உலோகவியல்: ஒரு மதிப்பெண் வினாக்கள், புத்தக வினா விடைகள் மற்றும் குறிப்புகள்

உலோகவியல் பற்றி

நடுத்தரம் ~120 நிமிடப் படிப்பு

மிகச் சில உலோகங்களே இயற்கையில் தனித்த நிலையில் கிடைக்கின்றன. பெரும்பாலானவை மணல், களிமண், பாறை ஆகியவற்றுடன் கலந்த சேர்மங்களாகவே உள்ளன. எனவே உலோகத்தைப் பெற பல இயற்பியல், வேதியியல் படிகள் தேவை. ஒரு தொழிற்சாலை இந்தப் படிகளை எந்த வரிசையில் செய்கிறதோ, அதே வரிசையில் இந்தப் பாடம் செல்கிறது. எந்தக் கனிமத்தைத் தாதுவாகப் பயன்படுத்தலாம் என்று முடிவு செய்வதில் இருந்து தொடங்குகிறது.

இந்தப் படிகளுக்குப் பின்னால் உள்ள வேதியியல் வெப்ப இயக்கவியலும் மின்வேதியியலும் ஆகும். இங்கு முதன்மையான கருவி எலிங்கம் வரைபடம் (Ellingham diagram). ஒரு உலோக ஆக்சைடு உருவாகும்போது ஏற்படும் கட்டிலா ஆற்றல் வெப்பநிலையுடன் எப்படி மாறுகிறது என்பதை இது காட்டுகிறது. ஒரு ஆக்சைடைக் கார்பன், கார்பன் மோனாக்சைடு அல்லது வேறு ஒரு உலோகம் ஒடுக்குமா, எந்த வெப்பநிலையில் ஒடுக்கும் என்பதை இதிலிருந்து படித்தறியலாம். எந்த வேதி ஒடுக்கியும் போதுமானதாக இல்லாதபோது மின்னாற்பகுப்பு பயன்படுகிறது.

இந்தப் பாடத்திலிருந்து வரும் தேர்வு வினாக்கள் பெரும்பாலும் ஒரு தேர்வுக்குக் காரணம் கேட்கின்றன. சல்பைடு தாதுவுக்கு ஏன் நுரை மிதப்பு முறை? சல்பைடை ஒடுக்குவதற்கு முன் ஏன் வறுக்க வேண்டும்? புலத் தூய்மையாக்கல் ஏன் வேலை செய்கிறது? ஒவ்வொரு முறையின் பெயரை மட்டும் அல்லாமல் அதன் காரணத்தையும் சொல்ல முடிந்தால், ஒரு மதிப்பெண் வினாக்களும் சிறு விடை வினாக்களும் மிக எளிதாகிவிடும்.

நீங்கள் கற்பவை

• பாடநூலில் சொல்லப்பட்ட உலோகங்களின் பொதுவான தாதுக்களைப் பெயரிடுதல்.
• தாது மற்றும் கழிவின் இயற்பியல் பண்புகளைக் கொண்டு அடர்ப்பிக்கும் முறையைத் தேர்வு செய்தல்.
• ஒரு உலோக ஆக்சைடுக்கான ஒடுக்கியை எலிங்கம் வரைபடம் மூலம் தேர்வு செய்தல்.
• வறுத்தல், சுண்ணமாக்கல் ஆகியவற்றில் நடக்கும் வினைகளை எழுதுதல்.
• தாமிரத்தின் மின்னாற்பகுப்புத் தூய்மையாக்கலை நேர்மின்முனை, எதிர்மின்முனை, மின்பகுளி ஆகியவற்றைப் பெயரிட்டு விவரித்தல்.
• குறைகடத்தித் தரத்திலான ஜெர்மானியம், சிலிக்கானுக்குப் புலத் தூய்மையாக்கல் ஏன் பயன்படுகிறது என்பதை விளக்குதல்.

தொடங்குவதற்கு முன்

• தனிம வரிசை அட்டவணையும் உலோகங்களின் வினைத்திறன் வரிசையும்.
• வேதி வாய்பாடுகளை எழுதுதலும் எளிய ஆக்சிஜனேற்ற ஒடுக்க சமன்பாடுகளைச் சமன் செய்தலும்.
• வடிகட்டுதல், வாலை வடித்தல் போன்ற அடிப்படை இயற்பியல் பிரிப்பு முறைகள்.

உலோகவியல் — விரிவான விளக்கம்

உலோகம் படிப்படியாகப் பிரித்தெடுக்கப்படும் முறை

கனிமங்களும் தாதுக்களும்

பெரும்பாலான உலோகங்கள் அதிக வினைத்திறன் கொண்டவை. அதனால் அவை தனித்து இருப்பதில்லை; புவி மேலோட்டில் கனிமங்களாக உள்ளன. உலோகத்தைக் கொண்ட, இயற்கையில் கிடைக்கும் எந்தப் பொருளும் கனிமம் (Mineral) ஆகும். எந்தக் கனிமத்திலிருந்து உலோகத்தை எளிதாகவும் லாபகரமாகவும் பிரித்தெடுக்க முடியுமோ அது தாது (Ore) ஆகும். பாக்சைட் அலுமினியத்தின் தாது. களிமண்ணிலும் அலுமினியம் உள்ளது, ஆனால் அது தாதுவாகப் பயன்படுவதில்லை. ஆகவே எல்லாத் தாதுக்களும் கனிமங்களே; ஆனால் எல்லாக் கனிமங்களும் தாதுக்கள் அல்ல.

தாதுவை அடர்ப்பித்தல்

தாதுவில் உள்ள தேவையற்ற மண் பொருள் தாதுக்கழிவு (Gangue) எனப்படும். முதலில் இதை நீக்க வேண்டும். தாதுவும் கழிவும் எந்தப் பண்பில் வேறுபடுகின்றன என்பதைப் பொறுத்து முறை அமைகிறது. புவியீர்ப்பு முறை அடர்த்தி வேறுபாட்டைப் பயன்படுத்துகிறது. நுரை மிதப்பு முறை சல்பைடு தாதுக்களுக்குப் பொருந்தும். ஒரு பகுதி காந்தத் தன்மை கொண்டிருந்தால் காந்தப் பிரிப்பு முறை பயன்படும். வேதிக் கரைத்தல் (Leaching) முறையில் தாது ஒரு தகுந்த வினைப்பொருளில் கரைகிறது; கழிவு கரையாமல் தங்குகிறது.

ஆக்சைடாக மாற்றுதல்

சல்பைடுகள், கார்பனேட்டுகளை விட ஆக்சைடுகளை ஒடுக்குவது எளிது. எனவே அடர்ப்பிக்கப்பட்ட தாது பொதுவாக ஆக்சைடாக மாற்றப்படுகிறது. வறுத்தல் (Roasting) என்பது தாதுவை மிகுதியான காற்றில் சூடுபடுத்துதல். இது சல்பைடுகளை ஆக்சைடுகளாக மாற்றுகிறது; ஆவியாகும் மாசுகளை SO₂ போன்ற ஆக்சைடுகளாக வெளியேற்றுகிறது. சுண்ணமாக்கல் (Calcination) என்பது காற்று இல்லாமலோ குறைந்த அளவு காற்றிலோ சூடுபடுத்துதல். இது கார்பனேட்டுகளையும் நீரேறிய ஆக்சைடுகளையும் சிதைக்கிறது. எடுத்துக்காட்டு: ZnCO₃ சிதைந்து ZnO மற்றும் CO₂ தருகிறது.

பண்படா உலோகமாக ஒடுக்குதல்

அடுத்து ஆக்சைடு ஒடுக்கப்படுகிறது. கார்பனும் கார்பன் மோனாக்சைடும் வழக்கமான ஒடுக்கிகள். அதிக வினைத்திறன் கொண்ட ஒரு உலோகத்தையும் பயன்படுத்தலாம். அலுமினோ வெப்ப முறையில் அலுமினியம் Cr₂O₃ ஐக் குரோமியமாக ஒடுக்குகிறது. எந்த ஒடுக்கி வேலை செய்யும் என்பது உலோக ஆக்சைடு எவ்வளவு நிலைப்புத்தன்மை கொண்டது என்பதைப் பொறுத்தது.

எலிங்கம் வரைபடம்

உலோக ஆக்சைடுகள் உருவாகும்போது ஏற்படும் திட்ட கட்டிலா ஆற்றல் மாற்றத்தை வெப்பநிலைக்கு எதிராக வரைந்தது எலிங்கம் வரைபடம். மொத்தக் கட்டிலா ஆற்றல் மாற்றம் எதிர்க்குறியாக இருந்தால் ஒடுக்கம் நிகழ முடியும். ஒரு குறிப்பிட்ட வெப்பநிலையில், எந்த உலோகத்தின் ஆக்சைடு கோடு கீழே உள்ளதோ அந்த உலோகம், மேலே கோடு உள்ள உலோகத்தின் ஆக்சைடை ஒடுக்க முடியும். ஒடுக்கியையும் உலையின் வெப்பநிலையையும் தேர்வு செய்வதற்கான காரணம் இப்படித்தான் சொல்லப்படுகிறது.

மின்வேதியியல் முறையில் பிரித்தெடுத்தல்

சோடியம், அலுமினியம் போன்ற உலோகங்கள் மிக நிலையான சேர்மங்களை உருவாக்குகின்றன. நடைமுறையில் கையாளக்கூடிய வெப்பநிலையில் கார்பனால் இவற்றை ஒடுக்க முடியாது. இவை உருகிய சேர்மத்தை மின்னாற்பகுப்பு செய்து பெறப்படுகின்றன; உலோகம் எதிர்மின்முனையில் படிகிறது. எடுத்துக்காட்டாக, உருகிய கிரையோலைட்டில் கரைத்த அலுமினாவை மின்னாற்பகுத்து அலுமினியம் பெறப்படுகிறது. அங்குள்ள பொருள்களின் மின்முனை மின்னழுத்தங்களே எது வெளியேற்றப்படும் என்பதைத் தீர்மானிக்கின்றன.

பண்படா உலோகத்தைத் தூய்மையாக்குதல்

பண்படா உலோகத்தில் இன்னும் மாசுகள் இருக்கும். துத்தநாகம், பாதரசம் போன்ற ஆவியாகும் உலோகங்களுக்கு வாலை வடித்தல் பொருந்தும். வெள்ளீயம் போன்ற குறைந்த உருகுநிலை உலோகங்களுக்கு உருக்கி வடித்தல் (Liquation) பொருந்தும். மின்னாற்பகுப்புத் தூய்மையாக்கலில் மாசுள்ள உலோகம் நேர்மின்முனையாக இருக்கும்; தூய உலோகம் எதிர்மின்முனையில் சேரும். தாமிரம் இப்படித் தூய்மையாக்கப்படுகிறது. புலத் தூய்மையாக்கல் (Zone refining) மிகத் தூய ஜெர்மானியம், சிலிக்கான் ஆகியவற்றைத் தருகிறது. நிக்கலுக்கான மாண்ட் முறை, சிர்கோனியம் மற்றும் டைட்டேனியத்துக்கான வான் ஆர்கல் முறை போன்ற ஆவி நிலைத் தூய்மையாக்கல் முறைகளும் அதிகத் தூய்மையைத் தருகின்றன.

உலோகங்களின் பயன்கள்

பொதுவான உலோகங்களின் பயன்களோடு பாடம் முடிகிறது. இரும்பும் அலுமினியமும் கட்டுமானத்திலும் போக்குவரத்திலும் பயன்படுகின்றன. தாமிரம் நன்றாக மின்சாரத்தைக் கடத்துவதால் மின்கம்பிகளில் பயன்படுகிறது. துத்தநாகம் இரும்பின் மீது முலாம் பூசப் பயன்படுகிறது. தங்கம் நகைகளிலும் மின்னணுக் கருவிகளிலும் பயன்படுகிறது. ஒவ்வொரு பயனும் அந்த உலோகத்தின் ஏதோ ஒரு பண்பிலிருந்தே வருகிறது.

தவிர்க்க வேண்டிய பொதுவான தவறுகள்

• வறுத்தலையும் சுண்ணமாக்கலையும் குழப்புவது. வறுத்தல் மிகுதியான காற்றில் நடக்கும், சல்பைடு தாதுக்களுக்கு உரியது; சுண்ணமாக்கல் குறைந்த காற்றிலோ காற்று இல்லாமலோ நடக்கும், கார்பனேட்டுகளுக்கும் நீரேறிய ஆக்சைடுகளுக்கும் உரியது.
• எல்லாக் கனிமங்களையும் தாது என்று சொல்வது. அதிலிருந்து பிரித்தெடுப்பது லாபகரமாக இருந்தால் மட்டுமே ஒரு கனிமம் தாது ஆகும்.
• எலிங்கம் வரைபடத்தைத் தலைகீழாகப் படிப்பது. எந்த உலோகத்தின் ஆக்சைடு கோடு கீழே உள்ளதோ அதுவே ஒடுக்கியாகச் செயல்பட முடியும்.
• உருக்கிப் பிரித்தலில் இளக்கியை மறப்பது. இளக்கி இல்லையென்றால் கழிவு கசடாக மாறாது; உருகிய உலோகத்திலிருந்து அதைப் பிரிக்க முடியாது.
• சோடியம் அல்லது அலுமினியத்துக்குக் கார்பன் ஒடுக்கத்தைப் பரிந்துரைப்பது. அவற்றின் ஆக்சைடுகள் மிக நிலையானவை; எனவே அவை மின்னாற்பகுப்பு மூலம் பெறப்படுகின்றன.

இவற்றை பயிற்சித் தேர்வு மூலம் சோதித்துப் பாருங்கள்; பிறகு விடையுடன் கூடிய வினாக்கள் பகுதியில் விரிவான விளக்கத்தைப் படியுங்கள்.

அடிக்கடி கேட்கப்படும் கேள்விகள்

சல்பைடு தாதுக்களுக்கு நுரை மிதப்பு முறை ஏன் பயன்படுகிறது?

சல்பைடு தாதுத் துகள்கள் பைன் எண்ணெய் போன்ற எண்ணெய்களால் நனைகின்றன; தாதுக்கழிவு நீரால் நனைகிறது. பொடித்த தாது, நீர், எண்ணெய் கலந்த கலவையில் காற்றைச் செலுத்தும்போது சல்பைடு துகள்கள் காற்றுக் குமிழ்களுடன் ஒட்டிக்கொண்டு நுரையுடன் மேலே வருகின்றன. கழிவு அடியில் தங்குகிறது. இப்படி இரண்டும் பிரிகின்றன.

உலோகவியலில் இளக்கி (Flux) என்ன செய்கிறது?

உருக்கிப் பிரிக்கும்போது தாதுவில் மீதமுள்ள கழிவுடன் சேர இளக்கி சேர்க்கப்படுகிறது. இதில் உருவாவது கசடு (Slag). இது எளிதில் உருகும் பொருள்; உருகிய உலோகத்தின் மேல் மிதப்பதால் நீக்கிவிடலாம். சிலிகா போன்ற அமில இளக்கி FeO போன்ற காரத் தன்மை உடைய மாசுகளை நீக்குகிறது. சுண்ணாம்பு போன்ற கார இளக்கி அமிலத் தன்மை உடைய மாசுகளை நீக்குகிறது.

ஒடுக்கியைத் தேர்வு செய்ய எலிங்கம் வரைபடம் எப்படி உதவுகிறது?

ஒவ்வொரு ஆக்சைடும் உருவாகும் கட்டிலா ஆற்றல் வெப்பநிலையுடன் எப்படி மாறுகிறது என்பதை இது காட்டுகிறது. ஒரு குறிப்பிட்ட வெப்பநிலையில், எந்த உலோகத்தின் ஆக்சைடு கோடு மற்றொரு கோட்டுக்குக் கீழே உள்ளதோ, அந்த உலோகம் மேலே உள்ள ஆக்சைடை ஒடுக்க முடியும்; ஏனெனில் மொத்தக் கட்டிலா ஆற்றல் மாற்றம் எதிர்க்குறியாக இருக்கிறது. ஒரு குறிப்பிட்ட ஆக்சைடுக்குக் கார்பன் எந்த வெப்பநிலைக்கு மேல் நல்ல ஒடுக்கியாகிறது என்பதையும் இதிலிருந்து படிக்கலாம்.

இயற்பியல் முறைக்குப் பதிலாக வேதிக் கரைத்தல் எப்போது பயன்படுகிறது?

தாது ஒரு குறிப்பிட்ட வினைப்பொருளில் கரைந்து, மாசுகள் கரையாதபோது வேதிக் கரைத்தல் பயன்படுகிறது. குறைந்த தரம் உள்ள தாதுக்களுக்கும் மிகக் குறைந்த அளவில் உள்ள உலோகங்களுக்கும் இது பொருந்தும். எடுத்துக்காட்டாக, தங்கமும் வெள்ளியும் காற்றின் முன்னிலையில் நீர்த்த சோடியம் சயனைடு கரைசலில் கரைத்துப் பிரிக்கப்படுகின்றன.

புலத் தூய்மையாக்கலின் தத்துவம் என்ன?

மாசுகள் திண்ம உலோகத்தை விட உருகிய உலோகத்தில் அதிகம் கரைகின்றன. மாசுள்ள உலோகக் கம்பியின் நீளத்தில் ஒரு வட்ட வெப்பமூட்டி மெதுவாக நகர்த்தப்படுகிறது. உருகிய பகுதி நகரும்போது அதன் பின்னால் தூய உலோகம் படிகமாகிறது. மாசுகள் உருகிய பகுதியுடன் ஒரு முனைக்குச் செல்கின்றன. அந்த முனை பிறகு வெட்டி நீக்கப்படுகிறது.

அலுமினியம் ஏன் மின்னாற்பகுப்பு மூலம் பிரித்தெடுக்கப்படுகிறது?

அலுமினியம் ஆக்சைடு மிக நிலையானது. தொழிற்சாலையில் நடைமுறையில் கையாளக்கூடிய வெப்பநிலையில் கார்பனால் அதை ஒடுக்க முடியாது. Al3+ அயனிகளை ஒடுக்கத் தேவையான ஆற்றலை மின்னாற்பகுப்பு தருகிறது; அலுமினியம் எதிர்மின்முனையில் படிகிறது. இதே காரணத்தால் சோடியமும் மின்னாற்பகுப்பு மூலம் பெறப்படுகிறது.

தாதுவுக்கும் கனிமத்துக்கும் என்ன வேறுபாடு?

தனித்தோ சேர்ந்தோ உலோகத்தைக் கொண்ட, இயற்கையில் கிடைக்கும் எந்தப் பொருளும் கனிமம். எந்தக் கனிமத்திலிருந்து உலோகத்தை எளிதாகவும் லாபத்துடனும் பிரித்தெடுக்க முடியுமோ அது தாது. எல்லாத் தாதுக்களும் கனிமங்கள்; ஆனால் எல்லாக் கனிமங்களும் தாதுக்கள் அல்ல.