এসএসসি রসায়ন · অধ্যায় ১০
খনিজ সম্পদ: ধাতু-অধাতু
এক কথায়
ভূত্বকে প্রাকৃতিকভাবে পাওয়া যৌগ বা মৌল হলো খনিজ; যে খনিজ থেকে লাভজনকভাবে ধাতু নিষ্কাশন করা যায় তা আকরিক। ধাতু নিষ্কাশনে ধাপগুলো হলো আকরিক ঘনীকরণ, তাপজারণ বা ভস্মীকরণ, বিজারণ ও বিশোধন। অধাতুর মধ্যে সালফার থেকে স্পর্শ পদ্ধতিতে H2SO4 আর নাইট্রোজেন থেকে হেবার পদ্ধতিতে NH3 তৈরি হয়।
খনিজ ও আকরিক: সব আকরিক খনিজ, সব খনিজ আকরিক নয়
মাটির নিচে বা ভূত্বকে প্রাকৃতিকভাবে যে মৌল বা যৌগ পাওয়া যায়, তাকে খনিজ বলে। খনিজ থেকেই আমরা ধাতু, অধাতু ও নানা শিল্প কাঁচামাল পাই। কিন্তু প্রতিটি খনিজ থেকে ধাতু বের করা লাভজনক নয়।
যে খনিজ থেকে সহজে ও কম খরচে লাভজনকভাবে ধাতু নিষ্কাশন করা যায়, তাকে আকরিক বলে। যেমন অ্যালুমিনিয়াম কাদামাটিতেও আছে, কিন্তু সেখান থেকে বের করা ব্যয়বহুল; তাই অ্যালুমিনিয়ামের আকরিক হলো বক্সাইট। এজন্যই বলা হয়, সব আকরিকই খনিজ, কিন্তু সব খনিজ আকরিক নয়।
- অ্যালুমিনিয়াম: বক্সাইট, Al2O3·2H2O
- লোহা: হেমাটাইট Fe2O3, ম্যাগনেটাইট Fe3O4
- কপার: কপার পাইরাইটস CuFeS2
- জিংক: জিংক ব্লেন্ড ZnS, ক্যালামাইন ZnCO3
- মারকারি: সিনাবার HgS
- লেড: গ্যালেনা PbS
বাংলাদেশের খনিজ সম্পদ
বাংলাদেশে প্রাকৃতিক গ্যাস, কয়লা, চুনাপাথর, কঠিন শিলা, সাদামাটি, কাচবালি ও খনিজ বালি পাওয়া যায়। দিনাজপুরের বড়পুকুরিয়ায় কয়লা এবং মধ্যপাড়ায় কঠিন শিলা উত্তোলন করা হয়। সমুদ্র উপকূলের খনিজ বালিতে ইলমেনাইট, রুটাইল, জিরকন ও ম্যাগনেটাইটের মতো মূল্যবান খনিজ থাকে।
খনিজ সম্পদ অনবায়নযোগ্য, অর্থাৎ একবার ফুরিয়ে গেলে আবার তৈরি হতে লাখ লাখ বছর লাগে। তাই এর পরিকল্পিত ব্যবহার ও ধাতুর পুনঃচক্রায়ন (recycling) জরুরি।
ধাতু নিষ্কাশনের ধাপগুলো
আকরিক থেকে বিশুদ্ধ ধাতু পাওয়ার পুরো প্রক্রিয়াকে ধাতুবিদ্যা বলে। আকরিকে ধাতুর যৌগের সাথে মাটি, বালি, পাথরের মতো অপদ্রব্য থাকে, যাকে খনিজমল (gangue) বলে।
- চূর্ণীকরণ: বড় আকরিককে গুঁড়া করা।
- ঘনীকরণ: খনিজমল সরিয়ে আকরিকে ধাতুর অংশ বাড়ানো। সালফাইড আকরিকে ফেনা ভাসমান পদ্ধতি, ভারী আকরিকে মহাকর্ষীয় পৃথকীকরণ, চৌম্বক আকরিকে চৌম্বক পৃথকীকরণ।
- ভস্মীকরণ (calcination): বায়ুর অনুপস্থিতিতে বা সীমিত বায়ুতে কার্বনেট বা হাইড্রেটেড আকরিককে উত্তপ্ত করা, ফলে CO2 বা পানি বের হয়ে অক্সাইড তৈরি হয়।
- তাপজারণ (roasting): পর্যাপ্ত বায়ুতে সালফাইড আকরিককে উত্তপ্ত করে অক্সাইডে পরিণত করা।
- বিজারণ বা ধাতু নিষ্কাশন: কার্বন, CO বা তড়িৎ বিশ্লেষণ দিয়ে অক্সাইড থেকে ধাতু পাওয়া।
- বিশোধন: তড়িৎ বিশোধন ইত্যাদি পদ্ধতিতে ধাতুকে বিশুদ্ধ করা।
ভস্মীকরণ: ZnCO3 → ZnO + CO2
তাপজারণ: 2ZnS + 3O2 → 2ZnO + 2SO2
বিজারণ: ZnO + C → Zn + CO
সক্রিয়তা সিরিজ ঠিক করে কোন পদ্ধতি লাগবে
ধাতু যত সক্রিয়, তার যৌগ তত স্থিতিশীল, তাই তা ভাঙা তত কঠিন। K, Na, Ca, Mg, Al এর মতো খুব সক্রিয় ধাতু কার্বন দিয়ে বিজারিত হয় না, এদের গলিত যৌগের তড়িৎ বিশ্লেষণ করতে হয়। Zn, Fe, Pb এর মতো মাঝারি সক্রিয় ধাতু কার্বন বা CO দিয়ে বিজারিত করা যায়। আর Au, Pt এর মতো নিষ্ক্রিয় ধাতু প্রকৃতিতে মুক্ত অবস্থাতেই পাওয়া যায়।
এই কারণেই মানুষ প্রথমে সোনা ও কপার ব্যবহার শিখেছিল, তারপর লোহা, আর অ্যালুমিনিয়ামের সস্তা উৎপাদন সম্ভব হয়েছে মাত্র উনিশ শতকের শেষে তড়িৎ বিশ্লেষণ আসার পর।
লোহা, অ্যালুমিনিয়াম ও কপার নিষ্কাশন
লোহা: মারুত চুল্লিতে (blast furnace) হেমাটাইট, কোক ও চুনাপাথর একসাথে দেওয়া হয়। কোক পুড়ে CO তৈরি করে, যা Fe2O3 কে বিজারিত করে লোহায় পরিণত করে। চুনাপাথর ভেঙে CaO হয়, যা বালির SiO2 এর সাথে মিলে ধাতুমল CaSiO3 তৈরি করে। চুল্লি থেকে পাওয়া লোহাকে কাঁচা লোহা বা পিগ আয়রন (pig iron) বলে, যাতে প্রায় ৪% কার্বন থাকে।
অ্যালুমিনিয়াম: বক্সাইট থেকে বিশুদ্ধ Al2O3 তৈরি করে তা গলিত ক্রায়োলাইটে (Na3AlF6) দ্রবীভূত করে তড়িৎ বিশ্লেষণ করা হয়। ক্রায়োলাইট গলনাঙ্ক প্রায় ২০৫০°C থেকে কমিয়ে প্রায় ৯৫০°C এ নামায় এবং পরিবাহিতা বাড়ায়। ক্যাথোডে অ্যালুমিনিয়াম জমা হয়, অ্যানোডে অক্সিজেন বের হয়।
কপার: কপার পাইরাইটসকে ঘনীকরণ ও তাপজারণের পর বিজারণ করে ফোস্কা কপার (blister copper) পাওয়া যায়। এরপর CuSO4 দ্রবণে অশুদ্ধ কপারকে অ্যানোড ও বিশুদ্ধ কপারকে ক্যাথোড করে তড়িৎ বিশোধন করা হয়।
C + O2 → CO2; CO2 + C → 2CO
Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2
CaCO3 → CaO + CO2; CaO + SiO2 → CaSiO3
ক্যাথোড: Al3+ + 3e- → Al
অ্যানোড: 2O2- → O2 + 4e-
সংকর ধাতু ও ধাতুর ক্ষয়
দুই বা ততোধিক ধাতু, অথবা ধাতু ও অধাতু গলিয়ে মিশিয়ে যে ধাতব পদার্থ তৈরি হয়, তাকে সংকর ধাতু বলে। সংকর ধাতু সাধারণত মূল ধাতুর চেয়ে শক্ত ও ক্ষয়রোধী হয়।
লোহায় মরিচা পড়া হলো ক্ষয়ের সবচেয়ে পরিচিত উদাহরণ। মরিচা পড়তে পানি ও অক্সিজেন দুটোই লাগে; মরিচার সংকেত Fe2O3·nH2O। রং করা, তেল-গ্রিজ লাগানো, গ্যালভানাইজিং (জিংকের প্রলেপ) ও সংকর ধাতু তৈরি করে ক্ষয় রোধ করা হয়।
- স্টিল: Fe + সামান্য C (সাধারণত ২% এর কম)
- স্টেইনলেস স্টিল: Fe + Cr + Ni + সামান্য C
- পিতল: Cu + Zn
- কাঁসা/ব্রোঞ্জ: Cu + Sn
- ডুরালুমিন: Al + Cu + Mg + Mn
4Fe + 3O2 + 2nH2O → 2Fe2O3·nH2O
অধাতু: সালফার ও সালফিউরিক এসিড
সালফার হলুদ রঙের অধাতু, প্রকৃতিতে মুক্ত অবস্থায় এবং সালফাইড ও সালফেট খনিজে পাওয়া যায়। সালফারের সবচেয়ে বড় ব্যবহার সালফিউরিক এসিড তৈরিতে।
স্পর্শ পদ্ধতিতে সালফার পুড়িয়ে SO2 তৈরি করা হয়। তারপর প্রায় ৪৫০°C তাপমাত্রায়, ১–২ atm চাপে, V2O5 প্রভাবকের উপস্থিতিতে SO2 কে জারিত করে SO3 করা হয়। SO3 সরাসরি পানিতে না দিয়ে গাঢ় H2SO4 এ শোষণ করে ওলিয়াম তৈরি করা হয়, কারণ পানিতে দিলে এসিডের কুয়াশা তৈরি হয়। পরে ওলিয়ামে পানি মিশিয়ে H2SO4 পাওয়া যায়।
সালফিউরিক এসিডকে রাসায়নিক শিল্পের রাজা বলা হয়; সার, ডিটারজেন্ট, রং, ব্যাটারি ও নানা রাসায়নিক তৈরিতে এটি লাগে। গাঢ় H2SO4 পাতলা করতে সবসময় এসিড ধীরে ধীরে পানিতে ঢালতে হয়, উল্টোটা কখনো নয়।
S + O2 → SO2
2SO2 + O2 ⇌ 2SO3 (V2O5, 450°C)
SO3 + H2SO4 → H2S2O7 (ওলিয়াম)
H2S2O7 + H2O → 2H2SO4
অধাতু: নাইট্রোজেন, অ্যামোনিয়া ও সার
বায়ুর প্রায় ৭৮% নাইট্রোজেন। N2 অণুর ত্রিবন্ধন খুব শক্ত, তাই এটি সহজে বিক্রিয়া করে না। হেবার পদ্ধতিতে N2 ও H2 কে ১:৩ আয়তন অনুপাতে মিশিয়ে প্রায় ৪৫০–৫০০°C তাপমাত্রায়, ২০০ atm চাপে, লোহার চূর্ণ প্রভাবকের উপস্থিতিতে অ্যামোনিয়া তৈরি করা হয়। বিক্রিয়াটি উভমুখী ও তাপোৎপাদী।
অ্যামোনিয়া থেকে ইউরিয়া, অ্যামোনিয়াম সালফেট, অ্যামোনিয়াম নাইট্রেটসহ নানা নাইট্রোজেন সার তৈরি হয়। বাংলাদেশের ইউরিয়া কারখানাগুলো প্রাকৃতিক গ্যাস থেকে হাইড্রোজেন নিয়ে এই পদ্ধতিতেই অ্যামোনিয়া বানায়। অতিরিক্ত সার পানিতে মিশে শৈবালের অতিবৃদ্ধি ঘটায়, তাই সঠিক মাত্রায় ব্যবহার জরুরি।
N2 + 3H2 ⇌ 2NH3 (Fe প্রভাবক, 450–500°C, 200 atm)
2NH3 + CO2 → CO(NH2)2 + H2O
বহুনির্বাচনী প্রশ্ন (MCQ)
১. অ্যালুমিনিয়ামের প্রধান আকরিক কোনটি?
- ক) হেমাটাইট
- খ) বক্সাইট
- গ) গ্যালেনা
- ঘ) সিনাবার
উত্তর দেখো
উত্তর: খ) বক্সাইট — বক্সাইট (Al2O3·2H2O) থেকে লাভজনকভাবে অ্যালুমিনিয়াম নিষ্কাশন করা হয়।
২. সালফাইড আকরিক ঘনীকরণে কোন পদ্ধতি ব্যবহৃত হয়?
- ক) চৌম্বক পৃথকীকরণ
- খ) ভস্মীকরণ
- গ) ফেনা ভাসমান পদ্ধতি
- ঘ) তড়িৎ বিশোধন
উত্তর দেখো
উত্তর: গ) ফেনা ভাসমান পদ্ধতি — সালফাইড আকরিকের কণা তেলে ভিজে ফেনার সাথে ভেসে ওঠে, খনিজমল নিচে থাকে।
৩. পর্যাপ্ত বায়ুতে সালফাইড আকরিককে উত্তপ্ত করাকে কী বলে?
- ক) তাপজারণ
- খ) ভস্মীকরণ
- গ) বিজারণ
- ঘ) ঘনীকরণ
উত্তর দেখো
উত্তর: ক) তাপজারণ — তাপজারণে সালফাইড অক্সাইডে পরিণত হয় ও SO2 বের হয়।
৪. মারুত চুল্লিতে চুনাপাথর যোগ করার উদ্দেশ্য কী?
- ক) লোহাকে জারিত করা
- খ) ধাতুমল তৈরি করে SiO2 অপসারণ
- গ) CO তৈরি করা
- ঘ) তাপমাত্রা কমানো
উত্তর দেখো
উত্তর: খ) ধাতুমল তৈরি করে SiO2 অপসারণ — CaCO3 থেকে পাওয়া CaO বালির SiO2 এর সাথে মিলে CaSiO3 ধাতুমল তৈরি করে।
৫. অ্যালুমিনিয়াম নিষ্কাশনে ক্রায়োলাইট ব্যবহারের কারণ কী?
- ক) Al2O3 কে বিজারিত করা
- খ) গলনাঙ্ক কমানো ও পরিবাহিতা বাড়ানো
- গ) অ্যানোড রক্ষা করা
- ঘ) প্রভাবক হিসেবে কাজ করা
উত্তর দেখো
উত্তর: খ) গলনাঙ্ক কমানো ও পরিবাহিতা বাড়ানো — ক্রায়োলাইটে দ্রবীভূত করলে Al2O3 এর মিশ্রণ প্রায় ৯৫০°C এ গলে এবং ভালো তড়িৎ পরিবহন করে।
৬. পিতল কোন ধাতুগুলোর সংকর?
- ক) Cu ও Sn
- খ) Fe ও Cr
- গ) Cu ও Zn
- ঘ) Al ও Mg
উত্তর দেখো
উত্তর: গ) Cu ও Zn — পিতল = কপার + জিংক; কপার + টিন হলো কাঁসা বা ব্রোঞ্জ।
৭. স্পর্শ পদ্ধতিতে কোন প্রভাবক ব্যবহৃত হয়?
- ক) Fe
- খ) Ni
- গ) Al2O3
- ঘ) V2O5
উত্তর দেখো
উত্তর: ঘ) V2O5 — SO2 কে SO3 এ জারিত করতে ভ্যানাডিয়াম পেন্টক্সাইড (V2O5) প্রভাবক ব্যবহৃত হয়।
৮. হেবার পদ্ধতিতে N2 ও H2 এর আয়তন অনুপাত কত?
- ক) ১ : ১
- খ) ১ : ২
- গ) ১ : ৩
- ঘ) ৩ : ১
উত্তর দেখো
উত্তর: গ) ১ : ৩ — সমীকরণ N2 + 3H2 ⇌ 2NH3 অনুযায়ী ১ আয়তন N2 ও ৩ আয়তন H2 লাগে।
সৃজনশীল প্রশ্ন
উদ্দীপক: একটি কারখানায় একটি আকরিক X কে প্রথমে চূর্ণ করে খনিজমল সরানো হয়। এরপর বিশুদ্ধ X কে গলিত ক্রায়োলাইটে দ্রবীভূত করে কার্বন তড়িৎদ্বার দিয়ে তড়িৎ বিশ্লেষণ করা হয়। অন্য একটি চুল্লিতে হেমাটাইট, কোক ও চুনাপাথর দিয়ে আরেকটি ধাতু Y তৈরি করা হয়।
- ক) আকরিক কাকে বলে?
- খ) সব খনিজ আকরিক নয় কেন? ব্যাখ্যা করো।
- গ) X থেকে ধাতু নিষ্কাশনে তড়িৎদ্বারে সংঘটিত বিক্রিয়া লেখো।
- ঘ) X ও Y ধাতু নিষ্কাশনে ভিন্ন পদ্ধতি ব্যবহারের কারণ সক্রিয়তা সিরিজের আলোকে বিশ্লেষণ করো।
উত্তর দেখো
- যে খনিজ থেকে লাভজনকভাবে ও সহজে ধাতু নিষ্কাশন করা যায়, তাকে আকরিক বলে।
- খনিজ হলো ভূত্বকে প্রাকৃতিকভাবে পাওয়া মৌল বা যৌগ। কিন্তু অনেক খনিজে ধাতুর পরিমাণ কম বা নিষ্কাশন ব্যয়বহুল, যেমন কাদামাটিতে অ্যালুমিনিয়াম আছে কিন্তু তা থেকে নিষ্কাশন লাভজনক নয়। তাই সব খনিজ আকরিক নয়।
- X হলো বক্সাইট থেকে পাওয়া Al2O3। ক্যাথোড: Al3+ + 3e- → Al; অ্যানোড: 2O2- → O2 + 4e-। অ্যানোডে উৎপন্ন O2 কার্বনের সাথে বিক্রিয়া করে CO2 তৈরি করে, তাই অ্যানোড ধীরে ক্ষয় হয়।
- অ্যালুমিনিয়াম সক্রিয়তা সিরিজে কার্বনের উপরে, তাই Al2O3 খুব স্থিতিশীল এবং কার্বন একে বিজারিত করতে পারে না; এজন্য তড়িৎ বিশ্লেষণ লাগে। Y হলো লোহা, যা সিরিজে কার্বনের নিচে; তাই মারুত চুল্লিতে CO সহজেই Fe2O3 কে বিজারিত করে: Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2। চুনাপাথর SiO2 কে ধাতুমল CaSiO3 হিসেবে সরায়। অতএব ধাতুর সক্রিয়তাই নিষ্কাশন পদ্ধতি নির্ধারণ করে।
উদ্দীপক: একটি শিল্প কারখানায় হলুদ বর্ণের একটি অধাতু A পুড়িয়ে গ্যাস B তৈরি করা হয়। B কে V2O5 প্রভাবকের উপস্থিতিতে বায়ুর অক্সিজেন দিয়ে জারিত করে C পাওয়া যায়। C থেকে শেষে একটি গুরুত্বপূর্ণ এসিড D তৈরি হয়।
- ক) প্রভাবক কাকে বলে?
- খ) C কে সরাসরি পানিতে শোষণ করা হয় না কেন?
- গ) A থেকে D তৈরির সমীকরণগুলো লেখো।
- ঘ) D কে রাসায়নিক শিল্পের রাজা বলার যৌক্তিকতা বিশ্লেষণ করো।
উত্তর দেখো
- যে পদার্থ বিক্রিয়ার হার পরিবর্তন করে কিন্তু বিক্রিয়ার শেষে নিজে অপরিবর্তিত থাকে, তাকে প্রভাবক বলে।
- C হলো SO3। SO3 পানির সাথে তীব্র তাপোৎপাদী বিক্রিয়া করে এসিডের সূক্ষ্ম কুয়াশা তৈরি করে, যা সহজে ঘনীভূত হয় না। তাই একে গাঢ় H2SO4 এ শোষণ করে ওলিয়াম বানানো হয়।
- A = S, B = SO2, C = SO3, D = H2SO4। S + O2 → SO2; 2SO2 + O2 ⇌ 2SO3 (V2O5, 450°C); SO3 + H2SO4 → H2S2O7; H2S2O7 + H2O → 2H2SO4।
- H2SO4 প্রায় সব রাসায়নিক শিল্পে প্রত্যক্ষ বা পরোক্ষভাবে লাগে: অ্যামোনিয়াম সালফেট ও সুপার ফসফেট সার, ডিটারজেন্ট, রং ও রঞ্জক, লেড-এসিড ব্যাটারি, ধাতু পরিষ্কার এবং অন্য এসিড তৈরিতে। এটি শক্তিশালী এসিড, নিরুদক ও জারক, তাই বহুমুখী। একটি দেশের H2SO4 ব্যবহারকে তার শিল্পোন্নয়নের সূচক ধরা হয়, তাই একে রাসায়নিক শিল্পের রাজা বলা যৌক্তিক।
বাস্তব জীবনে মজার যোগসূত্র
তোমার হাতের অ্যালুমিনিয়ামের কোমল পানীয়ের ক্যান একসময় সোনার চেয়েও দামি ধাতু দিয়ে তৈরি হতো বললে বিশ্বাস হবে? উনিশ শতকের মাঝামাঝি অ্যালুমিনিয়াম এত দুর্লভ ছিল যে ফ্রান্সের সম্রাট তৃতীয় নেপোলিয়ন বিশেষ অতিথিদের অ্যালুমিনিয়ামের থালায় খাবার দিতেন, বাকিরা পেত সোনার থালা। ১৮৮৬ সালে তড়িৎ বিশ্লেষণ পদ্ধতি আসার পর দাম হঠাৎ পড়ে যায়। আর আজ একটা ক্যান পুনঃচক্রায়ন করলে নতুন বানানোর তুলনায় প্রায় ৯৫% শক্তি বাঁচে।
প্রশ্ন ও উত্তর
খনিজ ও আকরিকের মূল পার্থক্য কী?
খনিজ হলো ভূত্বকে প্রাকৃতিকভাবে পাওয়া যেকোনো মৌল বা যৌগ। আকরিক হলো সেই খনিজ যা থেকে লাভজনকভাবে ধাতু নিষ্কাশন করা যায়। সব আকরিক খনিজ, কিন্তু সব খনিজ আকরিক নয়।
ভস্মীকরণ ও তাপজারণের পার্থক্য কী?
ভস্মীকরণে বায়ুর অনুপস্থিতিতে বা সীমিত বায়ুতে কার্বনেট বা হাইড্রেটেড আকরিক উত্তপ্ত করা হয়, CO2 বা পানি বের হয়। তাপজারণে পর্যাপ্ত বায়ুতে সালফাইড আকরিক উত্তপ্ত করা হয়, SO2 বের হয়।
অ্যালুমিনিয়াম কার্বন দিয়ে নিষ্কাশন করা যায় না কেন?
অ্যালুমিনিয়াম কার্বনের চেয়ে বেশি সক্রিয়, তাই Al2O3 থেকে অক্সিজেন সরানোর ক্ষমতা কার্বনের নেই। এজন্য গলিত ক্রায়োলাইটে তড়িৎ বিশ্লেষণ করা হয়।
অ্যালুমিনিয়ামে মরিচা পড়ে না কেন?
অ্যালুমিনিয়াম বাতাসের অক্সিজেনের সাথে বিক্রিয়া করে পৃষ্ঠে Al2O3 এর পাতলা, শক্ত ও ঘন স্তর তৈরি করে, যা ভেতরের ধাতুকে আর ক্ষয় হতে দেয় না। লোহার মরিচা ঝুরঝুরে, তাই ক্ষয় চলতেই থাকে।
গ্যালভানাইজিং কী?
লোহা বা স্টিলের উপর জিংকের প্রলেপ দেওয়াকে গ্যালভানাইজিং বলে। জিংক লোহার চেয়ে সক্রিয়, তাই প্রলেপে আঁচড় লাগলেও জিংক আগে ক্ষয় হয়ে লোহাকে রক্ষা করে।
আরও পড়ো
সূত্র: NCTB নবম-দশম শ্রেণি রসায়ন পাঠ্যবই, অধ্যায় ১০: খনিজ সম্পদ: ধাতু-অধাতু · LibreTexts Chemistry: Metallurgy · Royal Society of Chemistry: Extracting metals