उच्च तापमान रसायनशास्त्र

५००० के. (केल्व्हिन तापक्रमाचा एकक) तापमानापेक्षा जास्त तापमानात घडून येणाऱ्या रासायनिक आविष्कारांचा अभ्यास ज्यामध्ये केला जातो तो रसायनशास्त्राचा विभाग. १९५० पर्यंत शास्त्रज्ञांनी जे संशोधन कार्य केले त्यातील बहुतेक सर्व फार संकुचित तापमानमर्यादेत म्हणजे काही शतके केल्व्हिन अंश या टप्प्यात झालेले होते. १९५० नंतर मात्र ही मर्यादा ५००० ते ३,०००० के. इतकी वाढली आहे. याहूनही उच्च तापमान पुढील प्रकारांनी मिळू शकते. काही वायूंच्या ज्वालांचे तापमान  ६,०००० के. पर्यंत असू शकते. तसेच आघात-तरंगांमुळे (माध्यमातून तरंग पुढे जात असता दाब आणि कणांचा वेग यांमध्ये अकस्मात फेरफार केल्याने निर्माण होणाऱ्या तरंगांमुळे) २५,०००० के. इतके उच्च तापमान निर्माण होते. विद्युत् प्रज्योतीच्या (दोन विद्युत् अग्रांमधील तीव्र प्रकाशमान ज्योतीच्या) विशिष्ट प्रकाराने ५०,०००० के. पर्यंत तापमान प्राप्त होते आणि अणुगर्भीय विक्रियापासून मिळणारे तापमान कित्येक लक्ष अंशांपर्यंत पोहोचते.

नेहमीच्या सामान्य तापमानात आढळून येणाऱ्या अणू आणि रेणू यांच्यातील रासायनिक विक्रियांहून निराळ्या असलेल्या अनेक रासायनिक विक्रिया उच्च तापमानामुळे शक्य झाल्या आहेत. उच्च तापमानामुळे  अणू व रेणू यांच्या उत्तेजित परिभ्रमणाच्या, आंदोलनाच्या व इलेक्ट्रॉनीय अवस्था अनेक पटींनी वाढविता येतात आणि विक्रिया घडून येण्यासाठी नवीन यंत्रणा आणि नवीन विक्रियाशील द्रव्यांच्या जाती निर्माण करता येतात. उच्च तापमान रसायनशास्त्राने जे साध्य होणे शक्य आहे, त्यासंबंधी पुढील नियम मांडता येतात : (१) उच्च तापमानात कोणत्याही द्रव्याची कोणत्याही द्रव्याबरोबर विक्रिया होण्याची शक्यता आहे, (२) जेवढे तापमान जास्त तेवढी विक्रियांची शीघ्रता जास्त, (३) विक्रियांमुळे कोणतीही फलनिष्पत्ती होणे शक्य आहे. उच्च तापमानामुळे द्रव्यांच्या असंख्य विक्रियाशील जाती निर्माण होत असल्यामुळे रासायनिक संश्लेषण (घटक अणू अथवा रेणू एकत्र आणून त्यांच्या विक्रियेने पदार्थ बनविणे) विविधपणे व सुलभरीतीने घडून येण्याची शक्यता निर्माण झाली आहे.

या शास्त्रविभागाचे तीन मुख्य उद्देश आहेत : (१) महत्त्वाच्या वायूंच्या रेणूंचे व संघनित प्रावस्थांचे [प्रावस्था नियम] लाक्षणिक गुणधर्म यांची माहिती मिळविणे म्हणजेच रेणवीय सूत्र (एखाद्या रेणूत असणारी मूलद्रव्ये व त्यांच्या अणूंची संख्या दाखविणारे रासायनिक सूत्र) व रेणवीय संरचना (रेणूंची आंतररचना, यात रेणू कोठे व कसे मांडलेले असतात व त्यांतील संयुजा बंध दाखविलेले असतात), ऊष्मागतिकीय (उष्णतेचे इतर शक्तीत रूपांतर होत असताना आढळणारे) गुणधर्म आणि रासायनिक बंध यांसंबंधी खुलासेवार माहिती मिळविणे; (२) विक्रियांच्या त्वरेसंबंधी असलेल्या प्रचलांची (विशिष्ट परिस्थितीत अचल राहणाऱ्या राशींची) निश्चिती करणे व त्यांच्या रेणवीय गुणधर्मांशी असलेला अन्योन्य संबंध ठरविणे व (३) नवीन पदार्थांची निर्मिती करणे आणि रासायनिक संश्लेषणाचे अभिनव माग शोधून काढणे.

अकार्बनी संयुगांच्या निरनिराळ्या प्रक्रियांच्या [उदा., ऊष्मीय अपघटन (उष्णतेने रेणूंचे मूल घटकांत होणारे तुकडे), बाष्पीकरण किंवा संप्लवन (घनस्थितीतून सरळ बाष्पस्थितीत होणारा बदल)] अभ्यासावरून जटिल रेणवीय जाती अपेक्षेपेक्षा जास्त प्रमाणात तयार होतात असे दिसून आले आहे. उच्च तापमान जसजसे वाढवीत जावे तसतसे जटिल (गुंतागुंतीच्या) रेणवीय जातींचे प्रमाण जास्त वाढत जात असल्याचे दिसून येते. उच्च दाब तसेच उच्च तापमान यांमुळे बाष्पात रेणवीय जटिलता निर्माण होत असते. द्रव्यमान वर्णपटमापकाच्या [ द्रव्यमान वर्णपटविज्ञान]शीघ्र प्रतिदर्शी (नमुन्याचे झटपट विश्लेषण करण्याच्या) तंत्रामुळे (Ar)a, (CO2)b, (H2O)c यांसारखे पदार्थ बहुवारिक (एकाच पदार्थाचे अनेक रेणू एकमेकांशी संयोग पावून बनलेली संयुगे) बनतात हे निर्विवादपणे दिसून आले आहे. येथे a, b, c ही अधःस्थ अक्षरे २ ते १० अंक घेऊ शकतात. उच्च तापमानामुळे होणाऱ्या गुंतागुंतीचे आणखी उदाहरण म्हणजे ऑक्सिडीकरणाच्या निरनिराळ्या स्थितींचे अस्तित्व [ ऑक्सिडीभवन].

विशेषतः उच्च तापमानामुळे निर्माण झालेल्या या जटिल रेणूंच्या निर्मितीनंतरच्या विक्रिया, सु. ८३० के. इतके कमी तापमान असलेल्या एका पृष्ठभागावरील रेणूंशी घडवून आणण्याचे तंत्र फारच फलदायी झालेले आहे. रेणवीय प्रचल, उदा., कंप्रता (दर सेकंदास घडून येणाऱ्या कंपनांची संख्या) व बंधकोन (रेणूतील निरनिराळ्या अणूंच्या संयुजांमधील कोन) यासंबंधी खुलासेवार माहिती सु. ४० ते १००० के. इतक्या नीचतम तापमानात एका विशिष्ट प्रकारे उपयोगात आणलेल्या वर्णपटदर्शकाने (प्रारणातील भिन्न तरंगाचे विश्लेषण करणाऱ्या उपकरणाने) मिळते व या माहितीच्या साहाय्याने ऊष्मागतिकीय फलने व रासायनिक विक्रिया यांसंबंधीचे भाकित करता येते.

उच्च तापमानामुळे संघनित व्यूहात (जटिल रेणूंच्या जाती असलेल्या व्यूहात) असलेले विविध गुणधर्म उघडकीस येतात. संयुगांतील अणूंचे संयोग-गुणोत्तर केवळ लहान अंकांनीच दर्शविता येते. हा रसायनशास्त्रातील रूढ सर्वसामान्य सिद्धांत, तसेच इतर मूलभूत नियम सु. १,०००० ते ३,०००० के. या तापमानाच्या टप्प्यात या संघनित व्यूहात तंतोतंत खरे ठरत नसल्याचे दिसून आले आहे. २,०००० ते ४,०००० के. तापमानाच्या टप्प्यात व एकक वातावरणीय दाब असताना उच्च तापसह (उच्च तापमानास न वितळणाऱ्या) घन पदार्थांच्या (कार्बाइड, बोराइड, सिलिकॉइड वगैरे) वितळबिदूंचे मापन प्रयोगाने करण्यात आले आहे. जरी  ४,०००० के. तापमानापेक्षा उच्च व एकापेक्षा अधिक वातावरणीय दाब असलेल्या परिस्थितीचा अभ्यास करणारी ð घन-अवस्था रसायनशास्त्र  शाखा अस्तित्वात नसली, तरी अशा परिस्थितीतील द्रव-अवस्था रसायनशास्त्राचा अभ्यास करणारी शास्त्रीय शाखा उपलब्ध आहे. त्यामुळे विक्रियाशील उच्च तापमान द्रव कौशल्यपूर्ण तंत्राने तयार करता येणे शक्य झाले आहे.

इ. स. १९६० नंतरच्या काळात अत्यंत दक्षतेने तयार केलेल्या प्रावस्था आकृती  [ प्रावस्था नियम] उपलब्ध झाल्या. दोन भिन्न आयनांचे किंवा इतरही आयनांचे गुणोत्तर अनंत तर्‍हेने बदलते ठेवून स्फटिक तयार करणे शक्य आहे, हे प्रावस्था आकृतींवरून निश्चितपणे दाखविता येते. उदा., प्रतिष्ठापित (एक अणू किंवा अणुगट काढून तेथे दुसरा अणू किंवा अणुगट बसविलेल्या) अ‍ॅल्युमिनेट संयुगांपैकी MgAl2O4 सारख्या संयुगामधील A13+ या आयनाची जागा Mg2+ किंवा Mg2+ आयनाची जागा A13+ आयन घेऊ शकतात.

ऑक्सिनायट्राइडाच्या प्रावस्थांच्या लागलेल्या शोधाची आणि ऑक्साइड, सल्फाइड, कार्बाइड, बोराइड वगैरेंसारख्या व्यूहांत विस्तृत तर्‍हेने व मूलतः अखंडितपणे होणारे घन विद्रावातील संघटन यांच्या प्रस्थापनेबद्दलही माहिती मिळालेली आहे. मिश्रधातूंच्या संघटनेतील बदल तसाच अत्यंत जटिल स्वरूपाचा असून त्यातील विविधतेचे महत्त्व समजून येण्यास सुरुवात झाली आहे. मिश्रधातूंच्या प्रावस्था आकृती काढण्याच्या तंत्राचे वर्णन देण्यात आले असून त्यांत सर्व प्रकारच्या वर्गांत मोडत असलेल्या मिश्रधातूंच्या गुणधर्मांची साकल्याने माहिती देणारी अशी एकच आकृती काढण्याचा प्रयत्‍न झाला आहे. यापूर्वी दोन किंवा तीन घटक असलेल्या मिश्रधातूंच्या एकेकट्या रीतीने आकृती काढल्या जात असत.

२९८° के. च्या आसपास जलीय पदार्थांची व साध्या घन पदार्थाची खात्रीलायक ऊष्मागतिकीय माहिती मिळविण्यासाठी १९२०–४० च्या दरम्यान ज्या विद्युत् रासायनिक तंत्राचा अवलंब केला जात होता, त्याचाच उपयोग करून उच्च तापमानाच्या अवस्थेत ऊष्मागतिकीय माहिती मिळविली जात आहे. कार्ल वॅगनर व त्यांच्या सहकाऱ्यांनी उच्च तापमान विद्युत् रसायनशास्त्रासाठी अनेक कल्पक मार्ग सिद्ध केले आहेत. त्यामुळे ज्या व्यूहातील पदार्थांच्या रासायनिक संयोगासंबंधी संख्यात्मक अंदाज बांधता येत नाहीत अशांच्या प्रावस्थांविषयीच्या संभवनमुक्त (संयुग बनत असता निर्माण झालेल्या) ऊर्जा अगदी अचूकपणे तापमानाच्या विस्तृत टप्प्यात मोजता येतात. तथापि १,५००° के. किंवा त्यापेक्षा उच्च तापमानात मात्र बाष्पीकरण, वितळणे व उच्च विसरण त्वरा (एकमेकांत मिसळण्याच्या वेग) यांमुळे बऱ्याच अडचणी निर्माण होतात.

१५००° के. पेक्षा उच्च तापमानास रूढ उष्णतामापन फारच कठीण असे, पण इलेक्ट्रॉन भडिमारामुळे आणि प्रमाणित रेडिओ कंप्रतेच्या प्रवर्तनाने काही पदार्थांचे (उदा., तांबे, सोने, प्लॅटिनम, टँटॅलम व यांसारखे इतर अनेक पदार्थ; ग्रॅफाइटचा अपवाद सोडून) तापमान त्यांच्या विरळबिंदूंच्यावर (३,०००° के. व त्यापेक्षा उच्च) नेता येते, या तंत्राचा उष्णतामापनासाठी उपयोग करण्यात येत आहे.

उच्च तापमानक्षेत्रात रासायनिक गतिकीच्या (रासायनिक विक्रियांच्या त्वरांचा अभ्यास करणाऱ्या शास्त्राच्या) दृष्टीनेही विस्तृत अभ्यास झालेला नाही; मात्र १९६८ पासून उच्च तापमान रासायनिक गतिकीविषयी काही संशोधनात्मक लेख प्रसिद्ध झाले असून त्यांत ऑक्सिजन, नायट्रोजन, हॅलोजन, सल्फाइडे वगैरेंसारख्या संक्षारक (धातूंचा नाश करणाऱ्या) वायूंमधील परस्पर क्रियांच्या त्वरा आणि निरनिराळ्या शुद्ध धातूंचे पृष्ठभाग, मिश्रधातू आणि मृदीय पदार्थ यांसंबंधी माहिती आलेली आहे.

ज्या निर्भारित (विद्युत् भार नसलेल्या) रेणूंच्या काही जाती उच्च तापमानात स्थिरावस्थेत असतात अशा रेणूंच्या विक्रियांसंबंधी २,०००° के. पेक्षा उच्च तापमानात ऊष्मागतिकीय विचार केला आहे. अनेक संशोधकांनी ह्या उच्च तापमान गतिकीच्या फलदायी क्षेत्राचा अभ्यास केला आहे. हा अभ्यास निरनिराळ्या मूलद्रव्यांच्या निर्भारित अणूंच्या विक्रियांच्या त्वरेसंबंधी आहे. हे अणू प्रकाशरासायनिक पद्धतीने किंवा विद्युत् प्रज्योत पद्धतीने निर्माण करून त्यांच्या उच्च दाब असलेल्या व्यूहांत यादृच्छिकरीतीने (योगायोगाने) होणाऱ्या टकरांनी किंवा ज्यास्त कमी दाब आहे अशा व्यूहात, रेणवीय शलाकेच्या साहाय्याने विक्रिया घडवून आणल्या जातात. H2 रेणूपासून विद्युत् प्रज्योतीने किंवा प्रतिअणूस २·२४ इलेक्ट्रॉन व्होल्ट (१ इलेक्ट्रॉन व्होल्ट = १·६० × १०-१२ अर्ग) इतक्या ऊर्जेतील ऊष्मीय विगमनाने हायड्रोजन अणू तयार करता येतात.

५०,०००° के. पर्यंत तापमान निर्माण करण्याचे, रेणवीय प्रचलांचे, ऊष्मागतिकीय गुणधर्मांचे व गतिकीय प्रचलांचे मापन करण्याच्या तंत्रांचा विकास करण्यात आला असून त्यांचा उपयोग उच्च तापमान रसायनशास्त्रात होत आहे. ह्या क्षेत्रात आवर्त सारणीतील (विशिष्ट पद्धतीने केलेल्या मूलद्रव्यांच्या कोष्टकरूप मांडणीतील) एकूण एक मूलद्रव्यांचा अंतर्भाव होत असून सर्व प्रकारची भिन्नभिन्न निरीक्षणे व मापने यांसंबंधीचे प्रायोगिक व सैद्धांतिक कार्य चालू आहे.

लेखक : मा.ग.टोळे

स्त्रोत : मराठी विश्वकोश

संदर्भ : 1. Campbell I. E.; Sherwood E. M. Ed. High Temperature Materials and Technology, 1967.

2. Margrave J. L. Characterisation of High Temperature Vapours, 1967.