વિદ્યુતવિભાજન ઉદ્યોગો (electrolytic industries)

વિદ્યુતવિભાજન ઉદ્યોગો (electrolytic industries) : વિદ્યુત-ઊર્જાના ઉપયોગ દ્વારા રાસાયણિક પ્રક્રિયા કરી વિવિધ પદાર્થોનું ઉત્પાદન કરતા ઉદ્યોગો. રાસાયણિક પ્રક્રમણ (process) ઉદ્યોગોમાં વિદ્યુતનો ઉપયોગ મોટર જેવાં યંત્રો ચલાવવા તથા ઊંચું તાપમાન મેળવવા ઉપરાંત વિદ્યુત-વિભાજન વડે રાસાયણિક ફેરફાર કરવા માટે પણ થાય છે. કૉસ્ટિક સોડા, ક્લૉરીન, હાઇડ્રોજન તથા મૅગ્નેશિયમ અને ઍલ્યુમિનિયમ જેવી ધાતુઓનું ઉત્પાદન એ આવા ઉદ્યોગોનાં ઉદાહરણ છે. વીજરાસાયણિક (electrochemical) ઉદ્યોગોમાં વિદ્યુતશક્તિની કિંમત એ નિર્ણાયક અવયવ હોઈ જ્યાં વિદ્યુતશક્તિ સસ્તી પ્રાપ્ત થતી હોય ત્યાં આવા ઉદ્યોગો વધુ કેન્દ્રિત થતા હોય છે.

વિદ્યુતવિભાજીય પ્રવિધિઓના કૅથોડિક અને ઍનોડિક એમ બે ભાગ પાડી શકાય. કૅથોડિક પ્રકારની પ્રક્રિયાઓમાં કૅથોડ આગળ મુખ્ય નીપજ પ્રાપ્ત થાય છે. ઍલ્યુમિનિયમ, મૅગ્નેશિયમ જેવી ધાતુઓ મેળવવા માટે તેમના યોગ્ય ક્ષારનું (અથવા મિશ્રણનું) વિદ્યુતવિભાજન કરવાથી કૅથોડ આગળ આવી ધાતુઓ મળે છે. આલ્કલીય (alkaline) પાણીનું વિદ્યુતવિભાજન એ હાઇડ્રોજન વાયુનો એક અગત્યનો સ્રોત છે. જલીય દ્રાવણના વિદ્યુતવિભાજન દરમિયાન કૅથોડ આગળ હાઇડ્રોજન આયનો (H⁺) વીજવિભારિત થવાથી કૅથોલાઇટ (કૅથોડ આસપાસનું દ્રાવણ) આલ્કલીય બને છે. આ અસરનો ઉપયોગ લવણજળમાંથી મોટા પાયા પર કૉસ્ટિક સોડા બનાવવામાં થાય છે.

ઘણી ઍનોડિક વિધિઓ મુખ્યત્વે સ્થાયી વીજધ્રુવ આગળ દ્રાવણમાંથી એનાયનના વીજવિભાર ઉપર આધાર રાખે છે. જ્યારે કેટલીક ઍનોડના પોતાના દ્રવીકરણ (dissolution) પર આધારિત હોય છે. પહેલા વર્ગમાં ક્લૉરીન, ઑક્સિજન અને ફ્લોરીન જેવા વાયુઓના ઉત્પાદનનો, જ્યારે બીજામાં ભંગાર દ્રવ્યમાંથી કીમતી ધાતુઓની પુન:પ્રાપ્તિનો સમાવેશ થાય છે. (દા. ત., ટિનપ્લેટમાંથી ટિનની પુન:પ્રાપ્તિ). એનાયનના પ્રારંભિક વીજવિભાર બાદની દ્વિતીયક એનૉડિક ઉપચયનની પ્રક્રિયાઓ પણ ટેક્નિકલ દૃષ્ટિએ અગત્યની છે. દા.ત., ક્લૉરાઇડના પ્રાથમિક વીજવિભારની પ્રક્રિયાનો ઉપયોગ હાઇપોક્લૉરાઇટ, ક્લૉરેટ અને પરક્લૉરેટ સંયોજનોના ઉત્પાદન જેવી દ્વિતીયક પ્રક્રિયાઓ માટે કરી શકાય છે. સલ્ફેટી દ્રાવણના વિદ્યુતવિભાજનથી પરસલ્ફેટનું ઉત્પાદન તથા ચરબીજ ઍૅસિડના અકાર્બનિક ક્ષારના વિદ્યુતવિભાજનથી પૅરેફિનની સમાનધર્મી શ્રેણીનાં અનેક સંયોજનોની ઉત્પત્તિ (કોલ્બે-પ્રક્રિયા) – એ એક પ્રકારની બહુલીકરણની પ્રક્રિયા ગણી શકાય. અહીં કેટલીક વધુ અગત્યની પ્રવિધિઓ આપી છે.

ઍલ્યુમિનિયમ : દુનિયામાં આ સૌથી વધુ વિપુલતા (પૃથ્વીના પોપડાના ઘન ભાગના લગભગ 8 %) ધરાવતી ધાતુ છે. દરેક દેશ ઍલ્યુમિનિયમ ધરાવતા પદાર્થોના મોટા જથ્થા ધરાવે છે, પણ તેમાંથી ધાતુનું ઉત્પાદન બધે આર્થિક રીતે પોસાય તેવું હોતું નથી.

1825માં ઑર્સ્ટિડે ઍલ્યુમિનિયમ ક્લૉરાઇડને પોટૅશિયમ-મર્ક્યુરી સંરસ (amalgum) સાથે ગરમ કરી સૌપ્રથમ ઍલ્યુમિનિયમ મેળવ્યું હતું. 1854માં હેન્રી સેઇન્ટ ક્લેર દેવિલે સોડિયમ-ઍલ્યુમિનિયમ ક્લૉરાઇડને ધાતુમય સોડિયમ સાથે ગરમ કરીને ઍલ્યુમિનિયમ ઉત્પન્ન કર્યું હતું. આ સમયે ધાતુ 220 ડૉલર પ્રતિ કિલોગ્રામના ભાવે વેચાતી હતી. 1886માં ચાર્લ્સ હૉલે સંગલિત (fused) ક્રાયોલાઇટના કુંડ(bath)માં ઍલ્યુમિના(ઍલ્યુમિનિયમ ઑક્સાઇડ)ના વિદ્યુત-વિભાજન દ્વારા પ્રથમ વાર ઍલ્યુમિનિયમ મેળવ્યું, હાલ મોટા પાયા પર ઉપયોગમાં લેવાતી આ પ્રવિધિ છે. તે જ વર્ષે પૉલ હૅરોલ્ટે આવી જ પદ્ધતિ માટે ફ્રેન્ચ પેટન્ટ મેળવી. આ વિધિને કારણે 1893 સુધીમાં તો ઍલ્યુમિનિયમનું ઉત્પાદન ઘણું વધી ગયું અને તેની કિંમત ઘટી ગઈ. ઍલ્યુમિનિયમના ગુણધર્મોના અભ્યાસ અને આ ધાતુના આર્થિક રીતે પોષણક્ષમ વપરાશને કારણે ઉદ્યોગ વૃદ્ધિ પામતો રહ્યો છે. વજનમાં હલકી છતાં મજબૂત હોવાને કારણે તેમજ કૉપર, મૅગ્નેશિયમ, ઝિંક, મૅન્ગેનીઝ જેવી અન્ય ધાતુઓ સાથે તે મિશ્રધાતુઓ બનાવતી હોવાથી તેનો વપરાશ વધતો ગયો છે. વિમાનો, મોટરવાહનો, ટ્રકો, રેલવેના ડબ્બા, વિદ્યુત-સંવાહકો, તેમજ ઢાળેલા (cast) તથા ઘડેલા (forged) દાગીના બનાવવામાં તે ખાસ વપરાય છે. લોખંડ અને પોલાદની સરખામણીમાં તેની મજબૂતાઈ અને તન્યતા શૂન્યની આસપાસના (subzero) તાપમાને વધતી માલૂમ પડે છે. ઍલ્યુમિનિયમની વિદ્યુતવાહકતા તેટલા જ વજનના તાંબાની સરખામણીમાં બમણી હોય છે.

ઉત્પાદન : સંગલિત ક્રાયોલાઇટના કુંડમાં શુદ્ધ ઍલ્યુમિનાનું વિદ્યુતવિભાજનીય અપચયન કરીને ધાત્વિક ઍૅલ્યુમિનિયમ ઉત્પન્ન કરવામાં આવે છે. ઍલ્યુમિનાનું કાર્બન વડે અપચયન કરવું શક્ય નથી, કારણ કે તેમાં ઍલ્યુમિનિયમ કાર્બાઇડ (Al₄C₃) ઉત્પન્ન થાય છે અને ઍલ્યુમિનિયમની બાષ્પ અને કાર્બન ડાયૉક્સાઇડ (CO₂) વચ્ચેની પશ્ચ-પ્રક્રિયા (back-reaction) ઝડપથી થઈ ફરીથી ઍલ્યુમિના ઉત્પન્ન કરે છે.

આકૃતિ 1માં દર્શાવ્યા પ્રમાણે વિદ્યુતવિભાજની કોષો મોટા પટારા જેવા પોલાદનાં પાત્રોના બનેલા હોય છે. દરેકમાં કૅથોડ-ખંડ (compartment) હોય છે, જેમાં ડામર અને એન્થ્રેસાઇટ કોલના મિશ્રણનું ટીપેલું (rammed) અથવા વીજપ્રવાહ વડે સ્થળ પર પકવેલા કોકનું અથવા અગાઉથી પકવેલા કૅથોડ-ખંડોને ચુસ્ત રીતે જોડીને બનાવેલું અસ્તર હોય છે. કૅથોડ-ખંડમાંની ગુહા (cavity) 9 મીટર લાંબી, 3 મીટર પહોળી અને 30થી 50 સેમી. જેટલી ઊંડી હોય છે. ઉષ્મીય અલગન માટે ગુહાના અસ્તર અને પોલાદના કોષ વચ્ચે ઉષ્મારોધી ઈંટો, ઍસ્બેસ્ટૉસનાં ચોસલાં અથવા એવા પદાર્થો ભરવામાં આવે છે.

ગુહાના અસ્તરના તળિયાના ભાગે કૅથોડ-વીજપ્રવાહ સંગ્રાહકો (collectors) તરીકે લોખંડના મોટા સળિયા રાખેલા હોય છે જે બહાર કૅથોડના મહાસંવાહક તાર (cathode bus) સાથે જોડવામાં આવે છે. અસ્તર લગભગ 2થી 4 વર્ષ સુધી ચાલે છે. તે નિષ્ફળ જાય ત્યારે સમગ્ર અસ્તર, અલગન વ્યવસ્થા અને સંગ્રાહકના સમુચ્ચય(ensemble)ને બદલી નાંખવામાં આવે છે. કોષનું પુન: અસ્તરણ એ ખર્ચનો સારો એવો ભાગ હોય છે. સ્વયં પક્વિત (સ્વસંપાકી, self-baking) અથવા સોડરબર્ગ ઍનોડ ધરાવતા કોષની રચના આકૃતિ 2માં દર્શાવી છે :

હૉલ-હેરોલ્ટ વિધિના બંને પ્રકારમાં કોષ-ગુહા ઉપર આવેલા ઉપરી માળખા(super structure)માંથી ઍનોડ લટકાવવામાં આવે છે અને તેમને લંબ-સ્થિતિ(vertical position)માં (યોગ્ય રીતે) ગોઠવી શકાય તે માટે તેમને ચલાયમાન (movable) ઍનોડ બસ (મહાસંવાહક, bus) સાથે જોડવામાં આવેલાં હોય છે.

વિદ્યુતવિભાજન માટે જ્યારે કોષોને પ્રથમ વાર ચાલુ કરવામાં આવે છે ત્યારે વિદ્યુતઅવરોધી તાપન દ્વારા તેમને સંચાલન માટેના તાપમાને લાવવામાં આવે છે. આ માટે ઍનોડને કોષગુહાના તળિયે આવેલા કોકના કણોના સ્તરના સંપર્કમાં લાવવામાં આવે છે. આ લઘુપરિપથિત (short circuited) કોષમાં વીજપ્રવાહ પસાર કરી જોઈતું તાપમાન મેળવવામાં આવે છે. વીજાપઘટની (electrolytic) પદાર્થો કોષગુહામાંના ઍનોડની આસપાસ ઉમેરવામાં આવે છે. તેઓ ધીમે ધીમે પીગળે એટલે ઍનોડને ઊંચે લઈ જવામાં આવે છે, જેથી કોષનું પ્રચાલન (operation) શરૂ થાય છે. સામાન્ય રીતે ઍનોડ અને કૅથોડ વચ્ચેનું અંતર 5 સેમી. જેટલું હોય છે. જ્યારે વિદ્યુતવિભાજ્ય દ્રવ્ય મુખ્યત્વે ક્રાયોલાઇટ (3NaF·AlF₃) તથા થોડા આધિક્યમાં લીધેલ AlF₃, 6 %થી 10 % CaF₂ અને 2 %થી 6 % Al₂O₃નું બનેલું હોય છે. ઍૅલ્યુમિનિયમના ઉત્પાદનમાં વિદ્યુતવિભાજ્યના સંઘટનનું નિયંત્રણ એ એક અગત્યનું પાસું છે.

શુદ્ધ ક્રાયોલાઇટનું ગલનબિંદુ 1009° સે. જેટલું હોવાથી તેમાં ઉપર દર્શાવેલા અન્ય પદાર્થો ઉમેરવાથી તેઓ કોષને માટે 940°થી 980° સે. તાપમાને કાર્ય કરવાનું શક્ય બનાવે છે. AlF₃ કોષની કાર્યક્ષમતામાં પણ સુધારો કરે છે. AlF₃ એવી રીતે ઉમેરવામાં આવે છે કે ક્રાયોલાઇટમાંનો NAF/AlF₃ ગુણોત્તર 1.50થી ઘટીને 1.10થી 1.40ની સીમામાં રહે. થોડાં અઠવાડિયાંના પ્રચાલન બાદ આ ગુણોત્તર ઘટવા માંડે તો તેને જાળવી રાખવા સોડા-ઍશ (Na₂CO₃) જેવો આલ્કલાઇન પદાર્થ ઉમેરવામાં આવે છે :

3Na₂CO₃ + 4AlF₃ → 2(3NaF • AlF₃) + Al₂O₃ + 3CO₂

કોષ ચાલુ કર્યાનાં થોડાં અઠવાડિયાં પછી વિદ્યુતવિભાજ્યમાં AlF₃નું પ્રમાણ ઓછું થાય છે. AlF₃-પ્રચુર (AlF₃ rich) સંયોજનોના બાષ્પીભવન, ઍલ્યુમિનામાંના અવશેષી કૉસ્ટિક સોડા સાથેની પ્રક્રિયા તેમજ હવા અથવા ઉમેરેલાં દ્રવ્યોથી થતા જળવિભાજનને કારણે આમ બને છે :

3Na₂O + 4AlF₃ → 2(3NaF • AlF₃) + Al₂O₃

3H₂O + 2AlF₃ → Al2O₃ + 6HF

બાષ્પીભવન પામેલા ફ્લૉરાઇડ અને વાયુમય હાઇડ્રોજન ફ્લૉરાઇડને એકઠાં કરી કેન્દ્રીય વાયુ-માવજત તથા પુન:પ્રાપ્તિ (recovery) માટે લઈ જવામાં આવે છે. વળી ઇચ્છિત સંઘટન જાળવી રાખવા કોષમાં અવારનવાર AlF₃ ઉમેરતાં જવામાં આવે છે.

કોષના પ્રચાલન દરમિયાન પીગલિત કુંડની સપાટી પર શીતિત (frozen) પોપડો (છારી, crust) બાઝે છે. આ પોપડા પર ઍલ્યુમિના ઉમેરતા જવામાં આવે છે અને પોપડાને ભાંગી ઍલ્યુમિનાને હલાવીને અંદર લઈ જવામાં આવે છે. જેથી 2 %થી 6 %ની સાંદ્રતા જળવાઈ રહે. સૈદ્ધાંતિક રીતે 1 કિગ્રા. ઍલ્યુમિનિયમ ઉત્પન્ન કરવા 1.89 કિગ્રા. ઍલ્યુમિનાની જરૂર પડે. પણ વ્યવહારમાં આ આંકડો આશરે 1.91 કિગ્રા. હોય છે. કુંડમાં ઍલ્યુમિનાનું પ્રમાણ ઓછું થઈ જાય ત્યારે ઍનોડ-અસર તરીકે ઓળખાતી અસર જોવા મળે છે; જેમાં ઍનોડ ઉપર કાર્બન ટેટ્રાફ્લૉરાઇડની ફિલ્મ ઉત્પન્ન થાય છે; જેના કારણે કુંડ ઍનોડની સપાટીને ભીંજવતો અટકે છે અને કોષના વૉલ્ટેજમાં એકાએક વધારો થાય છે. આ સ્થિતિ દર્શાવવા માટે દીવા અથવા ઘંટડીની વ્યવસ્થા હોય છે. આવું બને ત્યારે કોષમાં ઍલ્યુમિના ઉમેરવામાં આવે છે. પીગલિત કુંડમાં ઍલ્યુમિના કેવી રીતે ઓગળે છે અને કેવી રીતે વિદ્યુતવિભાજન થાય છે તેની કાર્યવિધિ હજુ અચોક્કસ છે, પણ વિદ્યુતવિભાજનને અંતે ઍનોડ આગળ ઑક્સિજન મુક્ત થાય છે, જ્યારે કેથૉડ આગળ ધાતુમય ઍલ્યુમિનિયમ નિક્ષેપિત થાય છે.

Al₂O₃ Al³⁺ + AlO₃^3–

Al³⁺ + 3e → Al (કૅથોડિક પ્રક્રિયા)

AlO₃^3– – 6e → Al₂O₃ + 3O (ઍનોડિક પ્રક્રિયા)

ઍનોડ આગળ ઉત્પન્ન થતો ઑક્સિજન કાર્બન ઍનોડ સાથે પ્રક્રિયા કરી કાર્બન મોનૉક્સાઇડ અને કાર્બન ડાયૉક્સાઇડનું મિશ્રણ ઉત્પન્ન કરે છે.

મૅગ્નેશિયમ : વજનમાં હલકી અને ચાંદી જેવી સફેદ આ ધાતુ પણ ઔદ્યોગિક રીતે ઉપયોગી છે. વિપુલતાની દૃષ્ટિએ દુનિયામાં તેનો ક્રમ આઠમો છે. તેનો કાચો માલ બધે ફેલાયેલો છે, પણ મૅગ્નેશિયમનાં સંયોજનો માટે દરિયાનું પાણી વ્યવહારુ અને અગત્યનો સ્રોત છે. મુખ્ય ખનિજો ડૉલોમાઇટ (CaCO₃ • MgCO₃), મૅગ્નેસાઇટ (MgCO₃) અને કાર્નેલાઇટ (MgCl₂ • KCl • 6H₂O) છે. એક ઘન કિલોમીટર દરિયાના પાણીમાં 1.3 × 10⁶t મૅગ્નેશિયમ ગણતાં દરિયામાંથી 1.7 × 10²⁴t ધાતુ મળી શકે. આમ, તેના કાચા માલની અછત વરતાય તેમ નથી.

1808માં ડેવીએ મૅગ્નેશિયમના અસ્તિત્વની શોધ કરી હતી જ્યારે બુસીએ 1829માં ધાત્વિક મૅગ્નેશિયમ મેળવ્યું હતું. 1918 સુધી ઉત્પાદિત થતું લગભગ બધું જ મૅગ્નેશિયમ ફોટોગ્રાફી માટેના ફ્લૅશ-પાઉડર અને આતશબાજી(pyrotechnics)માં વપરાતું હતું. 1930 સુધીમાં તેના ઢાળકામ (castings), ચાદરો, ઘડેલા ભાગો વગેરે બનાવવાની શરૂઆત થઈ. બીજા વિશ્ર્વયુદ્ધ દરમિયાન અને તે પછીના સમયમાં વિમાન-ઉદ્યોગમાં, અવકાશયાનોમાં તથા મોટરગાડીના ભાગોમાં અત્યંત મજબૂત અને વજનમાં હલકી એવી મૅગ્નેશિયમની મિશ્રધાતુઓ અગત્યની બની ગઈ છે. આ ઉપરાંત ગ્રિન્યાર્ડ (Grignard) પ્રક્રિયકની બનાવટમાં તથા આતશબાજી અને વિસ્ફોટકોમાં તેમજ સંક્ષારણ અટકાવવા માટેના આત્મભોગી (scarificial) ઍનોડ માટે પણ મૅગ્નેશિયમનો ઉપયોગ થાય છે.

ઉત્પાદન : મૅગ્નેશિયમના ઉત્પાદન માટેની સસ્તામાં સસ્તી રીત વિદ્યુતવિભાજનની છે. જોકે બીજા વિશ્ર્વયુદ્ધ દરમિયાન સિલિકૉથરમિક (silicothermic) અથવા ફેરોસિલિકન (ferrosilicon) વિધિ તેમજ કાર્બન વડે અપચયન કરીને પણ તે મેળવવામાં આવતું હતું. આ માટેની રેખાકૃતિ નીચેની આકૃતિ 3માં આપી છે :

વિદ્યુતવિભાજન માટે વપરાતા મૅગ્નેશિયમ ક્લૉરાઇડ(MgCl₂)ને (salines)માંથી, લવણજલ કૂવાઓ(brine wells)માંથી તથા મૅગ્નેશિયમ હાઇડ્રૉક્સાઇડની હાઇડ્રોક્લૉરિક ઍસિડ (HCl) સાથેની પ્રક્રિયા દ્વારા મેળવવામાં આવે છે. દરિયાના પાણીમાંથી MgCl₂ મેળવવા માટે તેની સાથે આલ્કલી કે ચૂનો (CaO) મિશ્ર કરવામાં આળે છે. અવક્ષિપ્ત મૅગ્નેશિયમ હાઇડ્રૉક્સાઇડને ગાળી, ધોઈ તેની HCl સાથે પ્રક્રિયા કરવાથી MgCl₂ મળે છે :

Mg(OH) ₂ + 2HCl = MgCl₂ + 2H₂O

(આ HCl વિદ્યુતવિભાજની કોષોમાંથી મળતા ક્લૉરીનમાંથી બનાવાય છે.) MgCl₂ના દ્રાવણનું બાષ્પીભવન કરી. શુષ્ક બનાવી વિદ્યુતવિભાજની કોષોમાં દાખલ કરવામાં આવે છે; જ્યાં વિદ્યુતવિભાજન થતાં મૅગ્નેશિયમ ધાતુ અને ક્લૉરીન વાયુ મળે છે.

MgCl₂ → Mg + Cl₂

વિદ્યુતવિભાજન માટેના કોષ સિરેમિકઆચ્છાદિત પોલાદના લંબચોરસ (1.3 મીટર પહોળા, 3.3 મીટર લાંબા, અને 1.8 મીટર જેટલા ઊંડા) કુંડોના બનેલા હોય છે. તેમની રચના સોડિયમના ઉત્પાદન માટેના ડાઉનના કોષ જેવી હોય છે. (આકૃતિ 4). તેમની ક્ષમતા 9 ટન પીગલિત MgCl₂ અને અન્ય ક્ષારોને ધરાવી શકે તેટલી હોય છે. કોષમાંના આંતરિક ભાગો કૅથોડ તરીકે વર્તે છે, જ્યારે કોષના ઉપરના ભાગેથી ગ્રૅફાઇટના ઍનોડ લટકાવેલા હોય છે.

કુંડમાં સોડિયમ ક્લૉરાઇડ ઉમેરવાથી ગલનબિંદુ નીચું આવે છે અને વિદ્યુતવાહકતા વધે છે. કોષમાં પસાર થતા વિદ્યુતપ્રવાહને લીધે તથા બહારથી પ્રજ્વલિત વાયુની ભઠ્ઠી દ્વારા ગરમી આપવાથી ક્ષારોનું મિશ્રણ (7 %થી 15 % MgCl₂, 20 % KCl, 30 %થી 45 % NaCl અને 20 %થી 40 % CaCl₂) પીગલિત સ્થિતિમાં રાખી શકાય છે. સામાન્ય રીતે પ્રચાલન-તાપમાન 710° સે. જેટલું હોય છે, જે મૅગ્નેશિયમને પિગાળવા માટેના તાપમાન (ગ.બિં. 651° સે.) કરતાં વધુ હોય છે. પ્રત્યેક કોષ 6V અને 80,000થી 100,000 Aએ 80 % કરતાં વધુ કાર્યક્ષમતાથી કાર્ય કરે છે. આ માટે ઊર્જાની જરૂરિયાત પ્રતિ કિલોગ્રામ મૅગ્નેશિયમ દીઠ 63.4 MJની હોય છે. કૅથોડ આગળ છૂટું પડતું પ્રવાહી મૅગ્નેશિયમ કૂંડીની સપાટી પર આવે છે, જેને સમયાંતરે કાઢી લેવામાં આવે છે.

સોડિયમ : ચાંદી જેવી સફેદ અને ઘણી સક્રિય ધાતુ છે. પાણી સાથે તે જોરદાર (violent) પ્રક્રિયા કરતી હોઈ તેને શુષ્ક કેરોસીનમાં અથવા નાઇટ્રોજનના આવરણ હેઠળ રાખવામાં આવે છે. ટેટ્રાઇથાઇલ અને ટેટ્રામિથાઇલ લેડ બનાવવામાં તેનો બહોળો ઉપયોગ થાય છે. આ ઉપરાંત ધાતુઓના (દા.ત., ટાઇટેનિયમના) અપચયન માટે, સોડિયમ પેરૉક્સાઇડ, રંગકો, ઔષધો, તૃણનાશકો બનાવવામાં પણ તે વપરાય છે.

ઉત્પાદન : સંગલિત સોડિયમ ક્લૉરાઇડ(NaCl)ના (અત્યંત શુદ્ધ મીઠાના) વિદ્યુતવિભાજન દ્વારા તે મેળવાય છે. આગળ દર્શાવેલ ડાઉન-કોષ વિદ્યુતવિભાજન માટે વપરાય છે. ઍનોડ કાર્બનનો અને કૅથોડ આયર્નનો બનેલો હોય છે. ઍનોડ તથા કૅથોડ અલગ અલગ ખંડમાં રાખવામાં આવે છે, જેથી સોડિયમ અને ક્લૉરીન સરળતાથી મળી શકે. સોડિયમ ક્લૉરાઇડનું ગ.બિં. 804° સે જેટલું ઊંચું હોય છે. પણ તેમાં કૅલ્શિયમ ક્લૉરાઇડ (CaCl₂) ઉમેરવાથી તે નીચું લાવી કોષને 600° સે. એ કાર્યરત કરી શકાય છે. આથી કોષના તાપસહ (referactory) અસ્તરનું આયુષ્ય વધારી શકાય છે. તેમજ સોડિયમ અને ક્લૉરીનને સહેલાઈથી એકઠાં કરી શકાય છે. વિદ્યુત વિભાજ્ય તરીકે 33.2 % NaCl અને 66.8 % CaCl₂નું બનેલું સુગલન (eutectic) મિશ્રણ હોય છે. વિદ્યુતવિભાજન દરમિયાન કૅથોડ આગળ સોડિયમ + કૅલ્શિયમનું મિશ્રણ એકઠું થાય છે; પણ તાપમાન વધવા સાથે સોડિયમમાં કૅલ્શિયમની દ્રાવ્યતા ઘટતી હોવાથી મિશ્રણને ઠંડું પાડતાં ઉદભવતા કૅલ્શિયમના ભારે સ્ફટિકો કુંડમાં પાછા જાય છે. અપરિષ્કૃત સોડિયમને 105°થી 110° સે. તાપમાને ગાળી લેવાથી 99.9 % શુદ્ધતાવાળું સોડિયમ પ્રાપ્ત થાય છે. તેને નાઇટ્રોજન ભરેલ ટૅન્કરમાં લઈ જઈ ઠરવા દેવામાં આવે છે.

વિદ્યુતવિભાજનની પ્રક્રિયા નીચે પ્રમાણે છે :

કૅથોડ આગળ : Na⁺ + e → Na

ઍનોડ આગળ : 2Cl^– – 2e → Cl₂

કૉસ્ટિક સોડા (સોડિયમ હાઇડ્રૉક્સાઇડ NaOH) અને ક્લૉરીન : વિદ્યુતવિભાજનીય રીતે કૉસ્ટિક સોડાનું ઉત્પાદન 18મા સૈકાથી જાણીતું હતું પણ ઔદ્યોગિક હેતુઓસર તેનો વપરાશ 1890 પછી શરૂ થયો. આ અગાઉ તે સોડિયમ કાર્બોનેટમાં કૅલ્શિયમ હાઇડ્રૉક્સાઇડ ઉમેરી મેળવવામાં આવતો હતો.

Na₂CO3 + Ca(OH)₂ → 2NaOH + CaCO₃ ↓

પ્રથમ વિશ્ર્વયુદ્ધ અગાઉના ગાળામાં કૉસ્ટિક સોડા એ ક્લૉરીન ઉદ્યોગની સહપેદાશ (coproduct) હતો. 1962 પછી વિદ્યુતવિભાજન દ્વારા કૉસ્ટિક સોડા મેળવવાનું વધુ પ્રચલિત બન્યું.

ક્લૉરીન અગાઉ હાઇડ્રોક્લૉરિક ઍસિડના ઉપચયનથી મેળવવામાં આવતો પણ ઊંચી ક્ષમતાવાળા સૂલટ (D. C.) વીજપ્રવાહ ઉત્પન્ન કરતાં યંત્રોનો વિકાસ થતાં વિદ્યુતવિભાજન વડે ક્લૉરીનનું ઉત્પાદન શરૂ થયું. વીસમી સદીના ઉત્તરાર્ધથી 99 % ક્લૉરીન આ વિધિ વડે ઉત્પન્ન કરવામાં આવે છે.

ક્લૉરીન અને કૉસ્ટિક સોડા આલ્કલી ધાતુઓના ક્લૉરાઇડનાં દ્રાવણોના અથવા સંગલિત ક્લૉરાઇડોના વિદ્યુતવિભાજન દ્વારા મેળવવામાં આવે છે. લવણજલ(brine)નું વિદ્યુતવિભાજન કરવામાં આવે તો ઍનોડ આગળ ક્લૉરીન અને કૅથોડ આગળ આલ્કલી હાઇડ્રૉક્સાઇડ અને સાથે સાથે હાઇડ્રોજન ઉત્પન્ન થાય છે. સંગલિત ક્ષારનું વિદ્યુતવિભાજન કરવામાં આવે તો ઍનોડ આગળ ક્લૉરીન જ્યારે કૅથોડ આગળ આલ્કલી ધાતુ (દા.ત., સોડિયમ કે પોટૅશિયમ) મળે છે.

કૉસ્ટિક સોડા માટે ત્રણ પ્રકારના કોષો પ્રચલિત છે : ડાયાફ્રામ (diaphram) કોષ, પટલ (membrane) કોષ અને મર્ક્યુરી કોષ. લવણજલના વિદ્યુતવિભાજન માટે વપરાતી ઊર્જા એ તેમાં વહેતા વીજપ્રવાહ અને કોષના વિભવ(potential)ના ગુણાકાર જેટલી હોય છે. આ માટે જરૂરી સૈદ્ધાંતિક વોલ્ટેજ ગીબ્સ-હેલ્મહોલ્ટ્ઝ સમીકરણ વડે જાણી શકાય છે.

(E = સૈદ્ધાંતિક વિઘટન વોલ્ટેજ; ΔH = પ્રક્રિયાની ઉષ્મા અથવા એન્થાલ્પી (enthalpy), J = ઉષ્માનો વિદ્યુતીય તુલ્યાંક; T = કેલ્વિન તાપમાન, F = ફૅરડે અચળાંક અને n = સંકળાયેલા તુલ્યાંકની સંખ્યા.) વિદ્યુતવિભાજન દરમિયાન નીચેની પ્રક્રિયા લક્ષમાં લેવામાં આવે છે :

તેને માટે પ્રક્રિયાની ઉષ્મા 224 kJ થાય. આ મૂલ્ય ઉપરના સમીકરણમાં મૂકવામાં આવે તથા તાપમાન સાથે વોલ્ટેજના ફેરફારને અવગણવામાં આવે તો Eનું મૂલ્ય 2.31V મળે છે. સામાન્ય રીતે વીજપ્રવાહ-ક્ષમતા 60 %થી 75 % જેટલી મળે છે.

(અ) ડાયાફ્રામ કોષ : આવા કોષમાં કૅથોડ અને ઍનોડ ખંડને જુદા પાડવા ઍસ્બેસ્ટોસ રેસાઓનો ડાયાફ્રામ વપરાય છે. આથી તેનાંથી આયનો વિદ્યુતીય નિષ્ક્રમણ (migration) દ્વારા પસાર થઈ શકે છે પણ પ્રસરણ ઓછું થાય છે. ઍનોડ સામાન્ય રીતે ગ્રૅફાઇટના જ્યારે કૅથોડ ભરતર લોખંડ(cast iron)ના બનેલા હોય છે. વપરાશ દરમિયાન ડાયાફ્રામ રૂંધાઈ જાય છે (clogged) અને વોલ્ટેજ-પાત (voltage drop) તથા દ્રવસ્થૈતિક (hydrostatic) દબાણમાં વધારો

થતો જોવા મળે છે. આવે વખતે તેમને બદલી નાંખવામાં આવે છે. ડાયાફ્રામને કારણે ઍનોડથી કૅથોડ તરફ લવણજલનું વહન થતું હોવાથી આડ-પ્રક્રિયાઓ (side reactions) (દા.ત., હાઇપોક્લૉરાઇટ બનવાની) ઓછી અથવા નહિવત્ થાય છે. ધાત્વિક કૅથોડ (દા.ત., વિરલ મૃદા ઑક્સાઇડ વડે આચ્છાદિત ટાઇટેનિયમ, પ્લૅટિનમ અથવા ઉમદા ધાતુઓ). વાપરવામાં આવે તો ડાયાફ્રામનું રૂંધાઈ જવાનું ઓછું બને છે અને કોષ એકથી બે વર્ષ સુધી ચાલે છે. સંક્ષારણ-પ્રતિરોધી પ્લાસ્ટિકના ડાયાફ્રામ વાપરવાથી કોષનું આયુષ્ય વધે છે અને પર્યાવરણના પ્રશ્ર્નો ઓછા ઉત્પન્ન થાય છે. આવા કોષોનો ફાયદો એ છે કે તેઓ મંદ (dilute) (20 %) અને પ્રમાણમાં અશુદ્ધ લવણજલ માટે પણ કામ આપી શકે છે. પણ કૉસ્ટિક સોડાનું મંદ (11 %) દ્રાવણ મળે છે અને તેમાં NaClની અશુદ્ધિ હોઈ શકે છે.

(બ) પટલ કોષો : આવા કોષોમાં ઍનોડ અને કૅથોડ ખંડોને અલગ પાડવા અર્ધપારગમ્ય (semipermeable) પટલોનો ઉપયોગ થાય છે. આવા કોષોમાં છિદ્રાળુ, રાસાયણિક રીતે સક્રિય એવી પ્લાસ્ટિકની ચાદરોનો ઉપયોગ થાય છે, જે સોડિયમ આયનોને પસાર થવા દે છે પણ હાઇડ્રૉક્સિલ આયનોને પસાર થવા દેતી નથી. આ માટે પરફ્લોરૉસલ્ફોનિક ઍસિડ બહુલક(દા.ત., Nafion)ની અથવા

પરફ્લોરોસલ્ફૉનિક ઍસિડ બહુલકની એક તરફ પરફ્લોરોકાર્બૉક્સિલિક ઍસિડ બહુલકનું અસ્તર ચઢાવેલી ચાદરોનો ઉપયોગ થાય છે. પટલનો હેતુ OH^– અને Cl^– આયનોને ઍનોડ-કક્ષથી દૂર રાખવાનો છે. તેમાં સાંદ્ર લવણજલ વાપરી શકાતું હોવાથી નીપજ પણ વધુ સંકેન્દ્રિત (30 % થી 40 % NaOH) મળે છે. આને કારણે હેરફેર માટે જરૂરી એવી 50 % સાંદ્રતાવાળું દ્રાવણ સરળતાથી પ્રાપ્ત કરી શકાય છે. જોકે ડાયાફ્રામ કોષ કરતાં તે જલદીથી રૂંધાઈ જાય છે.

(ક) મર્ક્યુરી કોષ : આ કોષોમાં ઍનોડ ગ્રૅફાઇટ અથવા રૂપાંતરિત ટાઇટેનિયમનાં બનેલાં હોય છે. જ્યારે કૅથોડ એ મર્ક્યુરી(પારા)ના વહેતા કુંડ(પલ્વલ pool)નો હોય છે. વિદ્યુતવિભાજન મર્ક્યુરી-સોડિયમ સંરસ ઉત્પન્ન કરે છે, જેનું લવણજલ દ્વારા વિભાજન થતું નથી; સંરસનું અલગ પાત્રમાં પાણી વડે વિઘટન કરવામાં આવે છે :

ઍનોડ આગળ : 2Cl^– → Cl₂ + 2e

કૅથોડ આગળ : 2Na⁺ + 2e + 2Hg → 2NaHg (સંરસ)

2Na.Hg + 2H₂O → 2NaOH + H₂ + Hg

પાણીનું યોગ્ય પ્રમાણ વાપરવામાં આવે તો 50 % સાંદ્ર NaOH મળી શકે છે. આ કોષોની ખામી એ છે કે પર્યાવરણમાં થોડો મર્ક્યુરી જતાં મોટા પ્રશ્ર્નો સર્જાય છે. જોકે હવે આવા કોષોનો ઉપયોગ ઘટી ગયો છે.

50 % સાંદ્ર કૉસ્ટિક સોડામાં રહેલી કલિલીય (colloidal) આયર્નની, સોડિયમ ક્લૉરાઇડની અને સોડિયમ ક્લૉરેટની અશુદ્ધિઓ મુશ્કેલી ઊભી કરતી હોવાથી તેમને દૂર કરવી જરૂરી છે. આયર્નને કૅલ્શિયમ કાર્બોનેટ વડે દૂર કરી શકાય છે, જ્યારે ક્લૉરાઇડ અને ક્લૉરેટને દૂર કરવા દ્રાવણને 50 % (અથવા 70 %થી 95 % સુધી) એમોનિયાવાળા દ્રાવણમાંથી ટપકવા દેવામાં આવે છે.

ઍનોડ ઉપરથી મુક્ત થતો ગરમ ક્લૉરીન પાણીની વરાળ ધરાવે છે. તેને ઠંડો પાડવાથી તેમાંની વરાળનું સંઘનન થાય છે. તે પછી તેને સલ્ફ્યુરિક ઍસિડ દ્વારા શુષ્ક બનાવવામાં આવે છે. આ શુષ્ક ક્લૉરીનને 240થી 550 kPa દબાણ સુધી સંકોચવામાં આવે છે. પ્રવાહી ક્લૉરીનને નળાઓમાં ભરવામાં આવે છે.

વિદ્યુતવિભાજન દરમિયાન મળતા હાઇડ્રોજનને હાઇડ્રોક્લૉરિક ઍસિડ અથવા એમોનિયામાં ફેરવવામાં આવે છે. અથવા કાર્બનિક સંયોજનોના હાઇડ્રોજનીકરણ માટે તે ઉપયોગમાં લેવામાં આવે છે.

ક્લૉરેટ અને પરક્લૉરેટ સંયોજનો : સોડિયમ ક્લૉરેટ(NaClO₃)ના ઉત્પાદનનો લગભગ અર્ધો ભાગ માવાના વિરંજન માટે, એમોનિયમ પરક્લૉરેટ દ્વારા રૉકેટના નોદકો (propellants) માટે, જ્યારે બાકીનો તૃણનાશકો (defoliants) અને વિસ્ફોટકો માટેનાં પોટૅશિયમ પરક્લૉરેટ માટે વપરાય છે.

સોડિયમ ક્લૉરેટ બનાવવા ઍસિડમય બનાવેલા સંતૃપ્ત લવણજલ(brine)નું વિદ્યુતવિભાજન કરવામાં આવે છે. હાઇપોક્લૉરસ ઍસિડની સંક્ષારક (corrosive) ક્રિયા અટકાવવા તેમાં થોડો સોડિયમ ડાઇક્રૉમેટ (2ગ્રા./લિ.) ઉમેરવામાં આવે છે. લવણજલ બાષ્પકમાંથી મળેલા સંઘનિત (condensate) અથવા નરમ પાણી અને કૅલ્શિયમ તથા મૅગ્નેશિયમ જેવી અશુદ્ધિઓ વિનાના સાદા મીઠા (common salt) કે સિંધવ(rock salt)માંથી બનાવાય છે. પોલાદના લંબચોરસ કોષને લવણજલ અથવા પુન:પ્રાપ્ત (recovered) ક્ષારજલ (salt solution) વડે ભરવામાં આવે છે. નાના કોષો માટેના વીજધ્રુવો ગ્રૅફાઇટ અને પોલાદના હોય છે, જ્યારે મોટા કોષો માટે તે ગ્રૅફાઇટ અને ગ્રૅફાઇટના હોય છે. નવી ડિઝાઇનના કોષોમાં પરિમાણીય દૃષ્ટિએ સ્થાપી (dimensionally stable, DSA) ઍનોડ આચ્છાદિત ટાઇટેનિયમના હોય છે. કોષનું તાપમાન 40° સે. (DSA ઍનોડ વાપરવામાં આવે તો ઊંચું) જાળવી રાખવામાં આવે છે. વિદ્યુતવિભાજનથી મળતી નીપજો આમ તો સોડિયમ હાઇડ્રૉક્સાઇડ અને ક્લૉરીન હોય છે. પણ કોષમાં ડાયાફ્રામ ન હોવાથી મિશ્રણને કારણે સોડિયમ હાઇપોક્લૉરાઇટ ઉત્પન્ન થાય છે, જેનું પછીથી ઉપચયન કરી ક્લૉરેટ મેળવાય છે.

NaCl (aq) + 3H₂O (l) → NaClO₃ (aq) + 3 H2 (g), ΔH = 937 kJ

પ્રક્રિયા પામેલ લિકર(liquor)ને ટાંકીઓમાં લઈ જઈ વરાળ વડે 90° સે. સુધી ગરમ કરવામાં આવે છે કે જેથી હાઇપોક્લૉરાઇટ જો રહી ગયો હોય તો નષ્ટ થાય. લિકરમાં રહેલા ક્રોમેટનું પ્રમાણ નક્કી કરી તેમાં બેરિયમ ક્લૉરાઇડ ઉમેરી બધા ક્રોમેટનું અવક્ષેપન કરવામાં આવે છે. વીજધ્રુવો આગળનો ગ્રૅફાઇટ-પંક અને બેરિયમ ક્રોમેટ ટાંકીના તળિયે બેસી જાય છે. જ્યારે, ઉપરના સ્વચ્છ લિકરને ગાળી બાષ્પક સંગ્રાહક-ટાંકીઓ(storage-tanks)માં લઈ જવામાં આવે છે. સંગ્રાહક-ટાંકીઓમાં તેને સોડા-ઍશ વડે તટસ્થ કરી તેનું એવી રીતે બાષ્પીભવન કરવામાં આવે છે કે જેથી દ્રાવણ લગભગ 750 ગ્રા./લિ. જેટલો સોડિયમ ક્લૉરેટ ધરાવે. બાષ્પન બાદ લિકરને સોડિયમ ક્લૉરાઇડ દૂર કરવા માટે ઠરવા દેવામાં આવે છે. આમાં ક્લૉરેટયુક્ત પુન:પ્રાપ્ત ક્ષાર હોય છે, જે ફરીથી વાપરવામાં આવે છે. ઠરેલા પ્રવાહીને ગાળીને ઠંડું કરવામાં આવે છે. આથી છૂટા પડતા સોડિયમ ક્લૉરેટના સ્ફટિકોને અપકેન્દ્રક(centrifuge)માં ઘુમાવી, તેમને શુષ્ક બનાવવામાં આવે છે.

પોટૅશિયમ પરક્લૉરેટ બનાવવા પોલાદના વિદ્યુતવિભાજીય કોષોમાં સોડિયમ ક્લૉરેટને સોડિયમ પરક્લૉરેટમાં ફેરવવામાં આવે છે. કોષમાં પ્લૅટિનમના ઍનોડ હોય છે અને તે 65° સે. જેટલા તાપમાને 5.5થી 6.0V અને 2500A પ્રવાહે કાર્ય કરે છે. આ સોડિયમ પરક્લૉરેટમાં પોટૅશિયમ ક્લૉરાઇડનું ગાળેલું દ્રાવણ ઉમેરવાથી પોટૅશિયમ પરક્લૉરેટના સ્ફટિકો અવક્ષિપ્ત થાય છે જેમને અપકેન્દ્રક દ્વારા અલગ કરી, ધોઈ, શુષ્ક બનાવવામાં આવે છે. બાકી રહેતા માતૃદ્રાવણ(mother liquor)માં સોડિયમ ક્લૉરાઇડ હોય છે, જે ફરીથી કોષના ભરણ તરીકે વાપરી શકાય છે. પોટૅશિયમ ક્લૉરાઇડના વિદ્યુતવિભાજનથી પણ પોટૅશિયમ પરક્લૉરેટ ઉત્પન્ન કરી શકાય છે.

પોટૅશિયમ ક્લૉરેટ દીવાસળીમાં, ઔષધીય નીપજોમાં અને આતશબાજી માટેનાં મિશ્રણોમાં વપરાય છે. કાર્બનિક પદાર્થો અને ક્લૉરેટનાં મિશ્રણો વિસ્ફોટક હોવાથી તેમનો ઉપયોગ નિષ્ણાતો સુધી જ સીમિત રહેવો જરૂરી છે.

આ ઉપરાંત પાણીના વિદ્યુતવિભાજનથી હાઇડ્રોજન અને ઑક્સિજન જેવા ઔદ્યોગિક વાયુઓ તેમજ હાઇડ્રોજનનો સમસ્થાનિક ડ્યુટેરિયમ ધરાવતું ભારે પાણી મેળવી શકાય છે. ફ્લૉરિન પણ વિદ્યુતવિભાજન દ્વારા મેળવાય છે. કાર્બનિક સંયોજનોના ઉત્પાદન માટે પણ વીજરાસાયણિક પદ્ધતિઓ વપરાય છે; દા.ત., એક્રિલોનાઇટ્રાઇલનું એડિપોનાઇટ્રાઇલમાં રૂપાંતર.

જ. દા. તલાટી