catalyst (उत्प्रेरक)

January 27, 2025

catalyst (उत्प्रेरक)

A catalyst is a substance that increases the rate of a chemical reaction without being consumed or permanently altered in the process. Catalysts are crucial in both biological systems and industrial applications, as they enable reactions to occur more efficiently and under milder conditions. Here’s a detailed breakdown:

Types of Catalyst

1. Homogeneous Catalysts

Homogeneous catalysts are in the same phase (usually liquid or gas) as the reactants. Their uniform distribution makes them effective in speeding up reactions.

Examples:

Acid-Catalyzed Esterification:

Reaction: Formation of esters by reacting carboxylic acids with alcohols.
Catalyst: Sulfuric acid (H₂SO₄).
Equation: $C H_{3} C O O H + C H_{3} C H_{2} O H \overset{H_{2} S O_{4}}{\to} C H_{3} C O O C H_{2} C H_{3} + H_{2} O$
Application: Production of fragrances and solvents.

Ozone Depletion:

Reaction: Chlorine radicals act as homogeneous catalysts.
Mechanism:
1. $Cl· + O₃ \to ClO· + O₂$
2. $ClO· + O \to Cl· + O₂$
Catalyst: Chlorine radical ( $C l \cdot) regenerates after the reaction.$
Environmental Impact: Accelerates the breakdown of the ozone layer.

2. Heterogeneous Catalysts

Heterogeneous catalysts are in a different phase from the reactants, often solid catalysts interacting with gaseous or liquid reactants.

Examples:

Haber Process:

Reaction: Synthesis of ammonia (NH₃) from nitrogen (N₂) and hydrogen (H₂).
Catalyst: Iron (Fe) with promoters like potassium oxide (K₂O).
Conditions: 400–500°C, 150–200 atm.
Equation: $N₂ + 3H₂ \xrightarrow{Fe} 2NH₃$
Application: Fertilizer production.

Catalytic Converters:

Reaction: Conversion of harmful gases in vehicle emissions into less harmful substances.
Catalysts: Platinum (Pt), Palladium (Pd), and Rhodium (Rh).
Mechanism:
1. Oxidation: $CO + O₂ \to CO₂$
2. Reduction: $N O + C O \to N_{2} + C O_{2}$
Application: Reducing air pollution.

3. Enzymes (Biocatalysts)

Enzymes are protein-based biological catalysts that function in living organisms. They are highly specific to substrates and operate under mild conditions.

Examples:

Amylase:
- Reaction: Hydrolysis of starch into maltose.
- Equation: $(C₆H₁₀O₅)_n + H₂O \xrightarrow{\text{Amylase}} n(C₁₂H₂₂O₁₁)$
- Application: Food industry for brewing and baking.
DNA Polymerase:

Reaction: Catalyzes the replication of DNA by adding nucleotides to a DNA strand.
Application: Biotechnology, PCR (Polymerase Chain Reaction) for DNA amplification.

4. Autocatalysts

In autocatalysis, the product of the reaction serves as the catalyst for the same reaction, leading to a self-accelerating process.

Examples:

Decomposition of Hydrogen Peroxide:
- Reaction: $2H₂O₂ \to 2H₂O + O₂$
- Catalyst: Manganese dioxide (MnO₂) or the intermediate oxygen gas can act as a catalyst in subsequent steps.
- Application: Laboratory experiments and cleaning wounds.

5. Photocatalysts

Photocatalysts require light to activate a reaction, usually by generating electron-hole pairs.

Examples:

Titanium Dioxide (TiO₂) in Water Purification:

Reaction: Breakdown of organic pollutants in water.
Mechanism:
1. TiO₂ absorbs UV light, producing electron-hole pairs.
2. Electrons react with $O₂$ , forming superoxide radicals.
3. Holes react with water, forming hydroxyl radicals.
Application: Water purification and solar cells.

Chlorophyll in Photosynthesis:
- Reaction: Conversion of carbon dioxide and water into glucose using sunlight.
- Catalyst: Chlorophyll absorbs light to initiate the process.
- Equation: $6CO₂ + 6H₂O + \text{light} \xrightarrow{\text{Chlorophyll}} C₆H₁₂O₆ + 6O₂$
- Application: Foundation of the food chain.

6. Industrial Processes Using Catalysts

Catalysts play a pivotal role in various large-scale industrial processes:

Contact Process (Production of sulfuric acid):
- Reaction: Oxidation of $SO₂$ to $SO₃$ .
- Catalyst: Vanadium(V) oxide ( $V₂O₅$ ).
- Equation: $2SO₂ + O₂ \xrightarrow{V₂O₅} 2SO₃$
Polymerization with Ziegler-Natta Catalysts:

Reaction: Polymerization of ethylene or propylene into plastics.
Catalyst: Titanium(III) chloride ( $TiCl₃$ ) with aluminum alkyls.
Application: Production of polyethylene and polypropylene.

How Catalysts Work

A catalyst works by lowering the activation energy (the energy required to start a chemical reaction). It provides an alternative reaction pathway that allows reactants to convert into products more efficiently. Importantly, a catalyst is not consumed in the reaction and remains unchanged at the end.

The process can be broken down into the following steps:

1. Adsorption of Reactants (for Heterogeneous Catalysts)

In heterogeneous catalysis, reactants adsorb (attach) onto the surface of a solid catalyst.
This weakens the chemical bonds within the reactant molecules, making them more reactive.

Example: Catalytic Converters

Reaction: $2CO + O₂ \to 2CO₂$
Catalyst: Platinum (Pt) or Palladium (Pd).
Mechanism:
- $CO$ and $O₂$ molecules adsorb onto the catalyst's surface.
- Bonds in the $O₂$ molecule are weakened, splitting it into oxygen atoms.
- The oxygen atoms react with $CO$ to form $CO₂$ , which desorbs (detaches) from the catalyst surface.

2. Formation of an Intermediate (for Homogeneous Catalysts)

In homogeneous catalysis, the catalyst reacts with one or more reactants to form a temporary intermediate compound.
This intermediate is more reactive than the original reactants, leading to faster product formation.

Example: Esterification

Reaction: $C H_{3} C O O H + C H_{3} C H_{2} O H \to C H_{3} C O O C H_{2} C H_{3} + H_{2} O$
Catalyst: $H₂SO₄$ (sulfuric acid).
Mechanism:

$H₂SO₄$ donates a proton ( $H^+$ ) to the carboxylic acid ( $CH₃COOH$ ).
A reactive intermediate is formed, making it easier for the alcohol ( $CH₃CH₂OH$ ) to attack and form the ester.

3. Reduction of Activation Energy

Catalysts provide an alternative reaction pathway with a lower activation energy by:

Stabilizing intermediates.
Offering a surface where reactants align in favorable orientations.

Example: Decomposition of Hydrogen Peroxide

Reaction: $2 H_{2} O_{2} \to 2 H_{2} O + O_{2}$
Catalyst: Manganese dioxide ( $MnO₂$ ).
Without a catalyst, hydrogen peroxide decomposes very slowly because of the high energy barrier.
With $MnO₂$ , the reaction occurs rapidly as it provides an alternative pathway with lower activation energy.

4. Desorption of Products (for Heterogeneous Catalysts)

After the reaction occurs, the products detach from the catalyst’s surface to make room for new reactant molecules.

Example: Haber Process

Reaction: $N_{2} + 3 H_{2} \to 2 N H_{3}$
Catalyst: Iron ( $Fe$ ).
Mechanism:
1. $N₂$ and $H₂$ molecules adsorb onto the iron surface.
2. Bonds within $N₂$ and $H₂$ break, forming reactive nitrogen and hydrogen atoms.
3. These atoms combine to form $NH₃$ , which desorbs from the iron surface.

5. Role in Reversible Reactions

Catalysts accelerate both the forward and reverse reactions equally. They help the system reach equilibrium faster but do not alter the equilibrium position.

Example: Contact Process

Reaction: $2 S O_{2} + O_{2} \to 2 S O_{3}$
Catalyst: Vanadium(V) oxide ( $V₂O₅$ ).
Mechanism:
- $V₂O₅$ facilitates the oxidation of sulfur dioxide ( $SO₂$ ) by transferring oxygen atoms, speeding up both forward and reverse reactions.

Energy Profile of a Catalyzed Reaction

Below is a comparison of the energy profiles for catalyzed and uncatalyzed reactions:

Uncatalyzed Reaction:
- High activation energy.
- Slower reaction.
Catalyzed Reaction:
- Lower activation energy.
- Faster reaction.

Key Point: The catalyst lowers the activation energy by stabilizing the transition state (a high-energy intermediate between reactants and products).

Examples in Nature and Industry

Enzymes in Biology:
- Amylase in saliva lowers the activation energy for starch breakdown, allowing digestion at body temperature.
Industrial Catalysts:
- Platinum in Fuel Cells:
  - Reaction: $H₂ + O₂ \to H₂O$ (produces electricity).
  - Platinum facilitates electron transfer, lowering the energy needed for the reaction.
Environmental Catalysts:
- Titanium Dioxide in Photocatalysis:
  - UV light activates TiO₂ to decompose organic pollutants in water.

Summary of How Catalysts Work:

Adsorption of reactants (if heterogeneous).
Formation of intermediate(s) (if homogeneous).
Reduction of activation energy.
Proper orientation of reactants.
Desorption of products.

Characteristics of Catalysts

Specificity:
- Many catalysts are selective, promoting one reaction pathway over others.
Reusability:
- They are not consumed in the reaction, so they can be reused.
Efficiency:
- Even a small amount of catalyst can significantly accelerate a reaction.
Sensitivity:
- Catalysts can be sensitive to temperature, pressure, or impurities.

Applications of Catalysts

Industrial
- Haber Process: Iron catalyst for ammonia synthesis.
- Petrochemical Industry: Catalytic cracking of hydrocarbons.
- Polymerization: Ziegler-Natta catalysts for plastic production.
Environmental
- Catalytic converters in vehicles reduce harmful emissions.
- Photocatalysts for water purification and solar energy conversion.
Biological
- Enzymes catalyze reactions necessary for life, such as digestion and respiration.
Energy
- Fuel cells and batteries rely on catalysts for efficiency.

Examples of Common Catalysts

Platinum and Palladium: Used in hydrogenation and fuel cells.
Zeolites: Used in refining petroleum.
Rhodium: Reduces nitrogen oxides in catalytic converters.
Vanadium(V) Oxide: Used in the Contact Process for sulfuric acid production.

In HINDI :-

कैटेलिस्ट (उत्प्रेरक) एक ऐसा पदार्थ है जो किसी रासायनिक अभिक्रिया की गति को बढ़ाता है। यह अभिक्रिया की प्रारंभिक ऊर्जा (Activation Energy) को कम करता है, लेकिन खुद प्रतिक्रिया के दौरान न तो उपभोग होता है और न ही स्थायी रूप से बदलता है। कैटेलिस्ट निम्नलिखित में अहम भूमिका निभाते हैं:

कैटेलिस्ट के प्रकार और उनके विस्तृत उदाहरण

1. समरूप कैटेलिस्ट (Homogeneous Catalysts)

समरूप कैटेलिस्ट अभिकारकों (Reactants) के समान अवस्था (Liquid, Gas) में होते हैं। उनकी समान रूप से वितरण की क्षमता प्रतिक्रिया को तेज बनाती है।

उदाहरण:

एसिड द्वारा एस्टरीकरण (Acid-Catalyzed Esterification):
- प्रतिक्रिया: कार्बोक्सिलिक अम्ल (Carboxylic Acid) और अल्कोहल (Alcohol) के बीच एस्टर का निर्माण।
- कैटेलिस्ट: सल्फ्यूरिक एसिड ( $H₂SO₄$ )।
- समीकरण: $CH₃COOH + CH₃CH₂OH \xrightarrow{H_2SO_4} CH₃COOCH₂CH₃ + H₂O$
- उपयोग: खुशबू (Fragrances) और सॉल्वेंट्स के उत्पादन में।
ओज़ोन परत का ह्रास (Ozone Depletion):
- प्रतिक्रिया: क्लोरीन रेडिकल ( $Cl·$ ) एक समरूप कैटेलिस्ट के रूप में कार्य करता है।
- मैकेनिज़्म:
  1. $Cl· + O₃ \to ClO· + O₂$
  2. $ClO· + O \to Cl· + O₂$
- परिणाम: ओज़ोन परत का क्षरण (Breakdown)।

2. विषम कैटेलिस्ट (Heterogeneous Catalysts)

विषम कैटेलिस्ट अभिकारकों से भिन्न अवस्था (Phase) में होते हैं, जैसे कि ठोस कैटेलिस्ट गैस या द्रव अभिकारकों के साथ प्रतिक्रिया करता है।

उदाहरण:

हैबर प्रक्रिया (Haber Process):
- प्रतिक्रिया: नाइट्रोजन ( $N₂$ ) और हाइड्रोजन ( $H₂$ ) से अमोनिया ( $NH₃$ ) का संश्लेषण।
- कैटेलिस्ट: लोहे (Iron) के साथ पोटैशियम ऑक्साइड ( $K₂O$ )।
- परिस्थितियां: 400–500°C तापमान, 150–200 वायुमंडल दबाव।
- समीकरण: $N₂ + 3H₂ \xrightarrow{Fe} 2NH₃$
- उपयोग: उर्वरक (Fertilizer) उत्पादन में।
कैटेलिटिक कन्वर्टर्स (Catalytic Converters):
- प्रतिक्रिया: वाहनों से निकलने वाले हानिकारक गैसों को कम करना।
- कैटेलिस्ट: प्लेटिनम (Pt), पैलेडियम (Pd), और रोडियम (Rh)।
- मैकेनिज़्म:
  1. ऑक्सीकरण: $CO + O₂ \to CO₂$
  2. अपचयन: $NO + CO \to N₂ + CO₂$
- उपयोग: वायु प्रदूषण कम करना।

3. एंजाइम (Biocatalysts)

एंजाइम जैविक प्रोटीन-आधारित कैटेलिस्ट होते हैं, जो जीवों में जैव-रासायनिक प्रतिक्रियाओं को तेज करते हैं।

उदाहरण:

एमाइलेज (Amylase):
- प्रतिक्रिया: स्टार्च को माल्टोज़ (Maltose) में हाइड्रोलाइज़ करना।
- समीकरण: $(C₆H₁₀O₅)_n + H₂O \xrightarrow{\text{Amylase}} n(C₁₂H₂₂O₁₁)$
- उपयोग: बेकिंग और ब्रूइंग उद्योग में।
डीएनए पॉलिमरेज (DNA Polymerase):
- प्रतिक्रिया: डीएनए के प्रतिकृति (Replication) में न्यूक्लियोटाइड जोड़ना।
- उपयोग: बायोटेक्नोलॉजी और पीसीआर (Polymerase Chain Reaction) में।

4. ऑटोकैटेलिस्ट (Autocatalysts)

ऑटोकैटेलिसिस में प्रतिक्रिया का उत्पाद ही कैटेलिस्ट का काम करता है, जिससे प्रतिक्रिया स्व-त्वरण (Self-accelerating) हो जाती है।

उदाहरण:

हाइड्रोजन पेरोक्साइड का विघटन (Decomposition of Hydrogen Peroxide):
- प्रतिक्रिया: $2H₂O₂ \to 2H₂O + O₂$
- कैटेलिस्ट: मैंगनीज डाइऑक्साइड ( $MnO₂$ )।
- उपयोग: प्रयोगशालाओं और घावों की सफाई में।

5. प्रकाश उत्प्रेरक (Photocatalysts)

प्रकाश उत्प्रेरक प्रतिक्रिया को शुरू करने के लिए प्रकाश की आवश्यकता रखते हैं।

उदाहरण:

टाइटेनियम डाइऑक्साइड (TiO₂):
- प्रतिक्रिया: पानी में मौजूद जैविक प्रदूषकों का विघटन।
- मैकेनिज़्म:
  1. $TiO₂$ पर यूवी प्रकाश गिरने से इलेक्ट्रॉन-होल जोड़े बनते हैं।
  2. इलेक्ट्रॉन्स $O₂$ के साथ प्रतिक्रिया करके सुपरऑक्साइड रेडिकल बनाते हैं।
  3. होल्स पानी के साथ प्रतिक्रिया करके हाइड्रॉक्सिल रेडिकल बनाते हैं।
- उपयोग: जल शुद्धिकरण और सौर ऊर्जा।
फोटोसिंथेसिस में क्लोरोफिल (Chlorophyll in Photosynthesis):

प्रतिक्रिया: कार्बन डाइऑक्साइड और पानी को ग्लूकोज में परिवर्तित करना।
कैटेलिस्ट: क्लोरोफिल प्रकाश को अवशोषित करता है।
समीकरण: $6CO₂ + 6H₂O + \text{light} \xrightarrow{\text{Chlorophyll}} C₆H₁₂O₆ + 6O₂$
उपयोग: खाद्य श्रृंखला की नींव।

6. औद्योगिक प्रक्रियाओं में प्रयुक्त कैटेलिस्ट (Industrial Processes Using Catalysts)

औद्योगिक प्रक्रियाओं में कैटेलिस्ट बड़े पैमाने पर रासायनिक उत्पादन को कुशल और आर्थिक रूप से संभव बनाते हैं।

उदाहरण:

कॉन्टैक्ट प्रक्रिया (Contact Process):
- प्रतिक्रिया: सल्फर डाइऑक्साइड ( $SO₂$ ) का ऑक्सीकरण सल्फर ट्राइऑक्साइड ( $SO₃$ ) में।
- कैटेलिस्ट: वैनेडियम(V) ऑक्साइड ( $V₂O₅$ )।
- समीकरण: $2SO₂ + O₂ \xrightarrow{V₂O₅} 2SO₃$
- उपयोग: सल्फ्यूरिक एसिड ( $H₂SO₄$ ) के उत्पादन में, जो उर्वरक और रसायनों में उपयोग होता है।
ज़िग्लर-नट्टा कैटेलिस्ट (Ziegler-Natta Catalysts):
- प्रतिक्रिया: एथिलीन ( $C₂H₄$ ) या प्रोपिलीन ( $C₃H₆$ ) का पॉलीमर में रूपांतरण।
- कैटेलिस्ट: टाइटेनियम(III) क्लोराइड ( $TiCl₃$ ) और एल्यूमीनियम अल्काइल।
- उपयोग: पॉलीथीन और पॉलीप्रोपलीन जैसे प्लास्टिक के उत्पादन में।
ऑस्टवाल्ड प्रक्रिया (Ostwald Process):
- प्रतिक्रिया: अमोनिया ( $NH₃$ ) का नाइट्रिक एसिड ( $HNO₃$ ) में रूपांतरण।
- कैटेलिस्ट: प्लेटिनम (Pt) और रोडियम (Rh)।
- समीकरण:
  1. $4NH₃ + 5O₂ \xrightarrow{Pt/Rh} 4NO + 6H₂O$
  2. $2NO + O₂ \to 2NO₂$
  3. $3NO₂ + H₂O \to 2HNO₃ + NO$
- उपयोग: नाइट्रिक एसिड का उपयोग उर्वरकों और विस्फोटकों में होता है।

अन्य आम कैटेलिस्ट और उनके उपयोग:

प्लेटिनम और पैलेडियम: हाइड्रोजनीकरण और फ्यूल सेल्स में।
ज़िओलाइट्स: पेट्रोलियम रिफाइनिंग।
रोडियम: कैटेलिटिक कन्वर्टर्स में नाइट्रोजन ऑक्साइड को कम करने के लिए।
निकेल (Ni): वसा और तेलों के हाइड्रोजनीकरण में।

कैटेलिस्ट कैसे काम करते हैं?

कैटेलिस्ट एक ऐसा पदार्थ है जो किसी रासायनिक अभिक्रिया की प्रारंभिक ऊर्जा (Activation Energy) को कम करता है। यह एक वैकल्पिक प्रतिक्रिया मार्ग प्रदान करता है, जिससे अभिक्रिया तेज़ी से और कुशलता से होती है। खास बात यह है कि कैटेलिस्ट प्रतिक्रिया के दौरान खुद उपभोग नहीं होता और प्रतिक्रिया के अंत में अपरिवर्तित रहता है।

कैटेलिस्ट के कार्य करने की प्रक्रिया को निम्नलिखित चरणों में समझा जा सकता है:

1. प्रतिक्रियाओं का अवशोषण (Adsorption of Reactants)

यदि कैटेलिस्ट ठोस हो (Heterogeneous Catalyst), तो अभिकारक (Reactants) कैटेलिस्ट की सतह पर चिपकते हैं।
यह प्रक्रिया अभिकारकों के रासायनिक बंधनों को कमजोर कर देती है, जिससे वे अधिक प्रतिक्रियाशील हो जाते हैं।

उदाहरण: कैटालिटिक कन्वर्टर (Catalytic Converter)

अभिक्रिया: $2 C O + O_{2} \to 2 C O_{2}$
कैटेलिस्ट: प्लेटिनम (Platinum) या पैलेडियम (Palladium)।
तंत्र:
- कार्बन मोनोऑक्साइड ( $CO$ ) और ऑक्सीजन ( $O₂$ ) कैटेलिस्ट की सतह पर चिपकते हैं।
- $O₂$ के अणु का बंधन टूट जाता है, और ऑक्सीजन परमाणु $CO$ के साथ मिलकर $CO₂$ बनाते हैं, जो सतह से अलग हो जाता है।

2. मध्यवर्ती यौगिक का निर्माण (Formation of Intermediate)

यदि कैटेलिस्ट और अभिकारक एक ही अवस्था में हैं (Homogeneous Catalyst), तो कैटेलिस्ट अभिकारकों के साथ मिलकर एक अस्थायी मध्यवर्ती यौगिक बनाता है।
यह मध्यवर्ती यौगिक मूल अभिकारकों की तुलना में अधिक प्रतिक्रियाशील होता है।

उदाहरण: एस्टरीकरण (Esterification)

अभिक्रिया: $CH₃COOH + CH₃CH₂OH \to CH₃COOCH₂CH₃ + H₂O$
कैटेलिस्ट: सल्फ्यूरिक एसिड ( $H₂SO₄$ )।
तंत्र:
- सल्फ्यूरिक एसिड ( $H₂SO₄$ ) एक प्रोटॉन ( $H^+$ ) प्रदान करता है, जो एसीटिक एसिड ( $CH₃COOH$ ) के साथ प्रतिक्रिया करता है।
- यह मध्यवर्ती यौगिक बनाता है, जिससे एल्कोहल ( $CH₃CH₂OH$ ) आसानी से प्रतिक्रिया करके एस्टर बनाता है।

3. प्रारंभिक ऊर्जा को कम करना (Reduction of Activation Energy)

कैटेलिस्ट एक वैकल्पिक प्रतिक्रिया मार्ग प्रदान करता है, जिससे प्रारंभिक ऊर्जा कम हो जाती है। यह प्रक्रिया इस प्रकार होती है:

मध्यवर्ती यौगिक को स्थिर करता है।
अभिकारकों को उचित दिशा में संरेखित करता है।

उदाहरण: हाइड्रोजन पेरोक्साइड का विघटन (Decomposition of Hydrogen Peroxide)

अभिक्रिया: $2 H_{2} O_{2} \to 2 H_{2} O + O_{2}$
कैटेलिस्ट: मैंगनीज डाइऑक्साइड ( $MnO₂$ )।
बिना कैटेलिस्ट के, यह प्रतिक्रिया बहुत धीमी होती है, लेकिन $MnO₂$ इसे तेज़ी से होने देता है।

4. उत्पादों का अलग होना (Desorption of Products)

प्रतिक्रिया पूरी होने के बाद, उत्पाद कैटेलिस्ट की सतह से अलग हो जाते हैं, जिससे नई प्रतिक्रिया के लिए जगह बनती है।

उदाहरण: हैबर प्रक्रिया (Haber Process)

अभिक्रिया: $N₂ + 3H₂ \to 2NH₃$
कैटेलिस्ट: आयरन ( $Fe$ )।
तंत्र:
1. नाइट्रोजन ( $N₂$ ) और हाइड्रोजन ( $H₂$ ) आयरन की सतह पर चिपकते हैं।
2. उनके बंधन टूटते हैं और प्रतिक्रियाशील परमाणु बनते हैं।
3. ये परमाणु मिलकर अमोनिया ( $NH₃$ ) बनाते हैं, जो सतह से अलग हो जाता है।

5. प्रतिवर्ती प्रतिक्रियाओं में भूमिका (Role in Reversible Reactions)

कैटेलिस्ट आगे और पीछे दोनों दिशाओं की अभिक्रिया को समान रूप से तेज़ करता है। यह प्रतिक्रिया को संतुलन तक तेज़ी से पहुँचने में मदद करता है, लेकिन संतुलन की स्थिति को नहीं बदलता।

उदाहरण: कॉन्टैक्ट प्रक्रिया (Contact Process)

अभिक्रिया: $2SO₂ + O₂ \to 2SO₃$
कैटेलिस्ट: वैनेडियम(V) ऑक्साइड ( $V₂O₅$ )।
तंत्र:
- $V₂O₅$ ऑक्सीजन स्थानांतरित करके सल्फर डाइऑक्साइड ( $SO₂$ ) को तेज़ी से ऑक्सीकृत करता है।

कैटेलिस्ट के ऊर्जा प्रोफाइल (Energy Profile of a Catalyzed Reaction)

बिना कैटेलिस्ट के प्रतिक्रिया:
- अधिक प्रारंभिक ऊर्जा की आवश्यकता।
- धीमी प्रतिक्रिया।
कैटेलिस्ट के साथ प्रतिक्रिया:
- कम प्रारंभिक ऊर्जा की आवश्यकता।
- तेज़ प्रतिक्रिया।

महत्वपूर्ण बिंदु: कैटेलिस्ट प्रारंभिक ऊर्जा को कम करके संक्रमण अवस्था (Transition State) को स्थिर करता है।

प्राकृतिक और औद्योगिक उदाहरण

प्राकृतिक कैटेलिस्ट (एंजाइम):
- एमाइलेज (Amylase):
  - स्टार्च को चीनी में बदलता है।
  - पाचन प्रक्रिया को शरीर के सामान्य तापमान पर भी संभव बनाता है।
औद्योगिक कैटेलिस्ट:
- प्लेटिनम (Platinum) इन फ्यूल सेल्स:
  - अभिक्रिया: $H₂ + O₂ \to H₂O$ (विद्युत ऊर्जा उत्पन्न होती है)।
  - प्लेटिनम इलेक्ट्रॉनों के स्थानांतरण को तेज़ करता है।
पर्यावरणीय कैटेलिस्ट:
- टाइटेनियम डाइऑक्साइड (Titanium Dioxide):
  - यूवी किरणों से सक्रिय होकर जल में उपस्थित कार्बनिक प्रदूषकों को विघटित करता है।

कैटेलिस्ट कैसे काम करता है: सारांश

अभिकारकों का अवशोषण (यदि कैटेलिस्ट ठोस हो)।
मध्यवर्ती यौगिक का निर्माण (यदि कैटेलिस्ट तरल हो)।
प्रारंभिक ऊर्जा को कम करना।
अभिकारकों का उचित दिशा में संरेखण।
उत्पादों का अलग होना।

कैटेलिस्ट की विशेषताएं (Characteristics of Catalysts):

विशिष्टता (Specificity):
- कैटेलिस्ट अक्सर केवल एक विशेष प्रतिक्रिया मार्ग को बढ़ावा देते हैं।
पुन: उपयोग (Reusability):
- कैटेलिस्ट अभिक्रिया में उपभोग नहीं होते, इसलिए इन्हें बार-बार उपयोग किया जा सकता है।
दक्षता (Efficiency):
- थोड़ी मात्रा में कैटेलिस्ट भी प्रतिक्रिया की गति को बहुत तेज़ कर सकती है।
संवेदनशीलता (Sensitivity):
- कैटेलिस्ट तापमान, दबाव, और अशुद्धियों (Impurities) के प्रति संवेदनशील हो सकते हैं।

कैटेलिस्ट के उपयोग (Applications of Catalysts):

1. औद्योगिक क्षेत्र (Industrial Applications):

हैबर प्रक्रिया (Haber Process):
- लोहे (Iron) का उपयोग अमोनिया ( $NH₃$ ) के संश्लेषण में।
पेट्रोकेमिकल उद्योग (Petrochemical Industry):
- हाइड्रोकार्बन के उत्प्रेरक क्रैकिंग (Catalytic Cracking) में।
प्लास्टिक उत्पादन (Polymerization):
- ज़ीगलर-नट्टा कैटेलिस्ट का उपयोग।

2. पर्यावरण क्षेत्र (Environmental Applications):

कैटेलिटिक कन्वर्टर्स (Catalytic Converters):
- वाहनों से निकलने वाले हानिकारक उत्सर्जन को कम करना।
प्रकाश उत्प्रेरक (Photocatalysts):
- जल शुद्धिकरण और सौर ऊर्जा रूपांतरण (Solar Energy Conversion)।

3. जैविक क्षेत्र (Biological Applications):

एंजाइम:
- पाचन (Digestion) और श्वसन (Respiration) जैसी प्रतिक्रियाओं को उत्प्रेरित करते हैं।

4. ऊर्जा क्षेत्र (Energy Applications):

फ्यूल सेल्स और बैटरियां:
- ऊर्जा दक्षता के लिए कैटेलिस्ट पर निर्भर।

कैटेलिस्ट के सामान्य उदाहरण (Examples of Common Catalysts):

प्लेटिनम और पैलेडियम (Platinum and Palladium):
- हाइड्रोजनीकरण और फ्यूल सेल्स में उपयोग।
ज़ियोलाइट्स (Zeolites):
- पेट्रोलियम परिशोधन (Refining) में उपयोग।
रोडियम (Rhodium):
- कैटेलिटिक कन्वर्टर्स में नाइट्रोजन ऑक्साइड्स को कम करता है।
वैनेडियम(V) ऑक्साइड (Vanadium(V) Oxide):
- संपर्क प्रक्रिया (Contact Process) में सल्फ्यूरिक एसिड उत्पादन के लिए।