ধাতুবিদ্যা

ধাতু ও তাদের ব্যবহার – লোহা (Iron, Fe)

লোহা একটি অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ ও বহুল ব্যবহৃত ধাতু। এটি শক্ত, টেকসই এবং তুলনামূলকভাবে সস্তা হওয়ায় মানুষের দৈনন্দিন জীবনে লোহার ব্যবহার খুব বেশি।

লোহার প্রকারভেদ (কার্বনের পরিমাণ অনুযায়ী):
• কাস্ট আয়রন (Cast Iron): এতে কার্বনের পরিমাণ বেশি থাকে। এটি খুব শক্ত হলেও ভঙ্গুর প্রকৃতির।
• স্টিল (Steel): এতে মাঝারি পরিমাণ কার্বন থাকে। এটি শক্ত, টেকসই এবং বহুল ব্যবহৃত।
• রট আয়রন (Wrought Iron): এতে কার্বনের পরিমাণ খুব কম থাকে। এটি তুলনামূলকভাবে বেশি বিশুদ্ধ ও নমনীয়।

লোহার ব্যবহার:
• রেললাইন, সেতু ও বড়ো বড়ো ভবন নির্মাণে
• বিভিন্ন যন্ত্রপাতি, ট্র্যাক্টর, গাড়ি ও জাহাজ তৈরিতে
• অস্ত্রোপচারের যন্ত্রপাতি ও শিল্পকারখানায়
• পাইপ, রড, পেরেক, চেইন এবং গৃহস্থালির নানা সামগ্রী তৈরিতে

ধাতু ও তাদের ব্যবহার – তামা (Copper, Cu)

তামা একটি অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ ধাতু। এটি লালচে বর্ণের, নরম প্রকৃতির এবং তাপ ও তড়িৎ পরিবাহিতায় খুবই দক্ষ। এই গুণগুলির জন্য তামার ব্যবহার দৈনন্দিন জীবন ও শিল্পক্ষেত্রে অত্যন্ত বেশি।

তামার প্রধান ধর্ম:
• তাপ ও তড়িৎ-এর খুব ভালো পরিবাহী
• সহজে পাত ও তারে পরিণত করা যায় (নমনীয় ও প্রসারণশীল)
• বায়ুতে ধীরে ধীরে বিক্রিয়া করে সবুজ আস্তরণ তৈরি করে

তামার ব্যবহার:
• বৈদ্যুতিক তার, কেবল ও বিভিন্ন বৈদ্যুতিক যন্ত্রপাতি তৈরিতে
• রান্নার বাসনপত্র, ক্যালোরিমিটার ও বয়লার তৈরিতে
• মুদ্রা তৈরিতে
• সংকর ধাতু যেমন পিতল, কাঁসা ও জার্মান সিলভার তৈরিতে

ধাতু ও তাদের ব্যবহার – দস্তা / জিঙ্ক (Zinc, Zn)

দস্তা বা জিঙ্ক একটি গুরুত্বপূর্ণ ধাতু। এটি নীলচে-সাদা বর্ণের এবং তুলনামূলকভাবে সক্রিয় ধাতু হওয়ায় শিল্পক্ষেত্র ও দৈনন্দিন জীবনে এর ব্যবহার ব্যাপক।

দস্তার প্রধান ধর্ম:
• বায়ুতে ধীরে ধীরে বিক্রিয়া করে সাদা আস্তরণ সৃষ্টি করে
• লোহার তুলনায় বেশি সক্রিয় হওয়ায় লোহাকে মরচে পড়া থেকে রক্ষা করে
• সহজে সংকর ধাতু গঠনে সক্ষম

দস্তার ব্যবহার:
• গ্যালভানাইজেশন প্রক্রিয়ায় লোহার উপর প্রলেপ দিতে
• ড্রাই সেল ও বিভিন্ন বৈদ্যুতিক কোশে
• সংকর ধাতু যেমন পিতল ও জার্মান সিলভার তৈরিতে
• ছাপার ব্লক ও মুদ্রা তৈরিতে

ধাতু ও তাদের ব্যবহার – অ্যালুমিনিয়াম (Aluminium, Al)

অ্যালুমিনিয়াম একটি হালকা, রূপালি-সাদা বর্ণের ধাতু। এটি শক্ত হলেও ওজনে হালকা এবং তাপ ও তড়িৎ পরিবাহিতায় ভালো হওয়ায় আধুনিক শিল্প ও দৈনন্দিন জীবনে অ্যালুমিনিয়ামের ব্যবহার অত্যন্ত বেশি।

অ্যালুমিনিয়ামের প্রধান ধর্ম:
• ওজনে খুব হালকা কিন্তু শক্ত ধাতু
• তাপ ও তড়িৎ-এর ভালো পরিবাহী
• বায়ুর সংস্পর্শে নিজের উপর অক্সাইডের স্তর তৈরি করে নিজেকে রক্ষা করে (Self-protecting metal)
• উচ্চ তাপমাত্রায় শক্ত বিজারক হিসেবে কাজ করে

অ্যালুমিনিয়ামের ব্যবহার:
• বিমান, মোটরগাড়ি ও অন্যান্য যানবাহনের কাঠামো নির্মাণে
• বৈদ্যুতিক তার ও বিভিন্ন বৈদ্যুতিক যন্ত্রপাতি তৈরিতে
• রান্নার বাসনপত্র, প্যাকেট ও ফয়েল তৈরিতে
• থার্মিট পদ্ধতিতে লোহা, ম্যাঙ্গানিজ ও ক্রোমিয়াম নিষ্কাশনে বিজারক হিসেবে

সংকর ধাতু (Alloy)

দুই বা ততোধিক ধাতু অথবা ধাতুর সঙ্গে সামান্য পরিমাণে অধাতু মিশে যে কঠিন পদার্থ তৈরি হয়, তাকে সংকর ধাতু বলা হয়। সংকর ধাতু দেখতে একটিমাত্র ধাতুর মতো হলেও এর গুণাগুণ মূল ধাতুর তুলনায় উন্নত হয়।

সংকর ধাতু তৈরির উদ্দেশ্য:
• ধাতুর শক্তি ও স্থায়িত্ব বৃদ্ধি করা
• মরচে বা ক্ষয় কমানো
• তাপ ও তড়িৎ পরিবাহিতা নিয়ন্ত্রণ করা
• ধাতুকে দৈনন্দিন ব্যবহারের জন্য আরও উপযোগী করে তোলা

সংকর ধাতুর উদাহরণ:
• পিতল: তামা + দস্তা
• কাঁসা: তামা + টিন
• স্টেনলেস স্টিল: লোহা + ক্রোমিয়াম + নিকেল
• ডুরালুমিন: অ্যালুমিনিয়াম + তামা + ম্যাগনেশিয়াম + ম্যাঙ্গানিজ

খনিজ ও আকরিক

খনিজ (Mineral):
প্রকৃতিতে ধাতু সাধারণত মুক্ত অবস্থায় পাওয়া যায় না। ধাতু বিভিন্ন অজৈব যৌগের আকারে মাটি, বালি বা শিলার সঙ্গে মিশে ভূগর্ভে বা ভূপৃষ্ঠে যে অবস্থায় থাকে, তাকে খনিজ বলা হয়।

অর্থাৎ, যে সব প্রাকৃতিক পদার্থে ধাতু যৌগ আকারে উপস্থিত থাকে, সেগুলিকেই খনিজ বলা হয়।

আকরিক (Ore):
যে সব খনিজ থেকে সহজে, কম খরচে এবং বাণিজ্যিকভাবে লাভজনক উপায়ে ধাতু নিষ্কাশন করা যায়, সেই খনিজগুলিকে সংশ্লিষ্ট ধাতুর আকরিক বলা হয়।

অর্থাৎ, সব খনিজ আকরিক নয়, কিন্তু যে খনিজ থেকে ধাতু সহজে পাওয়া যায় সেটিই আকরিক হিসেবে গণ্য হয়।

গুরুত্বপূর্ণ কথা:
• সব আকরিকই খনিজ, কিন্তু সব খনিজ আকরিক নয়।
• আকরিক থেকে ধাতু নিষ্কাশন করা সহজ ও সাশ্রয়ী হয়।

প্রধান আকরিক (সংকেতসহ)

বিভিন্ন ধাতু প্রকৃতিতে সাধারণত আকরিক আকারে পাওয়া যায়। নীচে কয়েকটি গুরুত্বপূর্ণ ধাতু ও তাদের প্রধান আকরিকের নাম ও রাসায়নিক সংকেত সহজভাবে তুলে ধরা হলো।

লোহার (Iron, Fe) প্রধান আকরিক:
• রেড হেমাটাইট – Fe₂O₃
• ম্যাগনেটাইট – Fe₃O₄

তামার (Copper, Cu) প্রধান আকরিক:
• কপার গ্লান্স – Cu₂S
• ম্যালাকাইট – CuCO₃·Cu(OH)₂

দস্তা / জিঙ্কের (Zinc, Zn) প্রধান আকরিক:
• জিংক ব্লেন্ড – ZnS
• ক্যালামাইন – ZnCO₃

অ্যালুমিনিয়ামের (Aluminium, Al) প্রধান আকরিক:
• বক্সাইট – Al₂O₃·2H₂O
• ক্রায়োলাইট – AlF₃·3NaF

জারণ ও বিজারণ (Electron Theory)

আধুনিক ইলেকট্রনীয় তত্ত্ব অনুযায়ী রাসায়নিক বিক্রিয়ায় জারণ ও বিজারণকে ইলেকট্রনের আদান–প্রদানের মাধ্যমে ব্যাখ্যা করা হয়।

জারণ (Oxidation):
যে রাসায়নিক বিক্রিয়ায় কোনো পরমাণু বা আয়ন এক বা একাধিক ইলেকট্রন ত্যাগ করে, তাকে জারণ বলে। জারণ ঘটলে সংশ্লিষ্ট পরমাণু বা আয়নের ইলেকট্রনের সংখ্যা কমে যায়।

উদাহরণ:
Fe → Fe²⁺ + 2e⁻

বিজারণ (Reduction):
যে রাসায়নিক বিক্রিয়ায় কোনো পরমাণু বা আয়ন এক বা একাধিক ইলেকট্রন গ্রহণ করে, তাকে বিজারণ বলে। বিজারণ ঘটলে সংশ্লিষ্ট পরমাণু বা আয়নের ইলেকট্রনের সংখ্যা বৃদ্ধি পায়।

উদাহরণ:
Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu

গুরুত্বপূর্ণ কথা:
• জারণ ও বিজারণ কখনও আলাদা ভাবে ঘটে না।
• কোনো একটি পদার্থ জারিত হলে অন্য একটি পদার্থ অবশ্যই বিজারিত হয়।
• অর্থাৎ, প্রতিটি জারণ–বিজারণ বিক্রিয়ায় জারণ ও বিজারণ একসাথে ঘটে।

ধাতু নিষ্কাশনের মূল নীতি

আকরিক থেকে ধাতু পাওয়ার জন্য যে মৌলিক ধারণার উপর ধাতু নিষ্কাশনের সমস্ত পদ্ধতি নির্ভর করে, তাকেই ধাতু নিষ্কাশনের মূল নীতি বলা হয়।

মূল নীতি:
আকরিক হলো ধাতুর একটি যৌগ, যেখানে ধাতু ধনাত্মক আয়ন (ক্যাটায়ন) রূপে থাকে। ধাতু নিষ্কাশনের সময় এই ধনাত্মক ধাতব আয়ন ইলেকট্রন গ্রহণ করে মুক্ত ধাতুতে পরিণত হয়।

অর্থাৎ, ধাতু নিষ্কাশন প্রক্রিয়াটি মূলত একটি বিজারণ (Reduction) প্রক্রিয়া।

সাধারণ সমীকরণ:
Mⁿ⁺ + ne⁻ → M

এখানে Mⁿ⁺ হলো আকরিকে উপস্থিত ধাতব আয়ন এবং M হলো মুক্ত ধাতু।

ধাতু নিষ্কাশনের পদ্ধতি

আকরিক থেকে ধাতু পাওয়ার জন্য ধাতুর সক্রিয়তা ও আকরিকের প্রকৃতির উপর ভিত্তি করে বিভিন্ন ধাতু নিষ্কাশনের পদ্ধতি ব্যবহার করা হয়। এই পদ্ধতিগুলির মূল উদ্দেশ্য হলো ধাতব আয়নকে বিজারণের মাধ্যমে মুক্ত ধাতুতে রূপান্তর করা।

১. কার্বন-বিজারণ পদ্ধতি (Carbon Reduction Method):
যেসব ধাতু মধ্যম সক্রিয় প্রকৃতির (যেমন—লোহা, দস্তা), তাদের অক্সাইডকে উচ্চ তাপমাত্রায় কার্বন বা কোকের সাহায্যে বিজারিত করে ধাতু নিষ্কাশন করা হয়।

সাধারণ সমীকরণ:
MO + C → M + CO

২. থার্মিট পদ্ধতি (Thermit Method):
এই পদ্ধতিতে অ্যালুমিনিয়ামকে বিজারক হিসেবে ব্যবহার করে ধাতব অক্সাইড থেকে ধাতু নিষ্কাশন করা হয়। এটি অত্যন্ত উচ্চ তাপমাত্রায় ঘটে।

উদাহরণ:
Fe₂O₃ + 2Al → 2Fe + Al₂O₃ + তাপ

৩. স্বতঃবিজারণ পদ্ধতি (Self Reduction Method):
এই পদ্ধতিতে বাইরে থেকে কোনো বিজারক যোগ করা হয় না। আকরিকের এক অংশ অক্সাইডে পরিণত হয়ে অপর অংশের সালফাইডকে বিজারিত করে ধাতু উৎপন্ন করে।

উদাহরণ:
Cu₂S + 2CuO → 6Cu + SO₂

৪. তড়িৎ বিজারণ পদ্ধতি (Electrolytic Reduction):
যেসব ধাতু অত্যন্ত সক্রিয় (যেমন—সোডিয়াম, পটাশিয়াম, অ্যালুমিনিয়াম), তাদের গলিত যৌগের তড়িৎ বিশ্লেষণের মাধ্যমে ধাতু নিষ্কাশন করা হয়। এই পদ্ধতিতে ক্যাথোডে ধাতু জমা হয়।

ধাতুর ক্ষয় (Corrosion)

ধাতুকে দীর্ঘদিন খোলা বাতাসে বা আর্দ্র পরিবেশে রাখলে ধাতু ধীরে ধীরে তার গুণাগুণ হারায়। এই প্রক্রিয়াকেই ধাতুর ক্ষয় বা Corrosion বলা হয়।

ধাতুর ক্ষয় কী?
ধাতু যখন বাতাসে উপস্থিত অক্সিজেন, জলীয় বাষ্প, কার্বন ডাই-অক্সাইড ইত্যাদির সঙ্গে রাসায়নিক বিক্রিয়ায় অংশগ্রহণ করে, তখন ধাতুর উপর অক্সাইড, সালফাইড বা কার্বনেটের আস্তরণ তৈরি হয়। এর ফলে ধাতু ধীরে ধীরে নষ্ট হয়ে যায়।

লোহার ক্ষয় (মরচে পড়া):
লোহার ক্ষেত্রে ধাতুর ক্ষয়কে মরচে পড়া বলা হয়। লোহা আর্দ্র বায়ুতে অক্সিজেন ও জলের উপস্থিতিতে লালচে-বাদামি রঙের একটি আস্তরণ তৈরি করে, যাকে মরচে বলা হয়।

মরচে হলো সোদক ফেরিক অক্সাইড, যার সাধারণ সংকেত — Fe₂O₃·xH₂O

মরচে পড়ার প্রয়োজনীয় শর্ত:
• অক্সিজেনের উপস্থিতি
• জলীয় বাষ্প বা জলের উপস্থিতি
• লোহার মধ্যে অশুদ্ধির উপস্থিতি

ধাতুর ক্ষয়ের উদাহরণ:
• লোহার গেট বা রেলিংয়ে মরচে পড়া
• তামার উপর সবুজ আস্তরণ সৃষ্টি হওয়া
• জিঙ্কের উপর সাদা আস্তরণ পড়া

মরচে নিবারণের উপায়

লোহার উপর মরচে পড়লে ধাতু দুর্বল হয়ে যায় এবং এর ব্যবহারযোগ্যতা কমে যায়। তাই লোহাকে মরচে থেকে রক্ষা করা অত্যন্ত প্রয়োজনীয়। নিচে মরচে নিবারণের প্রধান উপায়গুলি সহজভাবে আলোচনা করা হলো।

১. রং, তেল বা আলকাতরার প্রলেপ দেওয়া:
লোহার উপর রং, তেল, গ্রিজ বা আলকাতরার প্রলেপ দিলে লোহা বাতাস ও জলের সংস্পর্শে আসতে পারে না। ফলে মরচে পড়া রোধ করা যায়।

২. গ্যালভানাইজেশন:
এই পদ্ধতিতে লোহার উপর গলিত দস্তা (জিঙ্ক)-এর পাতলা প্রলেপ দেওয়া হয়। দস্তা লোহার চেয়ে বেশি সক্রিয় হওয়ায় আগে নিজেই জারিত হয় এবং লোহাকে মরচে পড়া থেকে রক্ষা করে।

৩. টিন প্লেটিং:
লোহার উপর টিনের প্রলেপ দেওয়াকে টিন প্লেটিং বলে। এতে লোহা সরাসরি বাতাস ও জলের সংস্পর্শে আসে না, ফলে মরচে পড়া কমে যায়।

৪. তড়িৎলেপন (Electroplating):
তড়িৎ বিশ্লেষণ পদ্ধতিতে লোহার উপর নিকেল, ক্রোমিয়াম বা তামার মতো ধাতুর প্রলেপ দেওয়া হয়। এতে লোহা ক্ষয় থেকে সুরক্ষিত থাকে এবং দেখতে সুন্দরও হয়।

৫. ক্যাথোডীয় সংরক্ষণ:
এই পদ্ধতিতে লোহার সঙ্গে ম্যাগনেশিয়াম বা জিঙ্কের মতো বেশি সক্রিয় ধাতু যুক্ত করা হয়। বেশি সক্রিয় ধাতুটি আগে জারিত হয় এবং লোহা মরচে পড়া থেকে রক্ষা পায়।

৬. সংকর ধাতু ব্যবহার:
লোহাকে সংকর ধাতুতে (যেমন—স্টেনলেস স্টিল) রূপান্তর করলে মরচে পড়ার সম্ভাবনা অনেক কমে যায়।

অন্যান্য ধাতুর ক্ষয়

লোহার মতো অন্যান্য ধাতুও দীর্ঘদিন খোলা বাতাসে বা আর্দ্র পরিবেশে থাকলে ধীরে ধীরে ক্ষয়প্রাপ্ত হয়। তবে সব ধাতুর ক্ষয়ের ধরন একরকম নয়। নিচে কয়েকটি গুরুত্বপূর্ণ ধাতুর ক্ষয় সম্পর্কে সহজভাবে আলোচনা করা হলো।

তামার ক্ষয়:
তামা দীর্ঘদিন আর্দ্র বায়ুতে থাকলে বায়ুর অক্সিজেন, কার্বন ডাই-অক্সাইড ও জলীয় বাষ্পের সঙ্গে বিক্রিয়া করে তামার উপর সবুজ রঙের একটি আস্তরণ তৈরি করে। এই সবুজ আস্তরণকে প্যাটিনা (Patina) বলা হয়।

এই আস্তরণটি মূলত ক্ষারীয় কপার কার্বনেট দ্বারা গঠিত এবং এটি তামার ক্ষয়ের একটি পরিচিত উদাহরণ।

দস্তা (জিঙ্ক)-এর ক্ষয়:
দস্তা আর্দ্র বায়ুতে থাকলে তার উপর ধীরে ধীরে সাদা রঙের একটি আস্তরণ পড়ে। এই আস্তরণটি ক্ষারীয় জিঙ্ক কার্বনেট দ্বারা গঠিত। এর ফলে দস্তার উজ্জ্বলতা নষ্ট হয় এবং ধাতু ক্ষয়প্রাপ্ত হয়।

অ্যালুমিনিয়ামের ক্ষয়:
অ্যালুমিনিয়াম বায়ুর সংস্পর্শে এলে তার উপর খুব দ্রুত অ্যালুমিনিয়াম অক্সাইডের একটি পাতলা সাদা আস্তরণ তৈরি হয়। এই আস্তরণটি অ্যালুমিনিয়ামকে পরবর্তী ক্ষয় থেকে রক্ষা করে। তাই অ্যালুমিনিয়ামকে Self-protecting metal বলা হয়।

এই কারণে অ্যালুমিনিয়ামের ক্ষয় তুলনামূলকভাবে খুব কম হয়।