धातु और अधातु: गुण, अयस्क और मिश्रधातुएँ

रसायन विज्ञान को ज्ञात तत्वों में अधिकांश धातुएँ हैं, एक छोटा समूह अधातुएँ हैं, और कुछ तत्व दोनों के बीच उपधातु के रूप में आते हैं। यह विभाजन नाम का विषय नहीं, व्यवहार का है: धातुएँ इलेक्ट्रॉन त्यागकर धनायन बनाती हैं, अधातुएँ इलेक्ट्रॉन ग्रहण करके ऋणायन बनाती हैं, और इसके बाद आने वाला लगभग हर गुण, चमक से लेकर ऑक्साइड की प्रकृति तक, इसी एक अंतर से निकलता है। यह अध्याय एसएससी, रेलवे और राज्य परीक्षाओं में पूछे जाने वाले रसायन विज्ञान का बड़ा भाग देता है, क्योंकि इसका हर तथ्य एक पंक्ति में कहा जा सकता है।

भौतिक गुण और पूछे जाने वाले अपवाद

धातुएँ चमकदार, आघातवर्ध्य, तन्य, ध्वानिक, ताप और विद्युत की सुचालक, सामान्यतः घनी और उच्च गलनांक वाली होती हैं। अधातुएँ ठोस अवस्था में भंगुर, चमकहीन, अध्वानिक और कुचालक होती हैं। परीक्षा में नियम से अधिक अपवाद महत्व रखते हैं, क्योंकि प्रश्न वहीं से बनता है। पारा एकमात्र धातु है जो कमरे के ताप पर द्रव है। सोडियम और पोटैशियम इतने मृदु हैं कि चाकू से काटे जा सकते हैं, तथा गैलियम और सीजियम हाथ की गर्मी से पिघल जाते हैं। लीथियम सबसे हल्की धातु है और ऑस्मियम सबसे घनी। सोना सबसे अधिक आघातवर्ध्य और सबसे अधिक तन्य धातु है, इसीलिए एक ग्राम सोने से सैकड़ों मीटर लंबा तार खींचा जा सकता है। चाँदी विद्युत की सर्वोत्तम चालक है, उसके बाद ताँबा, और चाँदी ताप की भी सर्वोत्तम चालक है। अधातुओं में आयोडीन चमकदार है, ग्रेफाइट विद्युत का चालन करता है, और हीरा, जो कार्बन का दूसरा रूप है, सबसे कठोर प्राकृतिक पदार्थ तथा ताप का उत्कृष्ट चालक है।

रासायनिक व्यवहार

धातुएँ विद्युत धनात्मक हैं: वे इलेक्ट्रॉन त्यागकर धनायन बनाती हैं, और उनके ऑक्साइड क्षारकीय होते हैं, जो घुलनशील होने पर लाल लिटमस को नीला कर देते हैं। अधातुएँ विद्युत ऋणात्मक हैं: वे इलेक्ट्रॉन ग्रहण करके ऋणायन बनाती हैं, और उनके ऑक्साइड अम्लीय होते हैं, इसलिए कार्बन डाइऑक्साइड घुलकर कार्बोनिक अम्ल और सल्फर डाइऑक्साइड सल्फ्यूरस अम्ल देता है। एल्युमिनियम ऑक्साइड और जिंक ऑक्साइड उभयधर्मी हैं, जो अम्ल और क्षार दोनों से अभिक्रिया करते हैं, और यह जोड़ी सीधे पूछी जाती है। सक्रियता श्रेणी में ऊपर रखी धातु अपने से नीचे की धातु को उसके लवण विलयन से विस्थापित कर देती है। याद रखने योग्य क्रम है पोटैशियम, सोडियम, कैल्शियम, मैग्नीशियम, एल्युमिनियम, जिंक, लोहा, सीसा, फिर हाइड्रोजन, फिर ताँबा, पारा, चाँदी, सोना और प्लैटिनम। हाइड्रोजन से ऊपर की धातुएँ तनु अम्लों से हाइड्रोजन विस्थापित करती हैं, नीचे की नहीं, इसीलिए ताँबा तनु हाइड्रोक्लोरिक अम्ल से अभिक्रिया नहीं करता। थर्माइट अभिक्रिया, जिसमें एल्युमिनियम चूर्ण आयरन ऑक्साइड को पिघले लोहे में अपचयित करता है, विस्थापन अभिक्रिया है और रेल की पटरियों की वेल्डिंग में प्रयुक्त होती है।

प्रमुख अयस्क

निष्कर्षण एक निश्चित क्रम से होता है। अयस्क को पहले सांद्रित किया जाता है, सल्फाइड अयस्कों के लिए फेन प्लवन विधि से और जहाँ कोई घटक चुंबकीय हो वहाँ चुंबकीय पृथक्करण से। इसके बाद कार्बोनेट अयस्क का निस्तापन होता है, अर्थात वायु की अनुपस्थिति में गर्म करना, और सल्फाइड अयस्क का भर्जन, अर्थात वायु में गर्म करना, और दोनों ऑक्साइड बन जाते हैं। ऑक्साइड को धातु में अपचयित किया जाता है, मध्यम सक्रिय धातुओं के लिए कार्बन द्वारा और अत्यधिक सक्रिय धातुओं के लिए विद्युत अपघटन द्वारा, इसीलिए एल्युमिनियम पिघले बॉक्साइट से विद्युत अपघटन द्वारा प्राप्त होता है, कार्बन अपचयन से कभी नहीं। अशुद्ध धातु का शोधन सामान्यतः विद्युत अपघटनी शोधन से होता है, जिसमें अशुद्ध धातु एनोड होती है और शुद्ध धातु कैथोड पर जमा होती है।

मिश्रधातुएँ

• पीतल ताँबा और जिंक का मिश्रण है; काँसा ताँबा और टिन का। यह जोड़ी पूरे अध्याय में सर्वाधिक पूछी जाती है।
• सोल्डर सीसा और टिन का मिश्रण है, जो कम गलनांक के कारण विद्युत तार जोड़ने में प्रयुक्त होता है।
• स्टेनलेस स्टील लोहे के साथ क्रोमियम और निकल का मिश्रण है, इसीलिए वह जंग नहीं लगने देता।
• ड्यूरालुमिन एल्युमिनियम के साथ ताँबा, मैग्नीशियम और मैंगनीज का मिश्रण है, और कम भार में मजबूती के कारण वायुयानों में प्रयुक्त होता है।
• जर्मन सिल्वर ताँबा, जिंक और निकल का मिश्रण है, और इसमें चाँदी बिल्कुल नहीं होती।
• घंटा धातु और गन मेटल दोनों ताँबा और टिन पर आधारित हैं, गन मेटल में जिंक भी मिलाया जाता है।
• नाइक्रोम, जो निकल और क्रोमियम का मिश्रण है, उच्च प्रतिरोध रखता है और उपकरणों के तापन तत्वों में प्रयुक्त होता है।
• अमलगम वह मिश्रधातु है जिसमें एक धातु पारा होती है।

संक्षारण और उसकी रोकथाम

संक्षारण वायु और आर्द्रता द्वारा धातु के धीरे-धीरे क्षय होने की प्रक्रिया है। लोहे पर जलयोजित आयरन ऑक्साइड के रूप में जंग लगती है, और जंग लगने के लिए ऑक्सीजन तथा जल दोनों आवश्यक हैं; शुष्क वायु में अथवा घुली वायु से मुक्त जल में लोहे पर जंग नहीं लगती। ताँबे पर क्षारकीय कॉपर कार्बोनेट की हरी परत और चाँदी पर सिल्वर सल्फाइड की काली परत बनती है। संक्षारण को पेंट करके, तेल या ग्रीस लगाकर, विद्युत लेपन द्वारा, स्टेनलेस स्टील जैसी मिश्रधातु बनाकर, और यशदीकरण द्वारा रोका जाता है, जिसमें लोहे पर जिंक की परत चढ़ाई जाती है; जिंक लोहे की रक्षा उस स्थान पर भी करता है जहाँ परत खुरच गई हो, क्योंकि जिंक लोहे से अधिक सक्रिय है। एल्युमिनियम की रक्षा उसकी स्वयं की पतली ऑक्साइड परत करती है, जिसे एनोडीकरण नामक प्रक्रिया में जानबूझकर मोटा किया जाता है। सोडियम और पोटैशियम केरोसीन में रखे जाते हैं क्योंकि वे वायु और जल से तीव्र अभिक्रिया करते हैं, जबकि श्वेत फॉस्फोरस जल में रखा जाता है क्योंकि वह वायु में आग पकड़ लेता है।

उपधातुएँ और उपयोग

बोरॉन, सिलिकॉन, जर्मेनियम, आर्सेनिक, एंटिमनी और टेल्यूरियम दोनों वर्गों के गुण दिखाते हैं और उपधातु कहलाते हैं; सिलिकॉन तथा जर्मेनियम अर्धचालक युक्तियों का आधार हैं। परीक्षक जिन उपयोगों को पूछते हैं उनमें हैं: विद्युत तारों के लिए ताँबा और एल्युमिनियम, पैकिंग के लिए एल्युमिनियम पन्नी, बहुत उच्च गलनांक के कारण बल्ब के तंतु के लिए टंगस्टन, थर्मामीटर में पारा, तथा अम्लराज, जो तीन भाग सांद्र हाइड्रोक्लोरिक अम्ल और एक भाग सांद्र नाइट्रिक अम्ल का मिश्रण है और सोना तथा प्लैटिनम को घोल देता है।