हाइड्रोथर्मल संश्लेषण
जलतापीय संश्लेषण में उच्च वाष्प दबावों पर उच्च तापमान वाले जलीय घोलों से पदार्थों को पारदर्शी करने की विभिन्न तकनीकें सम्मिलित हैं; जलतापीय विधि भी कहा जाता है। जलतापीय शब्द भूविज्ञान मूल का है।[1] भू-रसायन विज्ञान और खनिज विज्ञानियों ने बीसवीं शताब्दी के प्रारम्भ से जलतापीय चरण संतुलन का अध्ययन किया है। कार्नेगी इंस्टीट्यूशन में जॉर्ज डब्ल्यू मोरे और बाद में, हार्वर्ड विश्वविद्यालय में पर्सी डब्ल्यू ब्रिजमैन ने तापमान और दबाव सीमा में प्रतिक्रियाशील मीडिया को नियंत्रित करने के लिए आवश्यक नींव रखने के लिए बहुत काम किया, जहां अधिकांश जलतापीय कार्य आयोजित किए जाते हैं।
जलतापीय संश्लेषण को एकल स्फटिक के संश्लेषण की एक विधि के रूप में परिभाषित किया जा सकता है जो उच्च दबाव में गर्म पानी में खनिजों की घुलनशीलता पर निर्भर करता है। स्फटिक वृद्धि एक उपकरण में की जाती है जिसमें एक इस्पात दबाव पोत होता है जिसे अत्युष्ण वाष्प शोधक कहा जाता है, जिसमें पानी के साथ एक पोषक तत्व की आपूर्ति की जाती है। विकास कक्ष के विपरीत सिरों के बीच एक तापमान ढाल बनाए रखा जाता है। गर्म छोर पर पोषक तत्व घुल जाता है, जबकि ठंडे सिरे पर यह एक बीज स्फटिक पर जमा हो जाता है, जिससे वांछित स्फटिक बढ़ जाता है।
अन्य प्रकार के स्फटिक विकास पर जलतापीय विधि के लाभों में स्फटिकीय चरणों को बनाने की क्षमता सम्मिलित है जो गलनांक पर स्थिर नहीं होते हैं। साथ ही, जिन सामग्रियों के गलनांक के पास उच्च वाष्प दबाव होता है, उन्हें जलतापीय विधि द्वारा उगाया जा सकता है। विधि उनकी संरचना पर नियंत्रण बनाए रखते हुए बड़े अच्छी गुणवत्ता वाले स्फटिक के विकास के लिए भी विशेष रूप से उपयुक्त है। विधि की हानि में महंगे अत्युष्ण वाष्प शोधक की आवश्यकता और इस्पात नलिका का उपयोग करने पर स्फटिक के बढ़ने की असंभवता सम्मिलित है।[2] मोटी दीवार वाले कांच से बने अत्युष्ण वाष्प शोधक हैं, जिनका उपयोग 300 डिग्री सेल्सियस और 10 बार तक किया जा सकता है।[3]
इतिहास
स्फटिक के जलतापीय विकास की पहली विवरणी[4] 1845 में जर्मन भूविज्ञानी कार्ल एमिल वॉन शाफहौटल (1803-1890) द्वारा किया गया था: उन्होंने एक दाब कुकर में सूक्ष्म स्फटिक स्फटिक उगाए थे।[5] 1848 में, रॉबर्ट बन्सन ने 200 डिग्री सेल्सियस पर और 15 वायुमंडल के दबाव पर बेरियम और स्ट्रोन्शियम कार्बोनेट के बढ़ते स्फटिक की सूचना दी, सील ग्लास नलिका और जलीय अमोनियम क्लोराइड (सालमीक) का उपयोग विलायक के रूप में किया था।[6] 1849 और 1851 में, फ्रांसीसी स्फटिक वैज्ञानिक हेनरी हुरौ डी सेनारमोंट (1808-1862) ने जलतापीय संश्लेषण के माध्यम से विभिन्न खनिजों के स्फटिक का उत्पादन किया।[7][8] बाद में (1905) जियोर्जियो स्पेज़िया (1842-1911) ने स्थूलदर्शित स्फटिक के विकास पर विवरणी प्रकाशित की।[9] उन्होंने सोडियम सिलिकेट के घोल, प्राकृतिक स्फटिक को बीज और आपूर्ति के रूप में और एक रजत-रेखा वाले बर्तन का उपयोग किया। अपने बर्तन के आपूर्ति सिरे को 320–350 डिग्री सेल्सियस और दूसरे सिरे को 165–180 डिग्री सेल्सियस तक गर्म करके, उसने 200 दिनों की अवधि में लगभग 15 मिमी नई वृद्धि प्राप्त की। आधुनिक प्रथा के विपरीत, जहाज का सबसे गर्म हिस्सा सबसे ऊपर था। विश्व युद्ध 2 के दौरान ब्राजील से प्राकृतिक स्फटिक स्फटिक के इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योग में कमी ने बेल प्रयोगशालाओं में 1950 में एसी वाकर और एर्नी ब्यूहलर द्वारा स्फटिक स्फटिक की खेती के लिए वाणिज्यिक मापक्रम पर जलतापीय प्रक्रिया के बाद के विकास का नेतृत्व किया।[10] अन्य उल्लेखनीय योगदान नैकेन (1946), हेल (1948), ब्राउन (1951) और कोहमन (1955) द्वारा किए गए हैं।[11]
उपयोग
व्यावहारिक रूप से सभी वर्गों से संबंधित यौगिकों की एक बड़ी संख्या को जलतापीय स्थितियों के तहत संश्लेषित किया गया है: तत्व, सरल और जटिल आक्साइड, टंग्स्टेट, मोलिब्डेट्स, कार्बोनेट्स, सिलिकेट्स, जर्मेनेट्स आदि। जलतापीय संश्लेषण का उपयोग सामान्यतः कृत्रिम स्फटिक, मणि पत्थर और अन्य एकल स्फटिक को वाणिज्यिक मूल्य के साथ विकसित करने के लिए किया जाता है। कुछ क्रिस्टल जो कुशलता से उगाए गए हैं वे स्फटिक पन्ना, माणिक, स्फटिक, ऐलेग्ज़ैन्ड्राइट और अन्य हैं। विशिष्ट भौतिक गुणों के साथ नए यौगिकों की खोज और उन्नत तापमान और दबावों पर जटिल बहुघटक प्रणालियों की व्यवस्थित भौतिक-रासायनिक जांच दोनों में विधि अत्यंत कुशल प्रमाणित हुई है।
जलतापीय स्फटिक विकास के लिए उपकरण
प्रयुक्त स्फटिकीकरण वाहिकाएँ अत्युष्ण वाष्प शोधक हैं। ये सामान्यतः मोटी दीवार वाले इस्पात के सिलेंडर होते हैं जिनमें एक वायुरुद्ध मुद्रण होती है जिसे लंबे समय तक उच्च तापमान और दबाव का सामना करना पड़ता है। इसके अतिरिक्त, विलायक के संबंध में अत्युष्ण वाष्प शोधक सामग्री निष्क्रिय होनी चाहिए। संवरण अत्युष्ण वाष्प शोधक का सबसे महत्वपूर्ण तत्व है। मुद्रण के लिए कई अभिकल्पना विकसित किए गए हैं, जिनमें सबसे प्रसिद्ध ब्रिजमैन मुद्रण है। ज्यादातर स्तिथियों में, जलतापीय प्रयोगों में इस्पात-संक्षारक समाधान का उपयोग किया जाता है। अत्युष्ण वाष्प शोधक की आंतरिक गुहा के क्षरण को रोकने के लिए, सामान्यतः सुरक्षात्मक आवेषण का उपयोग किया जाता है। इनका आकार अत्युष्ण वाष्प शोधक के समान हो सकता है और आंतरिक गुहा (संपर्क-प्रकार सम्मिलित) में उपयुक्त हो सकता है, या अस्थिर प्रकार के आवेषण हो सकते हैं जो अत्युष्ण वाष्प शोधक अंतस्थ के केवल हिस्से पर अधिग्रहण कर लेते हैं। उपयोग किए गए तापमान और समाधान के आधार पर आवेषण कार्बन-मुक्त लोहे, तांबा, चांदी, सोना, प्लैटिनम, टाइटेनियम, काँच (या स्फटिक), या टेफ्लान से बने हो सकते हैं।
तरीके
तापमान-अंतर विधि
यह जलतापीय संश्लेषण और स्फटिक के बढ़ने में सबसे व्यापक रूप से इस्तेमाल की जाने वाली विधि है। स्फटिक परिवर्धी क्षेत्र में तापमान को कम करके अतिसंतृप्ति प्राप्त किया जाता है। पोषक तत्व को विशिष्ट मात्रा में विलायक से भरे अत्युष्ण वाष्प शोधक के निचले हिस्से में रखा जाता है। तापमान प्रवणता बनाने के लिए अत्युष्ण वाष्प शोधक को गर्म किया जाता है। पोषक तत्व गर्म क्षेत्र में घुल जाता है और निचले हिस्से में संतृप्त जलीय घोल को घोल के संवहन द्वारा ऊपरी हिस्से में पहुँचाया जाता है। अत्युष्ण वाष्प शोधक के ऊपरी भाग में ठंडा और सघन विलयन नीचे उतरता है जबकि विलयन का प्रतिप्रवाह चढ़ता है। तापमान में कमी और स्फटिकीकरण समुच्चय होने के परिणामस्वरूप समाधान ऊपरी हिस्से में अतिसंतृप्ति हो जाता है।
तापमान कम करने की तकनीक
इस तकनीक में, विकास और विघटन (रसायन विज्ञान) क्षेत्रों के बीच तापमान प्रवणता के बिना स्फटिकीकरण होता है। अत्युष्ण वाष्प शोधक में विलयन के तापमान में धीरे-धीरे कमी करके अधिसंतृप्ति प्राप्त की जाती है। इस तकनीक की हानि विकास प्रक्रिया को नियंत्रित करने और बीज स्फटिक को प्रस्तुत करने में कठिनाई है। इन्हीं कारणों से इस तकनीक का प्रयोग बहुत ही कम किया जाता है।
मितस्थायी-चरण तकनीक
यह तकनीक उगाए जाने वाले चरण और प्रारंभिक सामग्री के रूप में काम करने वाले चरण के बीच घुलनशीलता में अंतर पर आधारित है।
पोषक तत्वों में ऐसे यौगिक होते हैं जो वृद्धि की परिस्थितियों में ऊष्मप्रवैगिक रूप से अस्थिर होते हैं। मितस्थायी चरण की घुलनशीलता स्थिर चरण से अधिक होती है, और मितस्थायी चरण के विघटन के कारण उत्तरार्द्ध स्फटिकीकृत होता है। यह तकनीक सामान्यतः उपरोक्त दो अन्य तकनीकों में से एक के साथ संयुक्त होती है।
यह भी देखें
संदर्भ
- ↑ The earliest occurrence of the word "hydrothermal" appears to be: Sir Charles Lyell, A Manual of Elementary Geology … , 5th ed. (Boston, Massachusetts: Little, Brown, and Company, 1855), page 603: "The metamorphic theory [requires us to affirm] that an action, existing in the interior of the earth at an unknown depth, whether thermal, hydro-thermal, … "
- ↑ O'Donoghue, M. (1983). A guide to Man-made Gemstones. Great Britain: Van Nostrand Reinhold Company. pp. 40–44. ISBN 0-442-27253-7.
- ↑ Schubert, Ulrich. and Hüsing, Nicola. (2012) Synthesis of inorganic materials Weinheim: Wiley-VCH, page 161
- ↑ For a more detailed history of hydrothermal synthesis, see: K. Byrappa and Masahiro Yoshimura, Handbook of Hydrothermal Technology (Norwich, New York: Noyes Publications, 2001), Chapter 2: History of Hydrothermal Technology.
- ↑ Schafhäutl (1845) "Die neuesten geologischen Hypothesen und ihr Verhältniß zur Naturwissenschaft überhaupt" (The latest geological hypotheses and their relation to science in general), Gelehrte Anzeigen (published by: die königliche Bayerische Akademie der Wissenschaften (the Royal Bavarian Academy of Sciences)), 20 : 557, 561-567, 569-576, 577-596. On page 578, he states: "5) Bildeten sich aus Wasser, in welchen ich im Papinianischen Topfe frisch gefällte Kieselsäure aufgelöst hatte, beym Verdampfen schon nach 8 Tagen Krystalle, die zwar mikroscopisch, aber sehr wohl erkenntlich aus sechseitigen Prismen mit derselben gewöhnlichen Pyramide bestanden." ( 5) There formed from water in which I had dissolved freshly precipitated silicic acid in a Papin pot [i.e., pressure cooker], after just 8 days of evaporating, crystals, which albeit were microscopic but consisted of very easily recognizable six-sided prisms with their usual pyramids.)
- ↑ R. Bunsen (1848) "Bemerkungen zu einigen Einwürfen gegen mehrere Ansichten über die chemisch-geologischen Erscheinungen in Island" (Comments on some objections to several views on chemical-geological phenomena in Iceland), Annalen der Chemie und Pharmacie, 65 : 70-85. On page 83, Bunsen mentions crystallizing the carbonate salts of barium, strontium, etc. ("die kohlensauren Salze der Baryterde, Strontianerde, etc.").
- ↑ See:
- de Sénarmont (1849) "Expériences sur la formation artificielle par voie humide de quelques espèces minérales qui ont pu se former dans les sources thermales sous l'action combinée de la chaleur et de la pression" (Experiments on the artificial formation from solution of some mineral species that could form in hot springs under the combined action of heat and pressure), Comptes rendus … , 28 : 693-696 .
- H. de Sénarmont (1851) "Note sur la formation artificielle, par voie humide, du corindon et du diaspore" (Note on the artificial formation, from solution, of corundum and diaspore), Comptes rendus … , 32 : 762-763.
- ↑ "Hydrothermal Crystal Growth - Quartz". Roditi International. Retrieved 2006-11-17.
- ↑ Giorgio Spezia (1905) "La pressione è chimicamente inattiva nella solubilità e ricostituzione del quarzo" (Pressure is chemically inactive in the solubility and reconstitution of quartz), Atti della Reale Accademia delle scienze di Torino (Proceedings of the Royal Academy of Sciences in Turin), 40 : 254-262.
- ↑ McWhan, Denis McWhan (2012). Sand and Silicon: Science That Changed the World. Oxford Univ. Press. p. 11. ISBN 978-0199640270.
- ↑ Laudise, R.A. (1958). R.H. Doremus; B.W. Roberts; D. Turnbull (eds.). Growth and perfection of crystals. Proceedings of an International Conference on Crystal Growth held at Cooperstown, New York on August 27–29, 1958. Wiley, New York. pp. 458–463.