Chapter 3: ધાતુ અને અધાતુ

ઇલેક્ટ્રૉન-બિંદુ રચનામાં માત્ર સૌથી બહારની કક્ષાના (સંયોજકતા) ઇલેક્ટ્રૉનને જ ટપકાં (•) સ્વરૂપે દર્શાવવામાં આવે છે.

• સોડિયમ (Na): પરમાણ્વીય ક્રમાંક 11 (2, 8, 1). બહારની કક્ષામાં 1 ઇલેક્ટ્રૉન.
  રચના: Na•
• મૅગ્નેશિયમ (Mg): પરમાણ્વીય ક્રમાંક 12 (2, 8, 2). બહારની કક્ષામાં 2 ઇલેક્ટ્રૉન.
  રચના: •Mg•
• ઑક્સિજન (O): પરમાણ્વીય ક્રમાંક 8 (2, 6). બહારની કક્ષામાં 6 ઇલેક્ટ્રૉન.
  રચના: :Ö: (અથવા O ની ફરતે 6 ટપકાં)

1. Na₂O (સોડિયમ ઑક્સાઈડ) નું નિર્માણ:
સોડિયમ (Na) પોતાનો 1 ઇલેક્ટ્રૉન ગુમાવીને Na⁺ બને છે. ઑક્સિજન (O) ને અષ્ટક પૂરું કરવા 2 ઇલેક્ટ્રૉનની જરૂર છે. તેથી, 2 સોડિયમ પરમાણુઓ 1-1 ઇલેક્ટ્રૉન ઑક્સિજનને આપે છે. 2. MgO (મૅગ્નેશિયમ ઑક્સાઈડ) નું નિર્માણ:
મૅગ્નેશિયમ (Mg) પોતાના બંને બહારના ઇલેક્ટ્રૉન ગુમાવીને Mg²⁺ બને છે અને આ બંને ઇલેક્ટ્રૉન ઑક્સિજન (O) સ્વીકારી લે છે.

• Na₂O માં: ધન આયન તરીકે સોડિયમ આયન (Na⁺) અને ઋણ આયન તરીકે ઑક્સાઇડ આયન (O^2-) હાજર છે.
• MgO માં: ધન આયન તરીકે મૅગ્નેશિયમ આયન (Mg²⁺) અને ઋણ આયન તરીકે ઑક્સાઇડ આયન (O^2-) હાજર છે.

જવાબ:
આયનીય સંયોજનોમાં ધન આયનો અને ઋણ આયનો વચ્ચે ખૂબ જ પ્રબળ સ્થિત-વિદ્યુત આકર્ષણ બળ (Electrostatic force of attraction) રહેલું હોય છે.

આ આંતર-આયનીય આકર્ષણ બળને તોડવા માટે ખૂબ જ વધુ પ્રમાણમાં ઉષ્મા-ઊર્જા (ગરમી) ની જરૂર પડે છે. આ જ કારણથી આયનીય સંયોજનોના ગલનબિંદુ (Melting points) અને ઉત્કલનબિંદુ (Boiling points) ખૂબ જ ઊંચા હોય છે.

પૃથ્વીના પોપડામાંથી જ્યારે ખોદકામ કરવામાં આવે છે, ત્યારે તેમાંથી માટી, રેતી અને ધાતુઓ ભેગી મળે છે. આ સમજવા માટે બે શબ્દો જાણવા જરૂરી છે:

1. ખનીજ (Minerals): પૃથ્વીના પોપડામાંથી જે કુદરતી પદાર્થો મળે છે, જેમાં ધાતુઓ કોઈ ને કોઈ સંયોજન સ્વરૂપે રહેલી હોય, તેને ખનીજ કહે છે.
2. અયસ્ક (Ore): જે ખનીજમાં કોઈ ચોક્કસ ધાતુનું પ્રમાણ ખૂબ જ વધારે હોય અને તેમાંથી ધાતુ સરળતાથી અને સસ્તામાં (ફાયદાકારક રીતે) બહાર કાઢી શકાતી હોય, તેવી ખાસ ખનીજને જ “અયસ્ક” કહેવાય છે.

ધોરણ 10 માટે અગત્યની અયસ્ક (કાચી ધાતુઓ) ના ઉદાહરણો:

ધાતુનું નામ	અયસ્ક (કાચી ધાતુ) નું નામ	અણુસૂત્ર
ઍલ્યુમિનિયમ (Al)	બૉક્સાઈટ (Bauxite)	Al2O3 · 2H2O
લોખંડ / આયર્ન (Fe)	હેમેટાઈટ (Hematite)	Fe2O3
પારો / મર્ક્યુરી (Hg)	સિનાબાર (Cinnabar)	HgS
તાંબુ / કૉપર (Cu)	ક્યુપ્રાઈટ (Cuprite)	Cu2O

ઉદાહરણ તરીકે, જમીનમાંથી મળતો પથ્થર ‘બૉક્સાઈટ’ એ ઍલ્યુમિનિયમની કાચી ધાતુ (અયસ્ક) છે. ફેક્ટરીમાં આ પથ્થર પર રાસાયણિક પ્રક્રિયાઓ કરીને તેમાંથી શુદ્ધ ઍલ્યુમિનિયમ છૂટું પાડવામાં આવે છે.

જવાબ: (c) ઝિંક ટીન કરતાં વધુ પ્રતિક્રિયાત્મક (સક્રિય) છે.
સમજૂતી: ઝિંક (Zn) એ ટીન (Sn) કરતાં વધુ સક્રિય ધાતુ છે. જો ખાદ્યપદાર્થના ડબ્બા પર ઝિંક લગાવવામાં આવે, તો તે ખોરાકમાં રહેલા ઍસિડિક પદાર્થો સાથે પ્રક્રિયા કરીને ઝેરી ક્ષાર બનાવી શકે છે, જેનાથી ખોરાક બગડી જાય છે. ટીન ઓછું સક્રિય હોવાથી તે ખોરાક સાથે પ્રક્રિયા કરતું નથી.

જવાબ (a):

• હથોડીનો ઉપયોગ (ટીપાઉપણું ચકાસવા): આપેલા પદાર્થને હથોડી વડે ટીપો. જો તેમાંથી પતરું બને (તૂટે નહિ), તો તે ધાતુ છે. જો તે તૂટીને ભૂકો થઈ જાય, તો તે અધાતુ છે.
• બૅટરી, ગોળો, તાર (વિદ્યુત વાહકતા ચકાસવા): બૅટરી, બલ્બ અને સ્વિચને તાર વડે જોડીને એક પરિપથ બનાવો. આપેલા પદાર્થને પરિપથમાં જોડો. જો સ્વિચ ચાલુ કરતા બલ્બ પ્રકાશે, તો તે પદાર્થ વિદ્યુતનો સુવાહક એટલે કે ધાતુ છે. જો બલ્બ ન પ્રકાશે તો તે અધાતુ છે.

જવાબ (b) ઉપયોગિતાનું મૂલ્યાંકન: આ ભૌતિક કસોટીઓ સામાન્ય રીતે ધાતુ અને અધાતુને અલગ પાડવા માટે ખૂબ જ સરળ અને ઉપયોગી છે. પરંતુ, તેમાં અપવાદો રહેલા છે (જેમ કે ગ્રેફાઇટ અધાતુ હોવા છતાં વિદ્યુતનું વહન કરે છે). તેથી સંપૂર્ણ અને ચોક્કસ ખાતરી માટે રાસાયણિક ગુણધર્મોની કસોટી કરવી વધુ ભરોસાપાત્ર છે.

જવાબ: જે ધાતુના ઑક્સાઈડ ઍસિડ અને બેઝ એમ બંને સાથે રાસાયણિક પ્રક્રિયા કરીને ક્ષાર અને પાણી ઉત્પન્ન કરે છે, તેવા ઑક્સાઈડને ઉભયગુણી ઑક્સાઈડ (Amphoteric Oxides) કહે છે.
બે ઉદાહરણો:

• ૧. ઍલ્યુમિનિયમ ઑક્સાઈડ (Al₂O₃)
• ૨. ઝિંક ઑક્સાઈડ (ZnO)

જવાબ:
જે ધાતુઓ સક્રિયતા શ્રેણીમાં હાઇડ્રોજન કરતાં ઉપર (વધુ સક્રિય) હોય તે વિસ્થાપન કરે છે, અને જે નીચે હોય તે વિસ્થાપન કરતી નથી.

• વિસ્થાપન કરતી બે ધાતુઓ: મૅગ્નેશિયમ (Mg) અને ઝિંક (Zn). (આયર્ન અને ઍલ્યુમિનિયમ પણ લખી શકાય).
• વિસ્થાપન ન કરતી બે ધાતુઓ: કૉપર / તાંબુ (Cu) અને સિલ્વર / ચાંદી (Ag). (સોનું પણ લખી શકાય).

જવાબ: ધાતુ ‘M’ ને શુદ્ધ કરવા માટેની વ્યવસ્થા નીચે મુજબ હશે:

• ઍનોડ (ધન ધ્રુવ +): અશુદ્ધ ધાતુ ‘M’ નો જાડો સળિયો.
• કૅથોડ (ઋણ ધ્રુવ -): શુદ્ધ ધાતુ ‘M’ ની પાતળી પટ્ટી.
• વિદ્યુતવિભાજ્ય દ્રાવણ: ધાતુ ‘M’ ના ક્ષારનું જલીય દ્રાવણ (જેમ કે જો કૉપર હોય તો CuSO₄ નું દ્રાવણ).

સમજૂતી: સલ્ફર (અધાતુ) ને ગરમ કરતા તે હવામાંના ઑક્સિજન સાથે જોડાઈને સલ્ફર ડાયોક્સાઈડ (SO₂) વાયુ બનાવે છે, જે સ્વભાવે ઍસિડિક છે.

જવાબ (a) વાયુની અસર:

• (i) શુષ્ક લિટમસ પેપર: તેના પર કોઈ જ અસર થશે નહિ (રંગ બદલાશે નહિ). કારણ કે ઍસિડિક ગુણ દર્શાવવા ભેજ (પાણી) જરૂરી છે.
• (ii) ભેજયુક્ત લિટમસ પેપર: SO₂ વાયુ ભેજવાળા ભૂરા લિટમસ પેપરને લાલ બનાવે છે. (કારણ કે તે ઍસિડિક ઑક્સાઈડ છે).

જવાબ (b) રાસાયણિક સમીકરણ:

જવાબ:

• ૧. રંગ (Paint) કરીને કે તેલ/ગ્રીસ લગાવીને: લોખંડની સપાટી પર રંગ કરવાથી કે તેલ લગાવવાથી તે સીધી હવા કે ભેજના સંપર્કમાં આવતું નથી.
• ૨. ગૅલ્વેનાઈઝેશન (Galvanization): લોખંડની વસ્તુ પર તેના કરતાં વધુ સક્રિય ધાતુ ઝિંક (Zn) નું પાતળું પડ ચડાવવાની પ્રક્રિયાથી પણ કાટ અટકાવી શકાય છે.

જવાબ: અધાતુઓ ઑક્સિજન સાથે પ્રક્રિયા કરીને બે પ્રકારના ઑક્સાઈડ બનાવે છે:

• ૧. ઍસિડિક ઑક્સાઈડ: (દા.ત. સલ્ફર ડાયોક્સાઈડ – SO₂, કાર્બન ડાયોક્સાઈડ – CO₂). આ પાણીમાં ઓગળીને ઍસિડ બનાવે છે.
• ૨. તટસ્થ ઑક્સાઈડ: (દા.ત. કાર્બન મોનોક્સાઈડ – CO, પાણી – H₂O). આ લિટમસ પ્રત્યે કોઈ અસર દર્શાવતા નથી.

(a) પ્લેટિનમ, સોનું અને ચાંદી આભૂષણો બનાવવા વપરાય છે.
કારણ: આ ધાતુઓ સક્રિયતા શ્રેણીમાં સૌથી નીચે (ખૂબ જ ઓછી સક્રિય) છે. તેઓ હવા, ભેજ કે ઍસિડ સાથે પ્રક્રિયા કરતી નથી, તેથી તેમને કાટ લાગતો નથી અને તેમનો ચળકાટ લાંબા સમય સુધી જળવાઈ રહે છે. વળી, તે ખૂબ જ તન્ય અને ટીપાઉ હોવાથી તેમાંથી સુંદર ઘરેણાં બનાવી શકાય છે.

(b) સોડિયમ, પોટેશિયમ અને લિથિયમનો તેલ (કેરોસીન) માં સંગ્રહ કરવામાં આવે છે.
કારણ: આ ધાતુઓ અત્યંત સક્રિય (Highly Reactive) છે. જો તેમને હવામાં ખુલ્લી રાખવામાં આવે, તો તે હવાના ઑક્સિજન અને ભેજ સાથે તરત જ તીવ્ર પ્રક્રિયા કરીને સળગી ઊઠે છે (આગ પકડી લે છે). તેમને સુરક્ષિત રાખવા અને હવાના સંપર્કથી બચાવવા તેમને કેરોસીન (તેલ) માં ડુબાડી રાખવામાં આવે છે.

(c) ઍલ્યુમિનિયમ ખૂબ જ પ્રતિક્રિયાત્મક ધાતુ છે તેમ છતાં રસોઈનાં વાસણો બનાવવા માટે વપરાય છે.
કારણ: ઍલ્યુમિનિયમ સક્રિય હોવાથી તે હવામાંના ઑક્સિજન સાથે પ્રક્રિયા કરી પોતાની સપાટી પર ઍલ્યુમિનિયમ ઑક્સાઈડ (Al₂O₃) નું એક પાતળું અને મજબૂત રક્ષણાત્મક પડ બનાવી દે છે. આ પડ અંદર રહેલી ધાતુને વધુ કાટ લાગવાથી બચાવે છે. ઉપરાંત, તે ઉષ્માનું ખૂબ જ સારું સુવાહક છે અને વજનમાં હલકું તથા સસ્તું હોવાથી વાસણો માટે ઉત્તમ છે.

(d) કાર્બોનેટ અને સલ્ફાઈડ અયસ્ક (કાચી ધાતુ) સામાન્ય રીતે નિષ્કર્ષણ દરમિયાન ઑક્સાઈડમાં ફેરવાય છે.
કારણ: ધાતુના કાર્બોનેટ કે સલ્ફાઈડમાંથી સીધી ધાતુ મેળવવી ખૂબ જ મુશ્કેલ છે. તેના બદલે, ધાતુના ઑક્સાઈડમાંથી કાર્બન વડે રિડક્શન કરીને શુદ્ધ ધાતુ મેળવવી અત્યંત સરળ અને સસ્તી પડે છે. તેથી, કેલ્સિનેશન કે ભૂંજન પ્રક્રિયા દ્વારા પહેલા તેમને ઑક્સાઈડમાં ફેરવવામાં આવે છે.

જવાબ: તાંબાનાં (કૉપરનાં) વાસણો હવામાંના ભેજવાળા કાર્બન ડાયોક્સાઈડ સાથે પ્રક્રિયા કરીને સપાટી પર કૉપર કાર્બોનેટ (બેઝિક) નું લીલા રંગનું ઝાંખું પડ બનાવી દે છે.
લીંબુ કે આમલી જેવા ખાટા પદાર્થોમાં ઍસિડ રહેલો હોય છે. જ્યારે આ ઍસિડિક રસ વાસણ પર ઘસવામાં આવે છે, ત્યારે તે બેઝિક કૉપર કાર્બોનેટ સાથે પ્રક્રિયા (તટસ્થીકરણ) કરી તેને ઓગાળીને દૂર કરે છે. આથી તાંબાનું વાસણ ફરીથી નવા જેવું ચમકી ઊઠે છે.

જવાબ:

• ઇલેક્ટ્રૉનની આપ-લે: ધાતુઓ ઇલેક્ટ્રૉન ગુમાવીને ધન આયન (+) બનાવે છે, જ્યારે અધાતુઓ ઇલેક્ટ્રૉન મેળવીને ઋણ આયન (-) બનાવે છે.
• ઑક્સાઈડનો સ્વભાવ: ધાતુઓના ઑક્સાઈડ મોટેભાગે બેઝિક (અથવા ઉભયગુણી) હોય છે. અધાતુઓના ઑક્સાઈડ ઍસિડિક (અથવા તટસ્થ) હોય છે.
• ઍસિડ સાથે પ્રક્રિયા: ધાતુઓ મંદ ઍસિડ સાથે પ્રક્રિયા કરી હાઇડ્રોજન (H₂) વાયુ મુક્ત કરે છે. અધાતુઓ મંદ ઍસિડ સાથે પ્રક્રિયા કરતી નથી (H₂ વાયુ મુક્ત કરતી નથી).

જવાબ: તે ઠગ વ્યક્તિએ ઉપયોગમાં લીધેલું દ્રાવણ ‘એક્વા રેજિયા’ (Aqua Regia / અમ્લરાજ) હશે.
આ દ્રાવણ સાંદ્ર હાઇડ્રોક્લોરિક ઍસિડ (HCl) અને સાંદ્ર નાઈટ્રિક ઍસિડ (HNO₃) નું કદથી ૩:૧ (3:1) ના પ્રમાણમાં બનાવેલું તાજું મિશ્રણ છે.

સોનું એવી ધાતુ છે જે સામાન્ય ઍસિડમાં ઓગળતી નથી, પરંતુ આ ‘એક્વા રેજિયા’ માં સોનાને ઓગાળી શકવાની તાકાત હોય છે. તેથી, જ્યારે બંગડીઓ તેમાં ડુબાડવામાં આવી, ત્યારે બંગડીનું ઉપરનું સોનાનું પડ ઓગળીને દ્રાવણમાં જતું રહ્યું. આથી અંદરની નવી સપાટી ચમકવા લાગી, પણ સોનું ઓગળી જવાના કારણે બંગડીઓના વજનમાં નોંધપાત્ર ઘટાડો થયો.

જવાબ: આની પાછળ બે મુખ્ય વૈજ્ઞાનિક કારણો છે:

• ૧. ઉષ્મા વાહકતા: કૉપર (તાંબુ) એ સ્ટીલ (લોખંડની મિશ્રધાતુ) કરતાં ઉષ્માનું ખૂબ જ સારું સુવાહક છે, તેથી પાણી ઝડપથી ગરમ થાય છે.
• ૨. રાસાયણિક પ્રતિક્રિયા (મુખ્ય કારણ): કૉપર એ ઠંડા કે ગરમ પાણી, અરે ગરમ પાણીની વરાળ સાથે પણ કોઈ જ રાસાયણિક પ્રક્રિયા કરતું નથી. જ્યારે સ્ટીલમાં મુખ્ય ભાગ લોખંડ (Fe) નો હોય છે. લોખંડ ગરમ પાણીની વરાળ સાથે ધીમી પ્રક્રિયા કરી આયર્ન ઑક્સાઈડ (Fe₃O₄) – એટલે કે કાટ બનાવે છે અને હાઇડ્રોજન વાયુ મુક્ત કરે છે. આનાથી સ્ટીલની ટાંકી જલ્દી ખવાઈ જાય છે.