हाइड्राज़ीन (Hydrazine)

हाइड्राज़ीन (Hydrazine) एक अकार्बनिक रासायनिक यौगिक है। इसका व्यवस्थित नाम डायज़ेन (Diazane) या टेट्राहाइड्रिडोडाइनाइट्रोजन (N-N) है। इस रासायनिक यौगिक का सूत्र H₂NNH₂ (जिसे N₂H₄ भी लिखा जाता है) है। यह एक रंगहीन, ज्वलनशील तरल है जिसमें अमोनिया गैस जैसी गंध होती है। हाइड्राज़ीन एक अत्यधिक विषैला और अस्थिर रासायनिक पदार्थ है, इसलिए इसे तरल रूप में अत्यंत सावधानी के साथ संग्रहित किया जाना चाहिए। वर्ष 2000 तक, दुनिया भर में प्रति वर्ष लगभग 1.2 लाख टन हाइड्राज़ीन हाइड्रेट (वजन के हिसाब से 64% हाइड्राज़ीन का जलीय घोल) का उत्पादन हो रहा था।

हाइड्राज़ीन का उपयोग मुख्य रूप से पॉलीमर फोम बनाने में एक फोमिंग (ब्लोइंग) एजेंट के रूप में किया जाता है। बहुलकीकरण उत्प्रेरकों (polymerization catalysts) और फार्मास्युटिकल उत्पादों के निर्माण में अग्रदूत (precursor) के रूप में भी इसका व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। इसके अतिरिक्त, इसका उपयोग रॉकेट ईंधन और एयरबैग में गैस उत्पन्न करने के लिए किया जाता है। परमाणु और पारंपरिक बिजली संयंत्रों में, पानी में घुली हुई ऑक्सीजन को हटाने के लिए इसे ऑक्सीजन स्कैवेंजर के रूप में उपयोग किया जाता है।

इतिहास

1875 में, एमिल फिशर (Emil Fischer) ने कार्बनिक यौगिकों के मोनो-सबस्टीट्यूटेड डेरिवेटिव खोजने के प्रयास में 'हाइड्राज़ीन' शब्द गढ़ा। 1887 में थियोडोर कर्टियस (Theodor Curtius) ने जलीय सल्फ्यूरिक अम्ल के साथ कार्बनिक डायज़ाइड (diazide) की प्रतिक्रिया करके हाइड्राज़ीन सल्फेट का उत्पादन किया। कई प्रयासों के बावजूद, वह शुद्ध हाइड्राज़ीन का उत्पादन नहीं कर सके। बाद में, डच वैज्ञानिक लोब्री डी ब्रुइन (Lobry de Bruyn) ने 1895 में सफलतापूर्वक शुद्ध निर्जल (anhydrous) हाइड्राज़ीन का निर्माण किया।

भौतिक गुण

हाइड्राज़ीन एक रंगहीन, धुआं देने वाला, और तैलीय तरल है। इसमें अमोनिया जैसी तीखी गंध होती है। इसका आणविक भार 32.045 ग्राम/मोल है। इसका घनत्व 1.021 ग्राम/सेमी³ है। इस रासायनिक यौगिक का गलनांक 2 °C (35 °F; 275 K) और क्वथनांक 114 °C (237 °F; 387 K) है। यह पानी में घुलनशील (miscible) है। इसका अपवर्तनांक 1.46044 (22 °C पर) और श्यानता (viscosity) 0.876 cP है। इसका वाष्प दबाव 1 kPa (30.7 °C पर) है। अम्लता (pK_a): 8.10 और क्षारीयता (pK_b): 5.90 है।

अणु संरचना और गुण

निर्जल हाइड्राज़ीन की तुलना में मोनोहाइड्रेट (एक जल अणु युक्त) का घनत्व अधिक (1.032 ग्राम/सेमी³) होता है। प्रत्येक अमोनिया अणु से एक हाइड्रोजन परमाणु हटाकर, दो अमोनिया अणुओं के जुड़ने से हाइड्राज़ीन अणु बनता है। प्रत्येक H₂N-N उपभाग एक त्रिकोणीय पिरामिड (triangular pyramid) का आकार लेता है। N-N एकल बंध की दूरी 1.45 Å (145 pm) होती है और अणु गौचे विन्यास (gauche conformation) अपनाता है। अणु का घूर्णी अवरोध (rotational barrier) इथेन से दोगुना होता है। ये संरचनात्मक गुण गैसीय हाइड्रोजन पेरोक्साइड के समान होते हैं।

हाइड्राज़ीन के रासायनिक क्षारीय गुण अमोनिया के गुणों के तुलनीय हैं:

N₂H₄ + H₂O → [N₂H₅]+ + OH⁻

प्रतिस्थापन मान (Substitution values):

K_b = 1.3 x 10⁻⁶

pK_a = 8.1

(अमोनिया के लिए K_b = 1.78 x 10⁻⁵)

हाइड्राज़ीन को डिप्रोटोनेट (deprotonate) करना कठिन है:

[N₂H₅]+ + H₂O → [N₂H₆]2+ + OH− K_b = 8.4 x 10⁻¹⁶

ऑक्सीजन (हवा) के साथ हाइड्राज़ीन के दहन की ऊष्मा: 1.941 x 10⁷ J/kg (9345 BTU/lb) है।

हाइड्राज़ीन का संश्लेषण और उत्पादन

हाइड्राज़ीन के संश्लेषण के लिए वर्षों से कई उत्पादन प्रक्रियाएं विकसित की गई हैं। इसमें मुख्य चरण नाइट्रोजन-नाइट्रोजन परमाणुओं के बीच एकल बंध बनाना है। ओलिं-रास्चिग (Olin Raschig) प्रक्रिया में अमोनिया और कीटोन की आवश्यकता के बिना क्लोरीन-आधारित ऑक्सीडेंट का उपयोग किया जाता है। पेरोक्साइड प्रक्रिया में, हाइड्रोजन पेरोक्साइड कीटोन की उपस्थिति में अमोनिया को ऑक्सीकृत करता है।

हाइपोक्लोराइट और अमोनिया का उपयोग

ओलिं-रास्चिग प्रक्रिया में सोडियम हाइपोक्लोराइट और अमोनिया का उपयोग करके हाइड्राज़ीन का उत्पादन किया जाता है। इस प्रक्रिया का आविष्कार 1907 में किया गया था। इस प्रक्रिया में क्लोरोएमाइन (chloroamine), अमोनिया के साथ प्रतिक्रिया करता है, जिससे नाइट्रोजन-नाइट्रोजन परमाणुओं के बीच एकल बंध बनता है और उत्पाद के रूप में हाइड्राज़ीन तथा उपोत्पाद के रूप में हाइड्रोजन क्लोराइड प्राप्त होता है।

NH₂Cl + NH₃ → H₂N-NH₂ + HCl

हाइपोक्लोराइट के साथ यूरिया का ऑक्सीकरण

रास्चिग उत्पादन प्रक्रिया के एक संशोधन में अमोनिया गैस के बजाय यूरिया को ऑक्सीकृत करके हाइड्राज़ीन का उत्पादन किया जा सकता है। इस प्रक्रिया में भी सोडियम हाइपोक्लोराइट का उपयोग ऑक्सीकारक के रूप में किया जाता है। रासायनिक प्रतिक्रिया नीचे दी गई है:

(H₂N)₂C=O + NaOCl + 2 NaOH → N₂H₄ + H₂O + NaCl + Na₂CO₃

इस विधि में कई उपोत्पाद बनते हैं।

एसीटोन की उपस्थिति में अमोनिया को क्लोरोएमाइन द्वारा ऑक्सीकरण

बायर केटाज़ीन (Bayer Ketazine) प्रक्रिया पेरोक्साइड प्रक्रिया की पूर्ववर्ती है। इस विधि में हाइड्रोजन पेरोक्साइड के बजाय हाइपोक्लोराइट का ऑक्सीकारक के रूप में उपयोग किया जाता है। अन्य हाइपोक्लोराइट-आधारित प्रक्रियाओं की तरह, यह विधि भी हाइड्राज़ीन के समान मात्रा में लवण (salts) का उत्पादन करती है।

पेरोक्साइड से उत्पन्न ऑक्साज़िरिडीन द्वारा अमोनिया का ऑक्सीकरण

पेरोक्साइड विधि में हाइड्रोजन पेरोक्साइड के साथ अमोनिया को ऑक्सीकृत करके हाइड्राज़ीन का उत्पादन किया जा सकता है। अंतिम प्रतिक्रिया का परिणाम इस प्रकार है:

2 NH₃ + H₂O₂ → H₂N-NH₂ + 2 H₂O

इस प्रक्रिया में अमोनिया, हाइड्रोजन पेरोक्साइड और एसीटोन या मिथाइल एथिल कीटोन के साथ कई चरणों में हाइड्राज़ीन बनाया जाता है। सबसे पहले, कीटोन और अमोनिया के संघनन से इमाइन (imine) बनता है जिसे हाइड्रोजन पेरोक्साइड के साथ ऑक्सीकृत करने पर ऑक्साज़िरिडीन (oxaziridine) बनता है। इस ऑक्साज़िरिडीन को अमोनिया के साथ उपचारित करने पर हाइड्राज़ोन (hydrazone) बनता है जिसमें नाइट्रोजन-नाइट्रोजन एकल बंध होता है। हाइड्राज़ोन, कीटोन के साथ संघनित होकर एज़ीन (azine) बनाता है और इसके हाइड्रोलिसिस (hydrolysis) से अंततः हाइड्राज़ीन प्राप्त होता है।

उपयोग

हाइड्राज़ीन का उपयोग ब्लोइंग एजेंटों (blowing agents) के निर्माण में अग्रदूत (precursor) के रूप में किया जाता है। इसका उपयोग एज़ोडिकार्बोनामाइड (azodicarbonamide) और एज़ोबिसआइसोब्यूट्रोनाइट्राइल (azobisisobutyronitrile) जैसे विशेष यौगिक बनाने के लिए होता है। एक ग्राम हाइड्राज़ीन अग्रदूत से 100-200 मिली गैस उत्पन्न होती है। वाहनों के एयरबैग में गैस उत्पन्न करने वाला रसायन सोडियम एज़ाइड (sodium azide) भी हाइड्राज़ीन और सोडियम नाइट्राइट की प्रतिक्रिया से बनता है। अंतरिक्ष यानों में हाइड्राज़ीन का उपयोग प्रणोदक (propellant) के रूप में किया जाता है। औद्योगिक बॉयलरों में, यह पानी में घुली ऑक्सीजन को हटाने और पानी के pH को नियंत्रित करने में मदद करता है।

F-16 लड़ाकू जेट विमानों में आपातकालीन बिजली इकाई (EPU) में हाइड्राज़ीन का ईंधन के रूप में उपयोग किया जाता है।

दवा और कीटनाशकों का निर्माण

दवाओं और कीटनाशकों के निर्माण में हाइड्राज़ीन एक अग्रदूत और उत्पादन स्रोत के रूप में कार्य करता है। विशेष रूप से 3-अमीनो-1,2,4-ट्राईज़ोल और मैलिक हाइड्राज़ाइड का उत्पादन किया जाता है। इसी प्रकार, तपेदिक रोधी दवा आइसोनियाज़िड (isoniazid) भी हाइड्राज़ीन से उत्पन्न होती है।

हाइड्राज़ोन का उत्पादन

हाइड्राज़ीन और प्रोपेनोन की प्रतिक्रिया से एसीटोन एज़ीन (diisopropylidene hydrazine) बनता है। एसीटोन एज़ीन वापस हाइड्राज़ीन के साथ प्रतिक्रिया करके हाइड्राज़ोन बनाता है।

2(CH₃)₂CO + N₂H₄ → 2 H₂O + [(CH₃)₂C=N]₂

[(CH₃)₂C=N]₂ + N₂H₄ → 2(CH₃)₂C=NNH₂

सल्फोनेशन (Sulfonation)

एक न्यूक्लियोफाइल (nucleophile) होने के नाते, हाइड्राज़ीन सल्फोनाइल हैलाइड्स और अल्काइल हैलाइड्स के साथ प्रतिक्रिया करता है। टोसिलहाइड्राज़ीन (tosylhydrazine) के साथ कार्बोनिल्स की प्रतिक्रिया से हाइड्राज़ोन बनते हैं।

हाइड्राज़िनियम लवण (Hydrazinium salts)

खनिज अम्लों के साथ प्रतिक्रिया करके हाइड्राज़ीन को ठोस लवण में बदला जा सकता है। ऐसा ही एक लवण हाइड्राज़ीन सल्फेट ([N₂H₅]HSO₄) है, जिसे हाइड्राज़िनियम सल्फेट भी कहा जाता है। हाइड्राज़ीन और हाइड्रोज़ोइक अम्ल की प्रतिक्रिया से बना हाइड्राज़ीन एज़ाइड (N₅H₅) तकनीकी रूप से महत्वपूर्ण है क्योंकि इसमें नाइट्रोजन की उच्च मात्रा होती है और यह विस्फोटक प्रकृति का होता है। यह संरचनात्मक रूप से [N₂H₅]⁺[N₃]⁻ के रूप में मौजूद है, और इसके विस्फोटक अपघटन से हाइड्राज़ीन, अमोनिया और नाइट्रोजन गैस उत्पन्न होती है।

12 N₅H₅ → 3 N₂H₄ + 16 NH₃ + 19 N₂

सल्फ्यूरिक अम्ल के साथ हाइड्राज़ीन की प्रतिक्रिया से शुद्ध हाइड्राज़ीन सल्फेट और हाइड्रोज़ोइक अम्ल बनता है।

हाइड्राज़ीन के अन्य औद्योगिक उपयोग

हाइड्राज़ीन का उपयोग कई रासायनिक प्रक्रियाओं में किया जाता है। इसका उपयोग स्पैन्डेक्स (spandex) फाइबर के उत्पादन में, पॉलिमराइजेशन उत्प्रेरक के रूप में, ईंधन सेल (fuel cells) में, सोल्डरिंग फ्लक्स में और फोटोग्राफिक डेवलपर्स में किया जाता है। लॉकहीड F-16 फाइटिंग फाल्कन लड़ाकू विमान की आपातकालीन बिजली इकाई में बिजली पैदा करने के लिए 70% हाइड्राज़ीन और 30% पानी के मिश्रण का उपयोग किया गया था। हाइड्राज़ीन का उपयोग अक्सर भारी बॉयलरों में धातु क्षरण (corrosion) को रोकने और ऑक्सीजन को हटाने वाले एजेंट के रूप में किया जाता था, लेकिन इसके विषैले स्वभाव के कारण इसका उपयोग कम कर दिया गया है।

रॉकेट ईंधन के रूप में उपयोग

द्वितीय विश्व युद्ध के दौरान, रॉकेट से चलने वाले लड़ाकू विमान Messerschmitt Me 163B में हाइड्राज़ीन को B-Stoff (हाइड्राज़ीन हाइड्रेट) नाम से ईंधन के रूप में इस्तेमाल किया गया था। जब हाइड्राज़ीन को मेथनॉल (M-Stoff) और पानी के साथ मिलाया जाता है, तो इसे C-stoff कहा जाता है।

अंतरिक्ष रॉकेट के नियंत्रण थ्रस्टर्स में इसे कम ऊर्जा वाले एकल प्रणोदक (mono propellant) के रूप में उपयोग किया जाता है। इसके अलावा, स्पेस शटल की सहायक बिजली इकाइयों (APU) में भी इसका उपयोग बिजली जनरेटर के रूप में किया गया है।

एकल प्रणोदक (monopropellant) इंजनों में उपयोग किया जाने वाला हाइड्राज़ीन उत्प्रेरक की उपस्थिति में निम्नलिखित रासायनिक परिवर्तनों से गुजरता है:

3N₂H₄ → 4NH₃ + N₂

N₂H₄ → N₂ + 2 H₂

4 NH₃ + N₂H₄ → 3 N₂ + 8 H₂

इन प्रतिक्रियाओं में पहली और दूसरी प्रतिक्रियाएँ ऊष्माक्षेपी (exothermic) हैं (प्रतिक्रिया कक्ष में तापमान एक मिलीसेकंड में 800 °C तक पहुँच जाता है)। अत्यधिक तापमान के कारण तरल की थोड़ी मात्रा से भारी मात्रा में गर्म गैसें उत्पन्न होती हैं। इस कारण से हाइड्राज़ीन 220 सेकंड के विशिष्ट आवेग (specific impulse) के साथ एक कुशल थ्रस्टर प्रणोदक के रूप में काम करता है। तीसरी प्रतिक्रिया एक ऊष्माशोषी (endothermic) प्रतिक्रिया है जो तापमान को कम कर देती है लेकिन अणुओं की एक बड़ी संख्या पैदा करती है।

रॉकेट ईंधन के रूप में उपयोग किए जाने वाले अन्य हाइड्राज़ीन डेरिवेटिव्स में मोनोमिथाइलहाइड्राज़ीन (CH₃NHNH₂) और असममित डाइमिथाइलहाइड्राज़ीन (UDMH) शामिल हैं। इन ईंधनों को अक्सर नाइट्रोजन टेट्राक्साइड (N₂O₄) के साथ मिलाकर द्वि-घटक (two-component) रॉकेट ईंधन के रूप में उपयोग किया जाता है।

इसरो (ISRO) द्वारा लॉन्च किए गए PSLV उपग्रह प्रक्षेपण यानों में असममित डाइमिथाइल हाइड्राज़ीन (UDMH) और नाइट्रोजन टेट्राक्साइड (N₂O₄) का प्रणोदक ईंधन के रूप में उपयोग किया गया है। डाइमिथाइल हाइड्राज़ीन का ईंधन के रूप में और नाइट्रोजन टेट्राक्साइड का ऑक्सीकारक के रूप में उपयोग किया गया है।

खतरे (Hazards)

हाइड्राज़ीन एक अत्यधिक विषैला और खतरनाक रसायन है। अमेरिकी पर्यावरण संरक्षण एजेंसी (EPA) के अनुसार, निर्जल (anhydrous) रूप में यह अस्थिर और खतरनाक भी है। कम समय में बड़ी खुराक के संपर्क में आने से आंख, नाक और गले में जलन, सिरदर्द, उल्टी, बेहोशी या कोमा जैसे दुष्प्रभाव हो सकते हैं। अत्यधिक जोखिम से यकृत (liver), गुर्दे (kidneys) और केंद्रीय तंत्रिका तंत्र (CNS) को नुकसान पहुंच सकता है। जानवरों में यह फेफड़े, यकृत, थायरॉयड और प्लीहा (spleen) को प्रभावित करता है।