बर्तन में पानी डालकर गर्म करने पर वह द्रव बना रहता है और 100°C तक पहुँचने पर भाप बनकर उड़ने लगता है। प्रेशर कुकर की तरह दबाव बढ़ाने पर क्वथनांक बढ़ जाता है और पानी अधिक गर्म होने पर भी द्रव बना रहता है। इसके विपरीत, ऊँचे पहाड़ों पर दबाव कम होने के कारण पानी 100°C से कम तापमान पर उबलता है, इसलिए कभी-कभी चावल अधपके रह जाते हैं। तो फिर यदि तापमान और दबाव दोनों को लगातार बढ़ाते जाएँ, तो पानी का क्या होगा?
एक निश्चित बिंदु से आगे जाने पर द्रव और गैस को अलग करने वाली सीमा गायब हो जाती है और एक ऐसी अवस्था सामने आती है जिसे दोनों में से कोई एक कहना कठिन होता है। इस तरह क्रांतिक बिंदु से अधिक तापमान और दबाव पर मौजूद उस पदार्थ को, जिसमें द्रव और गैस का अंतर मिट गया हो, ‘अतिक्रांतिक द्रव (Supercritical Fluid)’ कहते हैं। गैस की तरह फैलने और द्रव की तरह दूसरे पदार्थों को अच्छी तरह घोलने के अनोखे गुण के कारण इसका उपयोग कॉफी कारखानों से लेकर बिजलीघरों तक कई जगह होता है।
इस सामग्री में हम क्रम से उस क्रांतिक बिंदु का अर्थ समझेंगे जहाँ अतिक्रांतिक द्रव बनता है, गैस और द्रव के बीच के उसके गुणों को जानेंगे, उद्योगों में उसके उपयोग के उदाहरण देखेंगे और प्रकृति में पाए जाने वाले अतिक्रांतिक द्रवों पर भी चर्चा करेंगे।
न द्रव, न गैस की अवस्था: अतिक्रांतिक द्रव
क्रांतिक बिंदु क्या है?
अतिक्रांतिक द्रव को समझने के लिए पहले तापमान और दबाव की उस विशेष स्थिति को जानना आवश्यक है जिसे क्रांतिक बिंदु (Critical Point) कहते हैं।
(1) क्वथनांक वक्र का अंतिम सिरा
दबाव बढ़ाने पर पदार्थ का क्वथनांक बढ़ता है। दबाव और तापमान के अनुसार द्रव तथा गैस को अलग करने वाली सीमा को जोड़कर खींचने पर एक वक्र बनता है, लेकिन यह वक्र अनंत तक नहीं चलता, बल्कि एक निश्चित बिंदु पर समाप्त हो जाता है। यही अंतिम बिंदु क्रांतिक बिंदु है।
(2) सीमा के गायब होने का क्षण
क्रांतिक बिंदु के करीब पहुँचने पर द्रव क्रमशः कम सघन और गैस अधिक सघन होती जाती है। अंततः क्रांतिक बिंदु पर दोनों का घनत्व समान हो जाता है, जिससे द्रव और गैस में अंतर करना संभव नहीं रहता और केवल एक ही द्रव बचता है। क्रांतिक तापमान से अधिक गर्म गैस को कितना भी दबाएँ, वह तरल अवस्था में नहीं बदलती।
(3) हर पदार्थ का अलग क्रांतिक बिंदु
पानी का क्रांतिक बिंदु लगभग 374°C और लगभग 22MPa है, जो वायुमंडलीय दबाव के 200 गुने से भी अधिक है। दूसरी ओर, कार्बन डाइऑक्साइड लगभग 31°C और लगभग 7.4MPa पर क्रांतिक बिंदु तक पहुँच जाती है, इसलिए उसे अपेक्षाकृत आसानी से अतिक्रांतिक अवस्था में लाया जा सकता है। इसके अलावा, कार्बन डाइऑक्साइड की विषाक्तता कम है, वह जलती नहीं है और सस्ती भी है, इसलिए वह उद्योगों में सबसे अधिक इस्तेमाल होने वाला अतिक्रांतिक विलायक बन गई है।
गैस और द्रव के बीच के गुण
अतिक्रांतिक द्रव में गैस और द्रव दोनों के उपयोगी गुण होते हैं, इसलिए रसायनविद इसमें विशेष रुचि लेते हैं।
(1) गैस की तरह आसानी से भीतर प्रवेश करने का गुण
अतिक्रांतिक द्रव की श्यानता इतनी कम होती है कि वह गैस के करीब होती है और उसके अणु तेजी से फैलते हैं। इसलिए वह छिद्रों वाले ठोस पदार्थों में भी गैस की तरह आसानी से प्रवेश करके हर कोने तक पहुँच सकता है। इसी कारण कच्चे माल की गहराई में छिपे घटकों को भी कम समय में निकाला जा सकता है।
(2) द्रव की तरह अच्छी तरह घोलने का गुण
इसका घनत्व बढ़कर द्रव के करीब पहुँच सकता है, इसलिए दूसरे पदार्थों को घोलने की इसकी क्षमता गैस से कहीं अधिक होती है। साथ ही, द्रव और गैस के बीच कोई अंतरापृष्ठ न होने के कारण पृष्ठ तनाव भी उत्पन्न नहीं होता।
(3) घुंडी घुमाने की तरह समायोजित किए जा सकने वाले गुण
क्रांतिक बिंदु के पास दबाव या तापमान में थोड़ा-सा बदलाव करने पर भी घनत्व बहुत बदल जाता है। घनत्व बदलने के साथ घोलने की क्षमता भी बदलती है, इसलिए दबाव को समायोजित करके केवल वांछित घटक को चुनकर घोला जा सकता है या फिर उसे अलग किया जा सकता है। एक ही विलायक से कई घटकों को क्रमशः अलग करके प्राप्त कर पाना इसका बड़ा लाभ है।
अतिक्रांतिक द्रव के उपयोग
इन गुणों के कारण अतिक्रांतिक द्रव का व्यापक उपयोग हानिकारक कार्बनिक विलायकों के स्थान पर एक स्वच्छ विलायक के रूप में होता है।
- कैफीनरहित कॉफी (Decaffeinated Coffee): अतिक्रांतिक कार्बन डाइऑक्साइड से भूनने से पहले के कच्चे कॉफी बीजों से कैफीन निकाला जाता है। दबाव घटाने पर कार्बन डाइऑक्साइड गैस बनकर उड़ जाती है, जिससे लगभग कोई विलायक शेष नहीं रहता।
- बीयर और सुगंधित पदार्थ (Hops and Fragrance Extraction): यही विधि बीयर में इस्तेमाल होने वाले हॉप्स के घटक, फूलों की सुगंध और पौधों के तेल निकालने के लिए भी इस्तेमाल की जाती है।
- अतिक्रांतिक शुष्कन (Supercritical Drying): पृष्ठ तनाव के बिना विलायक को निकाला जा सकता है, इसलिए बहुत हल्के और अत्यधिक छिद्रयुक्त एरोजेल या नाजुक जैविक नमूनों को नुकसान पहुँचाए बिना सुखाया जा सकता है।
- अतिक्रांतिक द्रव क्रोमैटोग्राफी (Supercritical Fluid Chromatography): यह मिश्रण को उसके अलग-अलग घटकों में बाँटने की एक विश्लेषण विधि है। इसमें ऊष्मा के प्रति संवेदनशील पदार्थों को भी संभाला जा सकता है, इसलिए इसका उपयोग दर्पण प्रतिबिंब की तरह एक-दूसरे से मिलते-जुलते औषधीय अणुओं में अंतर करने के लिए किया जाता है।
- अतिक्रांतिक विद्युत उत्पादन (Supercritical Power Generation): पानी को गर्म करके अतिक्रांतिक अवस्था में लाने और उससे टरबाइन चलाने पर सामान्य विद्युत उत्पादन विधि की तुलना में तापीय दक्षता लगभग 39% से बढ़ाकर लगभग 45% तक की जा सकती है।
प्रकृति में अतिक्रांतिक द्रव
अतिक्रांतिक द्रव केवल प्रयोगशालाओं और कारखानों में ही मौजूद नहीं होते, बल्कि पृथ्वी और अन्य ग्रहों पर भी प्राकृतिक रूप से बनते हैं।
(1) तोप के भीतर पहली बार खोजी गई अवस्था
1822 में फ्रांस के शार्ल कान्यार द ला तूर (Charles Cagniard de la Tour) ने एक तोप की नाल में द्रव और पत्थर की गोली डालकर उसे सील कर दिया तथा गर्म करते हुए गोली के लुढ़कने की आवाज सुनी। एक निश्चित तापमान पर आवाज बदलने को पहचानकर उन्होंने पहली बार उस क्रांतिक बिंदु की खोज की जहाँ द्रव और गैस का अंतर मिट जाता है।
(2) गहरे समुद्र के जलतापीय निकास
समुद्र तल के जलतापीय निकासों से लगभग 400°C तक गर्म पानी निकलता है। माना जाता है कि गहरे समुद्र के उच्च दबाव में इस पानी का कुछ हिस्सा अतिक्रांतिक अवस्था तक पहुँच जाता है।
(3) शुक्र का गर्म वायुमंडल
शुक्र का वायुमंडल मुख्यतः कार्बन डाइऑक्साइड से बना है और उसकी सतह का तापमान लगभग 462°C तथा दबाव पृथ्वी के लगभग 90 गुने तक पहुँचता है। ये परिस्थितियाँ कार्बन डाइऑक्साइड के क्रांतिक बिंदु से बहुत आगे की हैं, इसलिए शुक्र की सतह को ढकने वाला वायुमंडल अतिक्रांतिक द्रव की अवस्था में है।
अतिक्रांतिक द्रव दिखाते हैं कि ठोस, द्रव और गैस के परिचित वर्ग हमेशा पूरी तरह सटीक नहीं बैठते। केवल तापमान और दबाव के दो नियंत्रणों से पदार्थ के गुण बदले जा सकते हैं; यह बात अधिक स्वच्छ रासायनिक प्रक्रियाएँ खोजने में भी एक महत्वपूर्ण संकेत देती है।
इन सीमाओं से परे की अवस्थाओं को समझना ही पदार्थों के उपयोग के नए तरीके खोजने वाले रसायन विज्ञान का पहला कदम है।
