हैबर-बॉश प्रक्रिया

16.10.2024

हैबर-बॉश प्रक्रिया                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                   

खबरों में क्यों?

सौ मिलियन टन नाइट्रोजन को अब वायुमंडल से हटा दिया गया है और हेबर-बॉश प्रक्रिया के माध्यम से उर्वरक में परिवर्तित कर दिया गया है, जिससे मिट्टी में 165 मिलियन टन प्रतिक्रियाशील नाइट्रोजन जुड़ गया है।

नाइट्रोजन अणु क्या है?

• पृथ्वी की सतह के प्रत्येक वर्ग मीटर पर लगभग आठ मीट्रिक टन नाइट्रोजन मौजूद है, फिर भी यह घास के एक तिनके को भी नहीं खिला सकता है। हवा में नाइट्रोजन अधिकतर N2 के रूप में होती है। जब दो नाइट्रोजन परमाणु एक साथ जुड़ते हैं, तो वे तीन जोड़े इलेक्ट्रॉनों को साझा करके एक ट्रिपल बॉन्ड बनाते हैं, जिससे अणु लगभग अटूट हो जाता है।
• नाइट्रोजन त्रिबंध को तोड़ने के लिए आवश्यक ऊर्जा इतनी अधिक है कि आणविक नाइट्रोजन लगभग निष्क्रिय है। लेकिन यदि बंधन टूट जाता है, तो परमाणु नाइट्रोजन आयनिक नाइट्राइड जैसे अमोनिया (NH3), अमोनियम (NH4+), या नाइट्रेट (NO3–) बना सकता है। पौधों को एंजाइम, प्रोटीन और अमीनो एसिड को संश्लेषित करने के लिए इस प्रकार के नाइट्रोजन की आवश्यकता होती है, जिसे प्रतिक्रियाशील नाइट्रोजन कहा जाता है।

प्रकृति में नाइट्रोजन किस प्रकार प्राप्त होती है?

• प्राकृतिक चीजों में, केवल बिजली में ही N2 ट्रिपल बॉन्ड को नष्ट करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा होती है। बिजली के बोल्ट में, हवा में नाइट्रोजन ऑक्सीजन के साथ मिलकर NO और NO2 जैसे नाइट्रोजन ऑक्साइड उत्पन्न करती है। फिर वे जलवाष्प के साथ मिलकर नाइट्रिक और नाइट्रस एसिड (क्रमशः HNO3 और HNO2) बना सकते हैं। बारिश होने पर प्रतिक्रियाशील नाइट्रोजन युक्त बूंदें मिट्टी को उर्वर बनाती हैं।
• बिजली के अलावा, एज़ोटोबैक्टर बैक्टीरिया द्वारा की गई एक सौम्य चयापचय प्रक्रिया भी प्रतिक्रियाशील नाइट्रोजन बना सकती है। राइजोबिया जैसे कुछ सूक्ष्मजीवों ने पोषण के बदले प्रतिक्रियाशील नाइट्रोजन प्रदान करने के लिए फलियां पौधों (तिपतिया घास, मटर, सेम, अल्फाल्फा और बबूल) के साथ सहजीवी संबंध विकसित किए हैं।

नाइट्रोजन चक्र क्या है?

• पौधे आमतौर पर अपनी प्रतिक्रियाशील नाइट्रोजन मिट्टी से प्राप्त करते हैं, जहां वे पानी में घुले खनिजों जैसे अमोनियम (NH4+) और नाइट्रेट (NO3-) को अवशोषित करते हैं।
• मनुष्यों और जानवरों को पौधों से नौ पूर्व-निर्मित नाइट्रोजन युक्त अमीनो एसिड की आवश्यकता होती है। पौधों और जानवरों द्वारा ग्रहण की गई नाइट्रोजन मलमूत्र और शवों के अपघटन के माध्यम से मिट्टी में वापस आ जाती है। लेकिन चक्र अधूरा है: कुछ नाइट्रोजन आणविक रूप में वापस पर्यावरण में छोड़ दी जाती है।
• हालाँकि फलियाँ स्वतंत्र रूप से नाइट्रोजन का उत्पादन कर सकती हैं, महत्वपूर्ण खाद्य फसलें मिट्टी से नाइट्रोजन खींचती हैं। जैसे-जैसे मानव आबादी बढ़ती है, कृषि मिट्टी में नाइट्रोजन तेजी से कम हो जाती है, जिसकी भरपाई के लिए उर्वरकों की आवश्यकता होती है।

अमोनिया कैसे बनता है?

• अमोनिया (NH3) नाइट्रोजन और हाइड्रोजन से बना है, ये दोनों प्राकृतिक रूप से दो-परमाणु अणुओं के रूप में मौजूद हैं। अत्यधिक गर्मी के तहत, अणु अलग हो जाते हैं और एक यौगिक बनाते हैं, लेकिन गर्मी के कारण यह अल्पकालिक होता है। प्रतिवर्ती प्रतिक्रिया N2 + 3H2 = 2NH3 ('=' चिह्न का उपयोग यहां द्विदिश तीरों के लिए स्टैंड-इन के रूप में किया गया है) को काफी मात्रा में अमोनिया प्राप्त करने के लिए विशिष्ट परिस्थितियों में बनाए रखा जाना चाहिए।
• जर्मन रसायनज्ञ फ्रिट्ज़ हैबर ने N2-H2 संयोजन को विभिन्न तापमानों पर गर्म किया और निर्मित अमोनिया की मात्रा की गणना की। 1,000 डिग्री सेल्सियस पर, हैबर ने पाया कि कटाई योग्य अमोनिया मिश्रण के 1% का केवल सौवां हिस्सा बनाता है।
• तब हैबर को आश्चर्य हुआ कि क्या दबाव इसका उत्तर हो सकता है। उन्होंने गणना की कि हाइड्रोजन और नाइट्रोजन केवल चरम स्थितियों में ही एकजुट रहेंगे: 200 डिग्री सेल्सियस का तापमान और 200 एटीएम का दबाव (यानी, समुद्र तल पर औसत वायु दबाव का 200 गुना)। लेकिन अमोनिया उत्पादन दर अभी भी बहुत धीमी थी, इसलिए हैबर एक उत्प्रेरक चाहता था। उन्होंने यह भी महसूस किया कि यदि वह अमोनिया को तरल अवस्था में ठंडा कर सकते हैं, तो वे इसका अधिकांश भाग एकत्र कर सकते हैं।

हैबर-बॉश प्रक्रिया क्या है?

• रॉबर्ट ले रॉसिग्नोल, हैबर की प्रयोगशाला में शामिल हो गए और प्रतिक्रिया कक्ष में उच्च दबाव बनाए रखने की इंजीनियरिंग चुनौती को हल किया, जबकि मैकेनिक फ्रेडरिक किर्चेनबाउर ने आवश्यक उपकरण बनाए। हैबर ने अपने नोबेल पुरस्कार भाषण में, उनके साथ पेटेंट और पुरस्कार राशि साझा करते हुए, दोनों को स्वीकार किया।
• गर्म हाइड्रोजन और नाइट्रोजन का संयोजन 200 एटीएम के दबाव पर एक स्टील कक्ष में प्रसारित होगा। चैम्बर में एक वाल्व था जो N2-H2 मिश्रण को गुजरने की अनुमति देते हुए उच्च दबाव का सामना कर सकता था। हैबर ने यह सुनिश्चित करने के लिए एक कोंटरापशन भी बनाया कि प्रतिक्रिया कक्ष से निकलने वाली गर्म गैसें अपनी गर्मी को ठंडी आने वाली गैसों तक पहुंचाती हैं। इस प्रकार प्रस्थान करने वाला संयोजन तेजी से ठंडा हो जाएगा जबकि ग्रहण की गई गैस गर्म हो जाएगी, जिससे एक ही समय में दो उद्देश्य प्राप्त होंगे।
• हैबर ने जल्द ही उत्प्रेरकों का परीक्षण शुरू कर दिया। एक था ऑस्मियम, एक दुर्लभ और सघन धातु जो पृथ्वी पर सूक्ष्म स्तर पर पाई जाती है। जब हैबर ने चैम्बर में एक ऑस्मियम शीट डाली, उसे N2-H2 मिश्रण से भर दिया, और उन्हें गर्म किया, तो नाइट्रोजन ट्रिपल बॉन्ड टूट गया, जिससे प्रतिक्रियाशील नाइट्रोजन हाइड्रोजन के साथ फ्यूज हो गई और बड़ी मात्रा में अमोनिया का उत्पादन हुआ।
• हैबर ने यूरेनियम का परीक्षण किया जो अच्छा काम भी किया। हालाँकि ऑस्मियम और यूरेनियम दोनों बहुत महंगे थे। जब एक जर्मन कंपनी बैडिशे अनिलिन- अंड सोडा-फैब्रिक (बीएएसएफ) ने हैबर के प्रयोग को फैक्ट्री-स्केल ऑपरेशन में अपग्रेड करने का फैसला किया, तो उसने आसानी से उपलब्ध उत्प्रेरक की तलाश की और पाया कि कुछ लौह ऑक्साइड अच्छे उत्प्रेरक थे। अंततः, बीएएसएफ के कार्ल बॉश की कुछ शानदार इंजीनियरिंग ने हैबर के टेबलटॉप सेटअप को उर्वरक उत्पादन की औद्योगिक प्रक्रिया में बदल दिया।

                                                                 स्रोत: द हिंदू