।
$CaO$ अयस्क में मौजूद सिलिका $(SiO_2)$ अशुद्धि के साथ प्रतिक्रिया करके कैल्शियम सिलिकेट $(CaSiO_3)$ बनाता है,जो धातुमल (slag) है।
अभिक्रिया: $CaO + SiO_2 \rightarrow CaSiO_3$ (धातुमल)।

(N/A) ऊष्मागतिकी (thermodynamics) की कुछ बुनियादी अवधारणाएं धातुक्रम परिवर्तनों के सिद्धांतों को समझने में मदद करती हैं।
ताप-धातुक्रम (pyrometallurgy) में,किसी दिए गए धातु ऑक्साइड $(M_xO_y)$ के अपचयन (reduction) के लिए कौन सा तत्व उपयुक्त होगा,इसका अर्थापन गिब्स ऊर्जा का उपयोग करके किया जाता है। तापीय अपचयन के आसानी से होने का मानदंड यह है कि दिए गए तापमान पर गिब्स ऊर्जा परिवर्तन $(\Delta G)$ का मान ऋणात्मक होना चाहिए।
गिब्स ऊर्जा में परिवर्तन को निम्नलिखित समीकरण द्वारा दर्शाया जाता है:
$\Delta G = \Delta H - T \Delta S$
जहाँ $\Delta H = \text{एन्थैल्पी परिवर्तन}$,$\Delta S = \text{एन्ट्रॉपी परिवर्तन}$ है।
कोई भी अभिक्रिया तभी आगे बढ़ेगी जब $\Delta G$ का मान ऋणात्मक हो।
$(i)$ तापमान $T$ बढ़ाने पर: यदि $\Delta S$ धनात्मक है,तो तापमान $(T)$ बढ़ाने पर $T \Delta S$ का मान बढ़ेगा $(\Delta H < T \Delta S)$,और परिणामस्वरूप $\Delta G$ ऋणात्मक हो जाएगा।
यदि दो अभिक्रियाओं,यानी ऑक्सीकरण और अपचयन के युग्मन (coupling) से होने वाली कुल अभिक्रिया के लिए $\Delta G$ का मान ऋणात्मक प्राप्त होता है,तो अंतिम अभिक्रिया आसानी से होती है। इस प्रकार के युग्मन को ऑक्साइड के निर्माण के लिए गिब्स ऊर्जा $(\Delta_r G^{\ominus})$ बनाम $T$ के आलेख द्वारा आसानी से समझा जा सकता है।
यह आलेख तब के मुक्त ऊर्जा परिवर्तन के लिए है जब एक ग्राम मोल ऑक्सीजन का उपयोग किया जाता है।
$(ii)$ एलिंगम आरेख (Ellingham diagrams): गिब्स ऊर्जा का ग्राफिकल निरूपण सबसे पहले $H.J.T. Ellingham$ द्वारा उपयोग किया गया था और यह ऑक्साइड के अपचयन में अपचायक (reducing agent) के चयन के लिए एक ठोस आधार प्रदान करता है। इसे एलिंगम आरेख के रूप में जाना जाता है।

(N/A) धातु कर्म परिवर्तनों के सिद्धांत को समझने के लिए,गिब्स मुक्त ऊर्जा परिवर्तन $(\Delta G)$ सबसे महत्वपूर्ण पद है। किसी भी अभिक्रिया के लिए,गिब्स मुक्त ऊर्जा परिवर्तन इस प्रकार दिया जाता है:
$\Delta G = \Delta H - T \Delta S$
जहाँ,$\Delta H$ एन्थैल्पी परिवर्तन है,$T$ केल्विन में तापमान है,और $\Delta S$ प्रक्रिया के लिए एन्ट्रॉपी परिवर्तन है।
तापीय अपचयन (thermal reduction) की व्यवहार्यता के लिए मानदंड यह है कि दिए गए तापमान पर अभिक्रिया के लिए गिब्स मुक्त ऊर्जा परिवर्तन ऋणात्मक होना चाहिए। जब $\Delta G$ का मान ऋणात्मक होता है,तभी अभिक्रिया आगे बढ़ती है।
निम्नलिखित स्थितियों में $\Delta G$ का मान ऋणात्मक होता है:
$(i)$ यदि $\Delta S$ धनात्मक है,तो तापमान $(T)$ बढ़ाने पर $T \Delta S$ का मान बढ़ता है जिससे $\Delta H < T \Delta S$ हो जाता है। इस स्थिति में तापमान बढ़ाने पर $\Delta G$ ऋणात्मक हो जाता है।
$(ii)$ यदि दो अभिक्रियाओं (अपचयन और ऑक्सीकरण) का युग्मन कुल अभिक्रिया के लिए $\Delta G$ का ऋणात्मक मान देता है,तो अंतिम अभिक्रिया व्यवहार्य हो जाती है। ऐसे युग्मन को ऑक्साइड के निर्माण के लिए $\Delta_r G^\circ$ बनाम $T$ के आलेखों का अध्ययन करके समझा जा सकता है। ये आलेख तब खींचे जाते हैं जब एक ग्राम मोल ऑक्सीजन का उपभोग होता है।
गिब्स मुक्त ऊर्जा बनाम तापमान का ग्राफिकल निरूपण सबसे पहले $H.J.T. Ellingham$ द्वारा उपयोग किया गया था,जो ऑक्साइड के अपचयन में अपचायक के चयन पर विचार करने का आधार प्रदान करता है। इसे $Ellingham$ आरेख के रूप में जाना जाता है। ऐसे आरेख अयस्क के तापीय अपचयन की व्यवहार्यता की भविष्यवाणी करने में मदद करते हैं।

(N/A) एलिंगम आरेख सामान्यतः सामान्य धातुओं और अपचायक एजेंटों के ऑक्साइड के निर्माण के लिए $\Delta_{f} G^{\circ}$ बनाम $T$ के आलेखों से बना होता है,$i.e.$,नीचे दी गई प्रतिक्रिया के लिए:
$2xM_{(s)} + O_{2_{(g)}} \rightarrow 2M_{x}O_{(s)}$
इस प्रतिक्रिया में,ऑक्साइड के निर्माण में गैस की खपत होती है; इसलिए,आणविक यादृच्छिकता कम हो जाती है,जिससे $\Delta S$ का मान ऋणात्मक हो जाता है। परिणामस्वरूप,समीकरण में $T\Delta S$ पद का चिह्न धनात्मक हो जाता है। इसके बाद,बढ़ते $T$ के बावजूद $\Delta_{f} G^{\circ}$ उच्च पक्ष की ओर स्थानांतरित हो जाता है। परिणाम $M_{x}O_{(s)}$ के निर्माण के लिए अधिकांश प्रतिक्रियाओं के वक्र में धनात्मक ढलान है।
$(b)$ प्रत्येक आलेख एक सीधी रेखा है और ऊपर की ओर ढलान वाली है,सिवाय इसके कि जब चरण में कोई परिवर्तन ($s \rightarrow l$ या $l \rightarrow g$) होता है। जिस तापमान पर ऐसा परिवर्तन होता है,उसे धनात्मक पक्ष पर ढलान में वृद्धि द्वारा इंगित किया जाता है ($e.g.$,$Zn, ZnO$ आलेख में,गलनांक को वक्र में अचानक परिवर्तन द्वारा इंगित किया जाता है)।
$(c)$ जब तापमान बढ़ाया जाता है,तो वक्र में एक बिंदु आता है जहाँ यह $\Delta_{r} G^{\circ} = 0$ रेखा को पार करता है। इस तापमान से नीचे,ऑक्साइड के निर्माण के लिए $\Delta_{r} G^{\circ}$ ऋणात्मक है,इसलिए $M_{x}O$ स्थिर है। इस बिंदु से ऊपर,ऑक्साइड के निर्माण की मुक्त ऊर्जा धनात्मक है,और ऑक्साइड $M_{x}O$ अपने आप विघटित हो जाएगा।
$(d)$ सल्फाइड और हैलाइड के लिए भी समान आरेख बनाए जाते हैं। उनसे यह स्पष्ट हो जाता है कि $M_{x}S$ का अपचयन कठिन क्यों है।
एलिंगम आरेख की सीमाएं:
$(i)$ ग्राफ केवल यह इंगित करता है कि कोई प्रतिक्रिया संभव है या नहीं,$i.e.$,अपचायक एजेंट के साथ अपचयन की प्रवृत्ति इंगित की जाती है। ऐसा इसलिए है क्योंकि यह केवल थर्मोडायनामिक अवधारणाओं पर आधारित है। यह अपचयन प्रक्रिया के कैनेटीक्स की व्याख्या नहीं करता है। यह उन सवालों के जवाब नहीं दे सकता है जैसे कि अपचयन कितनी तेजी से आगे बढ़ सकता है।
$(ii)$ यहाँ यह ध्यान रखना दिलचस्प है कि किसी भी रासायनिक प्रतिक्रिया के लिए $\Delta H$ (एन्थैल्पी परिवर्तन) और $\Delta S$ (एन्ट्रॉपी परिवर्तन) के मान तापमान बदलने पर भी लगभग स्थिर रहते हैं। इसलिए,समीकरण $\Delta G = \Delta H - T\Delta S$ में एकमात्र प्रभावी चर $T$ बन जाता है। हालाँकि,$\Delta S$ यौगिक की भौतिक अवस्था पर बहुत अधिक निर्भर करता है।
$(iii)$ चूंकि एन्ट्रॉपी सिस्टम में अव्यवस्था या यादृच्छिकता पर निर्भर करती है,इसलिए यदि कोई यौगिक पिघलता है $(s \rightarrow l)$ या वाष्पित होता है $(l \rightarrow g)$ तो यह बढ़ जाएगी क्योंकि ठोस से तरल या तरल से गैस में चरण बदलने पर आणविक यादृच्छिकता बढ़ जाती है।
$(iv)$ $\Delta_{r} G^{\circ}$ की व्याख्या $K$ $(\Delta G^{\circ} = -RT \ln K)$ पर आधारित है। इस प्रकार,यह माना जाता है कि अभिकारक और उत्पाद संतुलन में हैं: $M_{x}O + A_{red} \rightleftharpoons xM + A_{red}O$। यह हमेशा सच नहीं होता है क्योंकि अभिकारक/उत्पाद ठोस हो सकते हैं। व्यावसायिक प्रक्रियाओं में अभिकारक और उत्पाद थोड़े समय के लिए संपर्क में रहते हैं।

(N/A) लोहे के ऑक्साइड अयस्कों $(Fe_{2}O_{3}, Fe_{3}O_{4})$ से लोहे का निष्कर्षण निम्नलिखित चरणों में होता है:
$1$. सांद्रण और निस्तापन: सांद्रण के बाद,अयस्क को नमी हटाने,कार्बोनेट को विघटित करने और सल्फाइड अशुद्धियों को ऑक्सीकृत करने के लिए निस्तापन/भर्जन किया जाता है।
$2$. वात्या भट्टी (Blast Furnace) प्रक्रिया: सांद्रित अयस्क को चूना पत्थर $(CaCO_{3})$ और कोक $(C)$ के साथ मिलाकर वात्या भट्टी में ऊपर से डाला जाता है।
$3$. वात्या भट्टी में रासायनिक अभिक्रियाएँ:
- ऊपरी भाग में (कम तापमान,$500-800 \ K$): आयरन ऑक्साइड का $CO$ गैस द्वारा अपचयन होता है।
$3Fe_{2}O_{3} + CO \rightarrow 2Fe_{3}O_{4} + CO_{2}$
$Fe_{3}O_{4} + CO \rightarrow 3FeO + CO_{2}$
- मध्य भाग में (उच्च तापमान,$900-1500 \ K$): $FeO$ का धात्विक लोहे में अपचयन होता है।
$FeO + CO \rightarrow Fe + CO_{2}$
$C + CO_{2} \rightarrow 2CO$
- चूना पत्थर $CaO$ में विघटित होता है,जो सिलिका $(SiO_{2})$ अशुद्धि के साथ अभिक्रिया करके धातुमल (Slag) $(CaSiO_{3})$ बनाता है।
$CaCO_{3} \rightarrow CaO + CO_{2}$
$CaO + SiO_{2} \rightarrow CaSiO_{3}$
- निचले भाग में (बहुत उच्च तापमान,$2200 \ K$ तक): कोक जलकर ऊष्मा और अपचयन के लिए $CO$ प्रदान करता है।
$C + O_{2} \rightarrow CO_{2}$
$FeO + C \rightarrow Fe + CO$