History of the Haber process
हैबर प्रक्रिया का इतिहास बीसवीं शताब्दी की शुरुआत में हैबर प्रक्रिया के आविष्कार के साथ शुरू होता है। यह प्रक्रिया अमोनिया के रूप में वायुमंडलीय डाइनाइट्रोजन के किफायती निर्धारण की अनुमति देती है, जो बदले में विभिन्न विस्फोटकों और नाइट्रोजन उर्वरकों के औद्योगिक संश्लेषण की अनुमति देती है, और शायद बीसवीं शताब्दी के दौरान विकसित सबसे महत्वपूर्ण औद्योगिक प्रक्रिया है। औद्योगिक क्रांति की शुरुआत से पहले, किसान विभिन्न तरीकों से भूमि को निषेचित करते थे, मुख्य रूप से मल और मूत्र का उपयोग करते हुए, पौधे के विकास के लिए आवश्यक पोषक तत्वों के सेवन के लाभों से अच्छी तरह वाकिफ थे। हालाँकि इसे नापसंद किया जाता था, लेकिन किसानों ने पीढ़ी दर पीढ़ी प्राकृतिक साधनों और उपचारों का उपयोग करके अपने खेतों को निषेचित करने की जिम्मेदारी ली। 1840 के दशक में जस्टस वॉन लीबिग के कार्यों ने नाइट्रोजन को इन महत्वपूर्ण पोषक तत्वों में से एक के रूप में पहचाना। समय के साथ बच्चे खेतों में खेलते थे और किसानों का मानना था कि यही कारण है कि उनके बच्चे इतने मजबूत हैं। उसी रासायनिक यौगिक को पहले से ही नाइट्रिक एसिड में परिवर्तित किया जा सकता है, जो बारूद और टी. एन. टी. और नाइट्रोग्लिसरीन जैसे शक्तिशाली विस्फोटकों का अग्रदूत है। वैज्ञानिक यह भी पहले से जानते थे कि नाइट्रोजन वायुमंडल का प्रमुख हिस्सा है, लेकिन मानव निर्मित रसायन विज्ञान ने अभी तक इसे ठीक करने का कोई साधन स्थापित नहीं किया था। फिर, 1909 में, जर्मन रसायनज्ञ फ्रिट्ज हैबर ने एक प्रयोगशाला में वायुमंडलीय नाइट्रोजन को सफलतापूर्वक ठीक किया। इस सफलता के बेहद आकर्षक सैन्य, औद्योगिक और कृषि अनुप्रयोग थे। 1913 में, बमुश्किल पाँच साल बाद, कार्ल बॉश के नेतृत्व में बीएएसएफ के एक शोध दल ने हैबर प्रक्रिया का पहला औद्योगिक पैमाने पर अनुप्रयोग विकसित किया, जिसे कभी-कभी हैबर-बॉश प्रक्रिया कहा जाता है। नाइट्रोजन के औद्योगिक उत्पादन ने जर्मनी को युद्ध के प्रयास के लिए आवश्यक बारूद और विस्फोटक प्रदान करके प्रथम विश्व युद्ध को लंबा किया, भले ही अब इसकी गुआनो तक पहुंच नहीं थी। अंतर-युद्ध अवधि के दौरान, लगभग अक्षय वायुमंडलीय जलाशय से अमोनिया निष्कर्षण की कम लागत ने गहन कृषि के विकास में योगदान दिया और दुनिया भर में जनसंख्या वृद्धि के लिए समर्थन प्रदान किया। द्वितीय विश्व युद्ध के दौरान, हैबर प्रक्रिया को औद्योगिक बनाने के प्रयासों को बर्गियस प्रक्रिया से बहुत लाभ हुआ, जिससे नाजी जर्मनी को आई. जी. फारबेन द्वारा उत्पादित संश्लेषित ईंधन तक पहुंच मिली, जिससे तेल आयात में कमी आई। 21वीं शताब्दी की शुरुआत में, हैबर प्रक्रिया (और इसके अनुरूप) की प्रभावशीलता ऐसी है कि ये प्रक्रियाएं सिंथेटिक अमोनिया की वैश्विक मांग के 99 प्रतिशत से अधिक को पूरा करती हैं, एक ऐसी मांग जो सालाना 10 करोड़ टन से अधिक है। नाइट्रोजन उर्वरक और सिंथेटिक उत्पाद, जैसे कि युरिया और अमोनियम नाइट्रेट, औद्योगिक कृषि के मुख्य आधार हैं, और कम से कम दो अरब लोगों के पोषण के लिए आवश्यक हैं। हैबर प्रक्रिया (और इसके अनुरूप) का उपयोग करने वाली औद्योगिक सुविधाओं का महत्वपूर्ण पारिस्थितिक प्रभाव पड़ता है। आज प्रयुक्त कृत्रिम उर्वरकों की बड़ी मात्रा में नाइट्रोजन का आधा पौधों द्वारा अवशोषित नहीं किया जाता है, लेकिन नदियों और वायुमंडल में अस्थिर रासायनिक यौगिकों के रूप में अपना रास्ता खोज लेता है। नाइट्रोजन से बने एल डोराडो कई शताब्दियों तक, किसानों को पता था कि पौधों के विकास के लिए कुछ पोषक तत्व आवश्यक हैं। दुनिया के विभिन्न हिस्सों में, किसानों ने कृषि भूमि को उर्वरक बनाने के विभिन्न तरीके विकसित किए। चीन में, मानव अपशिष्ट चावल के खेतों में बिखरा हुआ था। उन्नीसवीं शताब्दी के यूरोप में, अंग्रेजी कब्रिस्तानों के गिरोह फॉस्फेट उर्वरक में पीसने के लिए कंकालों की खोज करते हुए महाद्वीप में घूमते थे। जर्मन रसायनशास्त्री और औद्योगिक कृषि के संस्थापक जस्टस वॉन लीबिग (1803-1873) ने दावा किया कि इंग्लैंड ने उर्वरक के लिए फॉस्फोरस प्राप्त करने के लिए यूरोप से 35 लाख कंकाल "चुरा" लिए थे। पेरिस में, शहर के बगीचों को निषेचित करने के लिए सालाना दस लाख टन घोड़े का गोबर एकत्र किया जाता था। उन्नीसवीं शताब्दी के दौरान, अमेरिकी पश्चिम से बाइसन की हड्डियों को फॉस्फोरस और फॉस्फेट उर्वरक के उत्पादन के लिए पूर्वी तट के कारखानों में वापस लाया गया था। 1820 के दशक से 1860 के दशक तक, पेरू के चिनचा द्वीपों का दोहन उनके उच्च गुणवत्ता वाले गुआनो भंडार के लिए किया गया था, जिसे उन्होंने संयुक्त राज्य अमेरिका, फ्रांस और यूनाइटेड किंगडम को निर्यात किया था। गुआनो-बूम ने पेरू में कुछ दशकों तक आर्थिक गतिविधि में काफी वृद्धि की जब तक कि सभी 12.5 लाख टन गुआनो भंडार समाप्त नहीं हो गए। उर्वरक के वैकल्पिक स्रोतों को खोजने के लिए शोध शुरू किया गया था। अटाकामा रेगिस्तान, उस समय पेरू का हिस्सा, बड़ी मात्रा में साल्टपीटर (सोडियम नाइट्रेट) का घर था। इन भंडारों की खोज के समय, साल्टपीटर का कृषि उपयोग सीमित था। फिर रसायनज्ञों ने बारूद का उत्पादन करने के लिए नमकपीटर को शुद्ध करने की प्रक्रिया को सफलतापूर्वक विकसित किया। साल्टपीटर को नाइट्रिक एसिड में भी परिवर्तित किया गया था, जो नाइट्रोग्लिसरीन और डायनामाइट जैसे शक्तिशाली विस्फोटकों का अग्रदूत था। जैसे-जैसे इस क्षेत्र से निर्यात बढ़ा, पेरू और उसके पड़ोसियों के बीच तनाव भी बढ़ा। 1879 में, बोलिविया, चिली और पेरू ने तथाकथित "साल्टपीटर युद्ध", अटाकामा रेगिस्तान के कब्जे को लेकर युद्ध किया। बोलिविया की सेना को चिली के लोगों ने जल्दी ही हरा दिया। 1881 में, चिली ने पेरू को हराया और अटाकामा रेगिस्तान में नाइट्रेट के दोहन पर नियंत्रण कर लिया। कृषि के लिए चिली के साल्टपीटर की खपत तेजी से बढ़ी और चिली के जीवन स्तर में काफी वृद्धि हुई। यूरोप में तकनीकी विकास ने इन दिनों का अंत कर दिया। बीसवीं शताब्दी में, इस क्षेत्र के खनिज "वैश्विक नाइट्रोजन आपूर्ति में न्यूनतम योगदान देते हैं।" उन्नीसवीं शताब्दी के उत्तरार्ध में, 1898 में ब्रिटिश एसोसिएशन फॉर द एडवांसमेंट ऑफ साइंस के अध्यक्ष विलियम क्रूक्स सहित रसायन विज्ञानियों ने भविष्यवाणी की कि नाइट्रोजन यौगिकों की मांग, या तो उर्वरक या विस्फोटकों के रूप में, निकट भविष्य में आपूर्ति से अधिक हो जाएगी। 1784 में प्रकाशित क्लाउड लुई बर्थोलेट के काम के बाद, रसायनज्ञों को पता था कि अमोनिया एक नाइट्रोजन यौगिक है। अमोनिया को संश्लेषित करने के शुरुआती प्रयास 1795 में जॉर्ज फ्रेडरिक हिल्डेब्रांट द्वारा किए गए थे। कई अन्य उन्नीसवीं शताब्दी के दौरान बनाए गए थे। 1870 के दशक में, अमोनिया निर्मित गैस बनाने का एक अवांछित उपोत्पाद था। इसका महत्व बाद में सामने आया, और 1900 के दशक में उद्योग ने कोक से इसका उत्पादन करने के लिए अपनी सुविधाओं को संशोधित किया। फिर भी उत्पादन मांग को पूरा नहीं कर सका। उदाहरण के लिए, 1910 में, कोक ओवन से स्थिर नाइट्रोजन का उत्पादन कुल 230,000 टन था, जबकि चिली ने लगभग 370,000 मीट्रिक टन का निर्यात किया। 1900 में, चिली ने नमकपीटर के अपने भंडार के साथ, ग्रह पर सभी उर्वरकों का दो-तिहाई उत्पादन किया। हालाँकि, ये भंडार तेजी से कम हो गए, उद्योग पर एक अल्पाधिकार का प्रभुत्व था और नमक की लागत लगातार बढ़ रही थी। यूरोप की बढ़ती आबादी के लिए खाद्य सुरक्षा सुनिश्चित करने के लिए, यह आवश्यक था कि अमोनिया प्राप्त करने का एक नया किफायती और विश्वसनीय तरीका विकसित किया जाए। जर्मनी में खाद्य सुरक्षा के मुद्दे विशेष रूप से गंभीर थे। इसकी मिट्टी गरीब थी और देश में साम्राज्य का अभाव था। चिली के साल्टपीटर का एक प्रमुख उपभोक्ता, जर्मनी का साल्टपीटर आयात 1900 में कुल 350,000 टन था। बारह साल बाद, इसने 900,000 टन का आयात किया। गुआनो द्वीप अधिनियम के कारण संयुक्त राज्य अमेरिका बहुत बेहतर स्थिति में था। 1890 और 1900 के बीच के वर्षों में, रसायन विज्ञान ने कई मोर्चों पर प्रगति की, और अधिक वैज्ञानिकों ने वायुमंडलीय नाइट्रोजन को ठीक करने का प्रयास किया। 1895 में, जर्मन रसायनज्ञ एडॉल्फ फ्रैंक और निकोडेम कारो ने उर्वरक के रूप में उपयोग किए जाने वाले रासायनिक यौगिक कैल्शियम साइनामाइड को प्राप्त करने के लिए डाइनाइट्रोजन के साथ कैल्शियम कार्बाइड की प्रतिक्रिया करने में सफलता प्राप्त की। फ्रैंक-कारो प्रक्रिया का औद्योगीकरण 1905 में शुरू हुआ। 1918 तक, सालाना 325,000 टन नाइट्रोजन को ठीक करने के लिए 35 संश्लेषण स्थल थे। हालांकि, साइनामाइड प्रक्रिया ने बड़ी मात्रा में विद्युत शक्ति की खपत की और हैबर प्रक्रिया की तुलना में अधिक श्रम-गहन थी। आज, साइनामाइड का उपयोग मुख्य रूप से एक जड़ी-बूटी के रूप में किया जाता है। बीसवीं शताब्दी की शुरुआत के सर्वश्रेष्ठ जर्मन रसायनज्ञों में से एक माने जाने वाले विल्हेम ओस्टवाल्ड ने 1900 में एक आविष्कार का उपयोग करके अमोनिया को संश्लेषित करने का प्रयास किया। उन्होंने बीएएसएफ में रुचि दिखाई, जिन्होंने हाल ही में काम पर रखे गए रसायनज्ञ कार्ल बॉश से उपकरण को मान्य करने के लिए कहा। कई परीक्षणों के बाद, बॉश ने निष्कर्ष निकाला कि अमोनिया उपकरण से ही आया था, वातावरण से नहीं। ओस्टवाल्ड ने इस निष्कर्ष को चुनौती दी, लेकिन जब बॉश ने सबूत पेश किया तो उन्होंने स्वीकार कर लिया। 1901 में, हेनरी ले चैटेलियर हवा से अमोनिया को संश्लेषित करने में कामयाब रहे। एक पेटेंट प्राप्त करने के बाद, उन्होंने दावा किया कि दबाव बढ़ाकर बेहतर प्रदर्शन प्राप्त करना संभव था। जब एक उपकरण के आकस्मिक विस्फोट के बाद उनके एक सहायक की मौत हो गई, तो ले चैटेलियर ने अपना शोध समाप्त करने का फैसला किया। अमेरिकियों ब्रैडली और लवजॉय, विद्युत रसायन विज्ञान के विशेषज्ञों ने विद्युत चाप का उपयोग करके नाइट्रिक एसिड के उत्पादन की एक विधि विकसित की। इस विधि का उपयोग करके नाइट्रिक एसिड का औद्योगिक निर्माण 1902 में शुरू हुआ। उनकी कंपनी जल्द ही 1904 में बंद हो गई, क्योंकि बिजली की खपत ने उत्पादन लागत को बहुत अधिक कर दिया था। 1905 में, इंजीनियर और उद्योगपति सैमुअल आइड द्वारा वित्त पोषित नॉर्वे के भौतिक विज्ञानी क्रिस्टियन बर्कलैंड ने बर्कलैंड-आइड प्रक्रिया विकसित की जो वायुमंडलीय नाइट्रोजन को नाइट्रोजन ऑक्साइड के रूप में स्थिर करती है। बर्कलैंड-आइड प्रक्रिया के लिए काफी मात्रा में बिजली की आवश्यकता होती है, जो संभावित स्थल स्थान को बाधित करती है; सौभाग्य से, नॉर्वे के पास इन जरूरतों को पूरा करने में सक्षम कई स्थल थे। नॉर्स्क हाइड्रो की स्थापना 2 दिसंबर 1905 को नई प्रक्रिया के व्यावसायीकरण के लिए की गई थी। 1911 में, नॉर्स्क हाइड्रो सुविधा 50,000 किलोवाट की खपत कर रही थी, अगले वर्ष, खपत दोगुनी होकर 100,000 किलोवाट हो गई। 1913 तक, नॉर्स्क हाइड्रो की सुविधाएं 12,000 टन नाइट्रोजन का उत्पादन कर रही थीं, जो उस समय कोक से निकाली गई मात्रा का लगभग 5 प्रतिशत था। उस समय भी इसी तरह की प्रक्रियाएँ विकसित की गई थीं। बीएएसएफ के एक कर्मचारी शॉनहर ने 1905 में नाइट्रोजन स्थिरीकरण प्रक्रिया पर काम शुरू किया। 1919 में, नॉर्स्क हाइड्रो सुविधाओं में शॉनहर की बडीशे प्रक्रिया को नियोजित किया गया था। उसी वर्ष, जर्मनी और संयुक्त राज्य अमेरिका में पॉलिंग प्रक्रिया का उपयोग किया गया था। इन सभी विधियों को कम खर्चीली हैबर प्रक्रिया द्वारा जल्दी से प्रतिस्थापित कर दिया गया। एक नया दृष्टिकोण 1905 में, जर्मन रसायनज्ञ फ्रिट्ज हैबर ने थर्मोडायनामिक टेक्निशर गैसरेक्टियोनन (तकनीकी गैस प्रतिक्रियाओं के थर्मोडायनामिक्स) को प्रकाशित किया, जो एक ऐसी पुस्तक है जो अपने सैद्धांतिक अध्ययन की तुलना में रसायन विज्ञान के औद्योगिक अनुप्रयोग के बारे में अधिक चिंतित है। इसमें, हैबर ने अमोनिया के संतुलन समीकरण के अपने अध्ययन के परिणामों को सम्मिलित कियाः (g) + 3 (g) 2 (g)-ΔH एक लोहे के उत्प्रेरक की उपस्थिति में 1000 डिग्री सेल्सियस पर, डाइनाइट्रोजन और डाइहाइड्रोजन गैस से "छोटी" मात्रा में अमोनिया का उत्पादन किया गया था। इन परिणामों ने इस दिशा में उनकी आगे की खोज को हतोत्साहित किया। हालांकि, 1907 में, हैबर और वाल्टर नेर्नस्ट के बीच एक वैज्ञानिक प्रतिद्वंद्विता से प्रेरित होकर, नाइट्रोजन स्थिरीकरण हैबर की पहली प्राथमिकता बन गई। कुछ वर्षों के बाद, हैबर ने एक नई नाइट्रोजन स्थिरीकरण प्रक्रिया विकसित करने के लिए अमोनिया के रासायनिक संतुलन और उच्च दबाव रसायन विज्ञान और हवा के द्रवीकरण के साथ अपनी परिचितता पर नेर्नस्ट द्वारा प्रकाशित परिणामों का उपयोग किया। उनके पास प्रणाली पर लागू करने के लिए मापदंडों के बारे में कोई सटीक जानकारी नहीं थी, लेकिन अपने शोध के समापन पर, वह यह स्थापित करने में सक्षम थे कि एक प्रभावी अमोनिया उत्पादन प्रणाली कोः उच्च दबाव (20 एमपीए के क्रम पर) पर काम करना चाहिए; अमोनिया के संश्लेषण में तेजी लाने के लिए एक या अधिक उत्प्रेरक को लागू करना चाहिए; उत्प्रेरक की उपस्थिति में सर्वोत्तम दक्षता प्राप्त करने के लिए उच्च तापमान (500 डिग्री सेल्सियस और 600 डिग्री सेल्सियस के बीच) पर काम करना चाहिए; क्योंकि लगभग 5 प्रतिशत एन2 और एच2 अणु रासायनिक रिएक्टर में प्रत्येक मार्ग के साथ प्रतिक्रिया करते हैंः अमोनिया को अन्य अणुओं से द्रवीकरण द्वारा अलग करें, अमोनिया को लगातार वापस लें, एन2 और एच2 को इंजेक्ट करें जो रासायनिक रिएक्टर में फिर से प्रतिक्रिया नहीं करते थे; उत्पादित गर्मी का पुनर्चक्रण करें। उच्च दबाव से जुड़ी समस्याओं को दूर करने के लिए, हैबर ने रॉबर्ट ले रॉसिग्नोल की प्रतिभा का आह्वान किया, जिन्होंने प्रक्रिया की सफलता के लिए आवश्यक उपकरण तैयार किए। 1909 की शुरुआत में, हैबर ने पाया कि ऑस्मियम एक उत्प्रेरक के रूप में काम कर सकता है। बाद में, उन्होंने स्थापित किया कि यूरेनियम एक उत्प्रेरक के रूप में भी कार्य कर सकता है। हैबर ने लोहा, निकल, मैंगनीज और कैल्शियम के साथ भी अच्छे परिणाम प्राप्त किए। ऊपर दिखाए गए रासायनिक समीकरण में, प्रत्यक्ष प्रतिक्रिया ऊष्माक्षेपी है। इस ऊष्मा का उपयोग रासायनिक रिएक्टर में प्रवेश करने से पहले अभिकर्मकों को गर्म करने के लिए किया जा सकता है। हैबर की टीम ने एक ऐसी प्रणाली विकसित की जो उत्पादित गर्मी का पुनर्चक्रण करती है। मार्च 1909 में, हैबर ने अपने प्रयोगशाला सहयोगियों को दिखाया कि उन्होंने अंततः वायुमंडलीय डाइनाइट्रोजन को ठीक करने में सक्षम एक प्रक्रिया पाई है जो इसके औद्योगिकीकरण पर विचार करने के लिए पर्याप्त है। जबकि बी. ए. एस. एफ. ने हैबर प्रक्रिया पर एक पेटेंट लिया, बी. ए. एस. एफ. में अनुसंधान निदेशक अगस्त बर्नथसेन ने इसकी उपयोगिता पर संदेह किया। उन्हें विश्वास नहीं था कि बीएएसएफ इस तरह की परियोजना में शामिल होना चाहता था। बर्नथसेन के अनुसार, कोई भी औद्योगिक उपकरण निवेश का भुगतान करने के लिए लंबे समय तक इतने उच्च दबाव और तापमान का सामना करने में सक्षम नहीं था। इसके अलावा, उन्हें ऐसा लगा कि ऑस्मियम की उत्प्रेरक क्षमता उपयोग के साथ गायब हो सकती है, जिसके लिए पृथ्वी पर धातु की कमी के बावजूद इसके नियमित प्रतिस्थापन की आवश्यकता थी। हालांकि, एक रसायनज्ञ और विश्वविद्यालय के प्रोफेसर कार्ल एंगलर ने बीएएसएफ के अध्यक्ष हेनरिक वॉन ब्रंक को पत्र लिखकर उन्हें हैबर से बात करने के लिए राजी किया। वॉन ब्रंक, बर्नथसेन और कार्ल बॉश के साथ, हैबर की प्रयोगशाला में यह निर्धारित करने के लिए गए कि क्या बीएएसएफ को प्रक्रिया के औद्योगिकीकरण में संलग्न होना चाहिए। जब बर्नथसेन को पता चला कि उन्हें कम से कम 100 एटीएम (लगभग 10 एमपीए) का समर्थन करने में सक्षम उपकरणों की आवश्यकता है, तो उन्होंने कहा, "एक सौ वायुमंडल! कल ही हम पर सात वायुमंडल में एक ऑटोक्लेव विस्फोट हुआ! " निर्णय लेने से पहले, वॉन ब्रंक ने बॉश से सलाह मांगी। बाद वाला पहले से ही धातु विज्ञान में काम कर चुका था, और उसके पिता ने घर पर एक यांत्रिक कार्यशाला स्थापित की थी जहाँ युवा कार्ल ने विभिन्न उपकरणों को संभालना सीखा था। वे कई वर्षों से नाइट्रोजन स्थिरीकरण पर काम कर रहे थे, लेकिन उन्हें कोई महत्वपूर्ण परिणाम नहीं मिला। वह जानते थे कि इलेक्ट्रिक आर्क फर्नेस का उपयोग करने वाली प्रक्रियाओं, जैसे कि बर्कलैंड-आइड प्रक्रिया, के लिए भारी मात्रा में बिजली की आवश्यकता होती है, जिससे वे नॉर्वे के बाहर आर्थिक रूप से अव्यवहार्य हो जाते हैं। विकास जारी रखने के लिए, बी. ए. एस. एफ. को सुधार का एक अधिक किफायती तरीका खोजना पड़ा। बॉश ने कहा, "मुझे लगता है कि यह काम कर सकता है। मुझे पता है कि इस्पात उद्योग क्या कर सकता है। हमें इसका जोखिम उठाना चाहिए। जुलाई 1909 में, बीएएसएफ के कर्मचारी फिर से हैबर की सफलता की जांच करने आएः प्रयोगशाला उपकरण ने हर दो घंटे में लगभग 250 मिलीलीटर की दर से तरल अमोनिया के रूप में हवा से नाइट्रोजन को ठीक किया। बी. ए. एस. एफ. ने इस प्रक्रिया को औद्योगिक बनाने का फैसला किया, हालांकि यह स्कोनहर प्रक्रिया को संचालित करने के लिए नॉर्स्क हाइड्रो से जुड़ा था। प्रक्रिया के औद्योगिकीकरण के भविष्य के प्रमुख कार्ल बॉश ने बताया कि जिस प्रमुख कारक ने बीएएसएफ को इस रास्ते पर चलने के लिए प्रेरित किया, वह उत्प्रेरक की दक्षता में सुधार था। नोट्स ग्रंथ सूची रसायन विज्ञान का इतिहास फ्रिट्ज हैबर