धातू व अधातू
हा धडा धातू आणि अधातूंचे भौतिक आणि रासायनिक गुणधर्म, त्यांचे दैनंदिन जीवनातील उपयोग, राजधातू, सोन्याची शुद्धता, क्षरण आणि संमिश्रे यांसारख्या महत्त्वाच्या संकल्पना स्पष्ट करतो. विद्यार्थ्यांना या मूलद्रव्यांचे वर्गीकरण, त्यांच्यातील फरक आणि विविध औद्योगिक व घरगुती उपयोगांबद्दल सखोल माहिती मिळते. हा धडा रसायनशास्त्राच्या मूलभूत संकल्पना समजून घेण्यासाठी महत्त्वाचा आहे.
धातूंचे रासायनिक गुणधर्म
धातूंचे रासायनिक गुणधर्म हे त्यांच्या इलेक्ट्रॉन गमावण्याच्या प्रवृत्तीमुळे ठरतात. ते सहसा धन आयन (कॅटायन) तयार करतात.
- इलेक्ट्रॉन संरूपण:
- बहुतेक धातूंच्या संयुजा कवचात 1, 2 किंवा 3 इलेक्ट्रॉन असतात.
- ते हे इलेक्ट्रॉन गमावून स्थिर इलेक्ट्रॉन संरूपण प्राप्त करतात.
- उदाहरण: \(Na \rightarrow Na^+ + e^-\) (सोडियम एक इलेक्ट्रॉन गमावून सोडियम आयन बनवतो)
- ऑक्सिजनसोबत अभिक्रिया:
- धातू ऑक्सिजनसोबत अभिक्रिया करून धातूंची ऑक्साईड्स तयार करतात.
- धातू + ऑक्सिजन \(\rightarrow\) धातूचे ऑक्साईड
- उदाहरण: \(2Mg + O_2 \rightarrow 2MgO\) (मॅग्नेशियम ऑक्सिजनसोबत मॅग्नेशियम ऑक्साईड बनवते)
- बहुतेक धातूंची ऑक्साईड्स आम्लारीधर्मी (Basic) असतात.
- काही धातूंची ऑक्साईड्स उभयधर्मी (Amphoteric) असतात, म्हणजे ती आम्ल आणि आम्लारी दोन्हीसोबत अभिक्रिया करतात. (उदा. \(Al_2O_3, ZnO\))
- पाण्यासोबत अभिक्रिया:
- धातू + पाणी \(\rightarrow\) धातूचे ऑक्साईड/हायड्रॉक्साईड + हायड्रोजन वायू
- अभिक्रियेचा दर धातूच्या क्रियाशीलतेवर अवलंबून असतो.
- अत्यंत क्रियाशील धातू (उदा. Na, K): थंड पाण्यासोबत तीव्र अभिक्रिया करतात.
- \(2Na (s) + 2H_2O (l) \rightarrow 2NaOH (aq) + H_2 (g) + \text{उष्णता}\)
- मध्यम क्रियाशील धातू (उदा. Mg, Al, Zn, Fe):
- मॅग्नेशियम थंड पाण्यासोबत हळू अभिक्रिया करते, गरम पाण्यासोबत जलद.
- ॲल्युमिनियम, झिंक, लोह गरम पाण्यासोबत किंवा वाफेशी अभिक्रिया करतात.
- \(2Al (s) + 3H_2O (g) \rightarrow Al_2O_3 (s) + 3H_2 (g)\)
- कमी क्रियाशील धातू (उदा. Cu, Ag, Au): पाण्यासोबत अभिक्रिया करत नाहीत.
- विरल आम्लासोबत अभिक्रिया:
- बहुतेक धातू विरल आम्लासोबत अभिक्रिया करून क्षार आणि हायड्रोजन वायू तयार करतात.
- धातू + विरल आम्ल \(\rightarrow\) क्षार + हायड्रोजन वायू
- उदाहरण: \(Zn (s) + 2HCl (aq) \rightarrow ZnCl_2 (aq) + H_2 (g)\)
- अपवाद: तांबे, चांदी, सोने यांसारखे कमी क्रियाशील धातू विरल आम्लासोबत अभिक्रिया करत नाहीत.
- ऍक्टिव्हिटी 7.1 मधील निरीक्षण: जळती काडी नळीच्या तोंडाशी नेल्यास 'पॉप' आवाजासह विझते, जो हायड्रोजन वायूच्या अस्तित्वाचा पुरावा आहे.
- इतर धातूंच्या क्षारांच्या द्रावणासोबत अभिक्रिया (विस्थापन अभिक्रिया):
- अधिक क्रियाशील धातू कमी क्रियाशील धातूला त्याच्या क्षाराच्या द्रावणातून विस्थापित करतो.
- उदाहरण: \(Fe (s) + CuSO_4 (aq) \rightarrow FeSO_4 (aq) + Cu (s)\)
- येथे लोह (Fe) तांब्यापेक्षा (Cu) अधिक क्रियाशील असल्याने तांब्याला विस्थापित करतो.
- आम्लारीसोबत अभिक्रिया:
- काही धातू (उदा. ॲल्युमिनियम, झिंक) तीव्र आम्लारीसोबत अभिक्रिया करून हायड्रोजन वायू तयार करतात.
- \(2Al (s) + 2NaOH (aq) + 2H_2O (l) \rightarrow 2NaAlO_2 (aq) + 3H_2 (g)\)
धातूंची क्रियाशीलता श्रेणी (Reactivity Series): K > Na > Ca > Mg > Al > Zn > Fe > Pb > H > Cu > Ag > Au या श्रेणीतील वरचे धातू खालच्या धातूंना त्यांच्या क्षारांच्या द्रावणातून विस्थापित करू शकतात.
धातूंच्या रासायनिक गुणधर्मांवर आधारित प्रश्न हे सहसा 'काय होते जेव्हा...' किंवा 'फरक स्पष्ट करा' या स्वरूपात विचारले जातात. अभिक्रियांची समीकरणे लक्षात ठेवणे महत्त्वाचे आहे.
अधातूंचे रासायनिक गुणधर्म
अधातूंचे रासायनिक गुणधर्म हे त्यांच्या इलेक्ट्रॉन स्वीकारण्याच्या किंवा सामायिक करण्याच्या प्रवृत्तीमुळे ठरतात. ते सहसा ऋण आयन (ॲनायन) तयार करतात किंवा सहसंयुज बंध (Covalent bonds) बनवतात.
- इलेक्ट्रॉन संरूपण:
- बहुसंख्य अधातूंच्या संयुजा कवचात 4 ते 7 इलेक्ट्रॉन असतात.
- ते इलेक्ट्रॉन स्वीकारून किंवा सामायिक करून स्थिर इलेक्ट्रॉन संरूपण प्राप्त करतात.
- उदाहरण:
- \(Cl + e^- \rightarrow Cl^-\) (क्लोरिन एक इलेक्ट्रॉन स्वीकारून क्लोराइड आयन बनवतो)
- \(O + 2e^- \rightarrow O^{2-}\) (ऑक्सिजन दोन इलेक्ट्रॉन स्वीकारून ऑक्साईड आयन बनवतो)
- \(N + 3e^- \rightarrow N^{3-}\) (नायट्रोजन तीन इलेक्ट्रॉन स्वीकारून नायट्राइड आयन बनवतो)
- ऑक्सिजनसोबत अभिक्रिया:
- अधातू ऑक्सिजनशी संयोग करून अधातूंची ऑक्साईड्स तयार करतात.
- अधातू + ऑक्सिजन \(\rightarrow\) अधातूचे ऑक्साईड
- उदाहरण: \(C + O_2 \rightarrow CO_2\) (कार्बन ऑक्सिजनसोबत कार्बन डायऑक्साईड बनवतो)
- अधातूंची ऑक्साईड्स सामान्यतः आम्लधर्मी (Acidic) असतात किंवा उदासीन (Neutral) असतात.
- आम्लधर्मी ऑक्साईड्स: \(CO_2, SO_2, SO_3, N_2O_5\)
- ही ऑक्साईड्स पाण्यासोबत अभिक्रिया करून आम्ल तयार करतात.
- \(CO_2 + H_2O \rightarrow H_2CO_3\) (कार्बोनिक आम्ल)
- \(SO_2 + H_2O \rightarrow H_2SO_3\) (सल्फ्युरस आम्ल)
- \(SO_3 + H_2O \rightarrow H_2SO_4\) (सल्फ्युरिक आम्ल)
- ती आम्लारीसोबत अभिक्रिया करून क्षार आणि पाणी तयार करतात.
- \(CO_2 + 2NaOH \rightarrow Na_2CO_3 + H_2O\)
- उदासीन ऑक्साईड्स: \(CO, H_2O, N_2O, NO\)
- पाण्यासोबत अभिक्रिया:
- अधातू सामान्यतः पाण्यासोबत अभिक्रिया करत नाहीत. (अपवाद: हॅलोजन)
- विरल आम्लासोबत अभिक्रिया:
- अधातूंची विरल आम्लासोबत अभिक्रिया होत नाही.
- याचे कारण असे की, अधातू इलेक्ट्रॉन स्वीकारतात आणि आम्लातून हायड्रोजन वायू मुक्त होण्यासाठी इलेक्ट्रॉन गमावणे आवश्यक आहे, जे अधातूंना शक्य नाही.
- क्लोरीनसोबत अभिक्रिया:
- अधातू क्लोरीनसोबत अभिक्रिया करून त्यांचे क्लोराईड्स तयार करतात.
- उदाहरण: \(H_2 + Cl_2 \rightarrow 2HCl\)
- हायड्रोजनसोबत अभिक्रिया:
- अधातू हायड्रोजनसोबत अभिक्रिया करून त्यांचे हायड्राइड्स तयार करतात.
- उदाहरण: \(N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3\) (अमोनिया)
धातू इलेक्ट्रॉन गमावतात, अधातू इलेक्ट्रॉन स्वीकारतात किंवा सामायिक करतात. हा त्यांच्या रासायनिक वर्तणुकीतील मूलभूत फरक आहे.
अधातूंची ऑक्साईड्स नेहमी आम्लधर्मी असतात असे नाही. कार्बन मोनोक्साईड (CO) आणि नायट्रस ऑक्साईड (N2O) सारखी काही ऑक्साईड्स उदासीन असतात.
राजधातू (Noble Metal)
राजधातू हे असे धातू आहेत जे निसर्गात मूलद्रव्यांच्या स्वरूपात आढळतात आणि रासायनिकदृष्ट्या कमी क्रियाशील असतात. त्यांच्यावर हवा, पाणी, उष्णता यांचा सहजपणे परिणाम होत नाही.
- उदाहरणे: सोने (Au), चांदी (Ag), प्लॅटिनम (Pt), पॅलेडियम (Pd), ऱ्होडियम (Rh).
- गुणधर्म:
- क्षरण (Corrosion) आणि ऑक्सिडीकरण (Oxidation) अभिक्रिया कक्ष तापमानाला होत नाहीत.
- ते रासायनिकदृष्ट्या निष्क्रिय (inert) असतात.
- त्यांना नैसर्गिक चमक असते आणि ती दीर्घकाळ टिकते.
- ते सहसा इतर मूलद्रव्यांशी संयोग पावत नाहीत.
- राजधातूंचे उपयोग:
- अलंकार बनवण्यासाठी: सोने, चांदी, प्लॅटिनम यांचा वापर मुख्यतः दागिने बनवण्यासाठी होतो. त्यांच्या आकर्षकतेमुळे आणि गंज न लागण्याच्या गुणधर्मामुळे ते मौल्यवान मानले जातात.
- औषधी उपयोग: चांदीचा उपयोग काही औषधांमध्ये (उदा. अँटीबॅक्टेरियल गुणधर्मांमुळे) होतो.
- पदके आणि नाणी: सोने आणि चांदीची पदके तसेच नाणी तयार करण्यासाठी वापर होतो.
- इलेक्ट्रॉनिक उपकरणे: काही इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांमध्ये चांदी आणि सोन्याचा उपयोग होतो, कारण ते उत्तम विद्युत वाहक आहेत आणि त्यांचे क्षरण होत नाही.
- उत्प्रेरक (Catalyst): प्लॅटिनम आणि पॅलेडियम या धातूंचा उपयोग उत्प्रेरक म्हणून अनेक रासायनिक अभिक्रियांमध्ये केला जातो. (उदा. वाहनांच्या कॅटॅलिटिक कन्व्हर्टरमध्ये).
राजधातूंची कमी क्रियाशीलता हे त्यांचे सर्वात महत्त्वाचे वैशिष्ट्य आहे, ज्यामुळे ते निसर्गात शुद्ध स्वरूपात आढळतात आणि त्यांचे क्षरण होत नाही.
सोन्याची शुद्धता (Purity of Gold)
सोन्याची शुद्धता कॅरेटमध्ये मोजली जाते. 100% शुद्ध सोने 24 कॅरेट मानले जाते.
- 24 कॅरेट सोने:
- हे 100% शुद्ध सोने असते.
- शुद्ध सोने खूप मऊ असते. त्यामुळे 24 कॅरेट सोन्याचे दागिने दाबामुळे वाकतात किंवा तुटतात.
- दागिने बनवण्यासाठी:
- दागिने बनवण्यासाठी शुद्ध सोन्यामध्ये तांबे (Copper) किंवा चांदी (Silver) विशिष्ट प्रमाणात मिसळले जाते.
- यामुळे सोने कठीण होते आणि दागिने टिकाऊ बनतात.
- सामान्यतः 22 कॅरेट किंवा त्याहून कमी कॅरेटचे सोने दागिने बनवण्यासाठी वापरले जाते.
- कॅरेट आणि टक्केवारी संबंध:
- कॅरेट हे सोन्याच्या शुद्धतेचे प्रमाण दर्शवते, जिथे 24 कॅरेट म्हणजे 100% शुद्धता.
- इतर कॅरेटमधील सोन्याची शुद्धता खालीलप्रमाणे काढता येते:
\(\text{शुद्धता टक्केवारी} = \frac{\text{कॅरेट मूल्य}}{24} \times 100\)
- कॅरेट आणि टक्केवारीचा तक्ता (Table T7.1):
| कॅरेट | टक्केवारी | |-------|-----------| | 24 | 100 | | 22 | 91.66 | | 18 | 75.00 | | 14 | 58.33 | | 12 | 50.00 | | 10 | 41.66 |
- सोन्याच्या भावातील फरक:
- सोन्याच्या दुकानात वेगवेगळे भाव दिसतात, कारण ते सोन्याच्या कॅरेटनुसार (शुद्धतेनुसार) बदलतात.
- 24 कॅरेट सोन्याचा भाव सर्वाधिक असतो, तर कमी कॅरेटच्या सोन्याचा भाव कमी असतो, कारण त्यात इतर धातू मिसळलेले असतात.
सोन्याची शुद्धता आणि कॅरेटमधील संबंध यावर आधारित गणिते किंवा 'फरक स्पष्ट करा' असे प्रश्न येऊ शकतात.
क्षरण (Corrosion)
क्षरण म्हणजे धातूंवर ओलाव्यामुळे हवेतील वायूंची प्रक्रिया होऊन धातूंची संयुगे तयार होणे, ज्यामुळे धातू झिजतात किंवा खराब होतात. ही एक नैसर्गिक प्रक्रिया आहे जी धातूंना त्यांच्या अधिक स्थिर ऑक्साईड, हायड्रॉक्साईड किंवा सल्फाईड स्वरूपात परत आणते.
- क्षरण होण्याची कारणे:
- हवा: ऑक्सिजन, कार्बन डायऑक्साईड, सल्फर डायऑक्साईड, हायड्रोजन सल्फाईड.
- ओलावा/पाणी: आर्द्रता.
- आम्ल/आम्लारी: वातावरणातील प्रदूषक.
- विविध धातूंचे क्षरण:
- लोखंडाचे क्षरण (गंजणे):
- लोखंडावर ऑक्सिजन वायू आणि आर्द्रतेची (पाण्याची) अभिक्रिया होऊन तांबूस रंगाचा लेप तयार होतो, याला गंज (Rust) म्हणतात.
- रासायनिक सूत्र: \(Fe_2O_3 \cdot xH_2O\) (हायड्रेटेड फेरिक ऑक्साईड)
- \(4Fe (s) + 3O_2 (g) + xH_2O (l) \rightarrow 2Fe_2O_3 \cdot xH_2O (s)\)
- तांब्याचे क्षरण:
- तांब्यावर हवेतील कार्बन डायऑक्साईड आणि आर्द्रतेची अभिक्रिया होऊन हिरवट रंगाचा लेप तयार होतो.
- हा लेप बेसिक कॉपर कार्बोनेट (Basic Copper Carbonate) असतो. \(CuCO_3 \cdot Cu(OH)_2\)
- न्यूयॉर्क येथील स्वातंत्र्यदेवतेचा पुतळा तांब्यापासून बनलेला असून, तो आता हिरवा दिसतो, हे तांब्याच्या क्षरणाचे उत्तम उदाहरण आहे.
- चांदीचे क्षरण:
- चांदीवर हवेतील हायड्रोजन सल्फाईड वायूची अभिक्रिया होऊन काळ्या रंगाचा लेप तयार होतो.
- हा लेप सिल्व्हर सल्फाईड (Silver Sulphide - \(Ag_2S\)) असतो.
- क्षरणाचे दुष्परिणाम:
- धातूंची मजबुती कमी होते.
- धातूंची चमक आणि सौंदर्य नष्ट होते.
- पूल, इमारती, वाहने, जहाजे यांसारख्या लोखंडी वस्तूंचे नुकसान होते, ज्यामुळे आर्थिक नुकसान होते.
- विद्युत उपकरणांची कार्यक्षमता कमी होते.
- क्षरण थांबवण्यासाठी उपाय:
धातूचा पृष्ठभाग हवा आणि ओलाव्याच्या संपर्कात येऊ नये यासाठी विविध पद्धती वापरल्या जातात:
- रंग लावणे (Painting): लोखंडी वस्तूंना रंग लावल्याने त्यांचा हवा आणि पाण्याशी संपर्क तुटतो.
- तेल/ग्रीस लावणे (Oiling/Greasing): यंत्रांच्या भागांना गंज लागू नये म्हणून तेल किंवा ग्रीस लावतात.
- वार्निश लावणे (Varnishing): लाकडी वस्तूंना वार्निश लावल्याप्रमाणे धातूंनाही लावता येते.
- गॅल्व्हनायझेशन (Galvanization): लोखंडावर झिंकचा (जस्त) मुलामा दिला जातो. झिंक लोखंडापेक्षा अधिक क्रियाशील असल्यामुळे ते स्वतः गंजते आणि लोखंडाचे संरक्षण करते.
- इलेक्ट्रोप्लेटिंग (Electroplating): कमी क्रियाशील धातूचा (उदा. क्रोमियम, निकेल) मुलामा दुसऱ्या धातूवर दिला जातो.
- ॲनोडायझिंग (Anodizing): ॲल्युमिनियमवर ऑक्साईडचा जाड थर तयार करून त्याचे क्षरण थांबवले जाते.
- संमिश्रे तयार करणे (Alloying): धातूंना इतर धातू किंवा अधातूंमध्ये मिसळून संमिश्रे तयार केल्यास त्यांचे क्षरण कमी होते. (उदा. स्टेनलेस स्टील).
क्षरण ही एक ऑक्सिडीकरण प्रक्रिया आहे. लोखंडाचे गंजणे हे क्षरणाचे सर्वात सामान्य उदाहरण आहे.
तांबे आणि पितळेची भांडी लिंबाने घासतात, कारण लिंबामध्ये असलेले सायट्रिक आम्ल तांब्यावर जमा झालेल्या हिरवट बेसिक कॉपर कार्बोनेटच्या थराला काढून टाकते, ज्यामुळे भांडी पुन्हा चमकतात.
संमिश्रे (Alloy)
संमिश्र म्हणजे दोन किंवा अधिक धातूंचे किंवा धातू व अधातूंचे एकजीव (समांगी) मिश्रण. संमिश्रे तयार केल्याने मूळ धातूंचे गुणधर्म सुधारता येतात, जसे की कठीणपणा वाढवणे, क्षरण प्रतिरोधक क्षमता वाढवणे किंवा विशिष्ट रंग प्राप्त करणे.
- संमिश्रे तयार करण्याची गरज:
- मूळ धातूंचे गुणधर्म सुधारण्यासाठी (उदा. लोखंडाला गंज लागू नये म्हणून स्टेनलेस स्टील बनवणे).
- धातू अधिक मजबूत, कठीण किंवा टिकाऊ बनवण्यासाठी.
- विद्युत वाहकता किंवा उष्णता वाहकता बदलण्यासाठी.
- विशिष्ट उपयोगानुसार नवीन गुणधर्म प्राप्त करण्यासाठी.
- काही महत्त्वाची संमिश्रे आणि त्यांचे घटक:
- स्टेनलेस स्टील (Stainless Steel):
- घटक: लोखंड (Iron - Fe), कार्बन (Carbon - C), क्रोमियम (Chromium - Cr), निकेल (Nickel - Ni).
- गुणधर्म: गंज लागत नाही, मजबूत, टिकाऊ.
- उपयोग: स्वयंपाकाची भांडी, शस्त्रक्रिया उपकरणे, बांधकाम.
- दिल्लीतील कुतुबमिनार परिसरातील लोहस्तंभ सुमारे 1500 वर्षांपूर्वी संमिश्रापासून बनवला असल्याने आजही चकचकीत आहे. त्यात कार्बन, सिलिकॉन, फॉस्फरस अल्प प्रमाणात मिसळले आहेत.
- पितळ (Brass):
- घटक: तांबे (Copper - Cu) आणि जस्त (Zinc - Zn).
- गुणधर्म: चमकदार, गंज प्रतिरोधक, चांगला विद्युत वाहक.
- उपयोग: भांडी, मूर्ती, विद्युत उपकरणे.
- कांस्य (Bronze):
- घटक: तांबे (Copper - Cu) आणि कथिल (Tin - Sn).
- गुणधर्म: मजबूत, टिकाऊ, गंज प्रतिरोधक.
- उपयोग: मूर्ती, पदके, घंटा, जहाजाचे भाग.
- सोल्डर (Solder):
- घटक: शिशा (Lead - Pb) आणि कथिल (Tin - Sn).
- गुणधर्म: कमी वितळणांक.
- उपयोग: विद्युत तारा जोडण्यासाठी.
- अमलगम (Amalgam):
- घटक: पारा (Mercury - Hg) आणि इतर कोणताही धातू (उदा. चांदी, सोने, कथिल).
- गुणधर्म: दातांच्या दवाखान्यात वापरले जाते (सिल्व्हर अमलगम).
- संमिश्रे तयार करण्याची प्रक्रिया:
- घटक धातूंना वितळवून एकत्र मिसळले जाते.
- नंतर हे मिश्रण थंड करून घनरूप केले जाते.
- यामुळे घटक धातूंचे अणू एकमेकांमध्ये एकजीव होऊन नवीन गुणधर्मांसह संमिश्र तयार होते.
संमिश्रे हे धातूंचे गुणधर्म सुधारण्यासाठी एक प्रभावी मार्ग आहेत, ज्यामुळे ते अधिक उपयुक्त बनतात.
कधीकधी स्वस्त स्टेनलेस स्टील बनवताना निकेलऐवजी तांब्याचा वापर करतात, ज्यामुळे भांड्यांना उभ्या चिरा पडू शकतात.
