उत्प्रेरण

उत्प्रेरण : ज्या पदार्थाच्या उपस्थितीमुळे एखाद्या रासायनिक विक्रियेचा वेग बदलतो (कमी किंवा जास्त होतो) अशा पदार्थाला उत्प्रेरक म्हणतात व या क्रियेला उत्प्रेरण म्हणतात. या क्रियेमध्ये उत्प्रेरकावर कोणताही कायम स्वरूपाचा रासायनिक परिणाम घडून येत नाही. अनेक रासायनिक उद्योगधंद्यांत उत्प्रेरण क्रियेचा उपयोग करण्यात येतो.

आधुनिक रसायनशास्त्रातील निरनिराळ्या विक्रियांचा अभ्यास एकोणिसाव्या शतकाच्या सुरुवातीस होऊ लागला असे सर्वसाधारणपणे मानले जाते. रासायनिक विक्रियेत भाग घेणाऱ्या घटक संयुगांशिवाय बाहेरून अंतर्भाव केलेल्या अगदी निराळ्या अशा संयुगांचा मूळ विक्रियेवर जो परिणाम होतो त्याकडे शास्त्रज्ञांचे लक्ष त्याच सुमारास वेधले गेले व त्यादृष्टीने विक्रियांचा अभ्यास सुरू झाला. पॅरॅमेंटीअर या फ्रेंच शास्त्रज्ञांनी १७६१ च्या सुमारास शर्करीकरणाचा (स्टार्चयुक्त पदार्थांचे निरनिराळ्या शर्करांमध्ये रूपांतर करण्याचा) अभ्यास सुरू केला होता. रशियन शास्त्रज्ञ करशॉफ यांना असे आढळून आले की, सल्फ्यूरिक अम्लामुळे स्टार्चयुक्त पदार्थांचे निरनिराळ्या शर्करांमध्ये रूपांतर होऊ शकते.

लिबॅव्हियस यांच्या अल्केमिया या रसायनशास्त्रावरील ग्रंथात (१५९७) ‘कॅटॅलिसिस’ (उत्प्रेरण) या संज्ञेचा वापर केलेला आढळतो. तथापि बर्झीलियस यांनी १८३५ मध्ये ही संज्ञा वरील अर्थाने उपयोगात आणली. त्यापूर्वी प्लॅटिनमाच्या साहाय्याने मिथेनाचे होणारे ⇨ ऑक्सिडीभवन, हायड्रोजन पेरॉक्साइडाचे उत्प्रेरकीय अपघटन (घटक द्रव्ये सुटी होणे), हायड्रोजनाचे प्लॅटिनमामुळे होणारे ज्वलन, सल्फ्यूरिक अम्ल तयार करण्याची ‘लेड चेंबर’ (शिशाची कोठी वापरून करण्यात येणारी) प्रक्रिया इ. विक्रिया शास्त्रज्ञांना माहीत होत्या. त्यांमध्ये साहाय्य करणाऱ्या पदार्थांना ‘कॅटॅलिस्ट’ (उत्प्रेरक) असे म्हणण्यात येऊ लागले. रासायनिक विक्रियेने नवीन निर्माण होणाऱ्या पदार्थांमध्ये उत्प्रेरकाचे अस्तित्व नसल्याने, बर्झीलियस यांनी असा अंदाज केला की, उत्प्रेरक कोणत्याही रासायनिक विक्रियेत प्रत्यक्ष भाग न घेता केवळ आपल्या अस्तित्वानेच रासायनिक विक्रियेची क्रियाशीलता वाढवीत असला पाहिजे.

उत्प्रेरकाची व्याख्या प्रथम १८८५ मध्ये ओस्टव्हॉल्ट यांनी केली. या व्याख्येचा साबाट्ये, आयपोटैफ, झेलिनस्की, हाबर, बोश, हिंशेलवुड, रिडेल, लँगम्यूर, टेलर इ. शास्त्रज्ञांनी वापर केला. एखाद्या रासायनिक विक्रियेत उत्प्रेरक केवळ निष्क्रिय वा तटस्थ राहत नसून विक्रियेत भाग घेणाऱ्या संयुगांबरोबर त्याची रासायनिक विक्रियाही होते, असे आढळून आले. त्यादृष्टीने उत्प्रेरकाची व्याख्या पुढीलप्रमाणे करता येईल : ‘जे पदार्थ रासायनिक विक्रियेत प्रत्यक्ष भाग घेऊनही, विक्रियेच्या शेवटी परिमाण व गुणधर्म यांमध्ये फरक न होता परत मिळू शकतात व ज्यांच्या सान्निध्यामुळे रासायनिक विक्रियेचा वेग आणि क्रियाशीलता वाढू शकते अशा पदार्थांना उत्प्रेरक असे म्हणतात’.

विसाव्या शतकाच्या सुरुवातीच्या काळात, सल्फ्यूरिक अम्ल तयार करण्याच्या पद्धतीत वापरलेल्या उत्प्रेरकामुळे, ते अम्ल सुलभ रीतीने मिळविता येऊ लागले. त्याचप्रमाणे नायट्रिक अम्लही कमी खर्चात तयार करता येऊ लागले. ‘वनस्पती तूप’ तयार करण्यासाठी, मिथिल अल्कोहॉल निर्मितीत किंवा त्यापासून फॉर्माल्डिहाइड इ. कार्बनी संयुगे तयार करण्याच्या उद्योगधंद्यांत उत्प्रेरकांचा वापर मोठ्या प्रमाणावर करण्यात येऊ लागला. हे सर्व उद्योगधंदे विसाव्या शतकाच्या पहिल्या वीस वर्षांच्या कालखंडातील होत. या सर्व घटनांमुळे उत्प्रेरक, ते तयार करण्याच्या कृती, त्यांची कार्यक्षमता, होणारी विक्रिया इ. गोष्टींकडे शास्त्रज्ञांचे लक्ष वेधले गेले. त्यामुळे उत्प्रेरक व उत्प्रेरण ह्यांचा शास्त्रोक्त अभ्यास होऊन त्यासंबंधी बरेच अन्वेषण (संशोधन) झाले व बऱ्याच गोष्टींचा त्यामुळे खुलासा झाला.

सर्व प्रकारच्या रासायनिक विक्रियांत उत्प्रेरक असतोच असे नाही. त्याचप्रमाणे उत्प्रेरक नसल्यास रासायनिक विक्रिया होणारच नाही असेही नाही. सामान्यतः उत्प्रेरकाचा उपयोग रासायनिक विक्रियेचा वेग वाढविण्यास होतो. काही रासायनिक विक्रियांमध्ये उत्प्रेरकामुळे विक्रियेचा वेग कमी होतो असेही आढळून आले आहे. उदा., सोडियम सल्फाइटाच्या (Na₂SO₃) ऑक्सिडीकरणाने सोडियम सल्फेट (Na₂SO₄) बनण्याची विक्रिया. ग्लिसरीन, साखर किंवा अल्कोहॉल यांपैकी कोणत्याही पदार्थाच्या अस्तित्वामुळे ती मंदावते. अशा स्थितीत त्या पदार्थांना ‘अवप्रेरक’ असे म्हणतात. सामान्यतः अवप्रेरक औद्योगिकदृष्ट्या महत्त्वाचे नसतात. तथापि पेट्रोलमध्ये मिसळल्या जाणाऱ्या लेड टेट्राएथिल ह्या अवप्रेरकी आघात-विरोधी संयुगाचा मोठ्या प्रमाणावरील उपयोग, हा त्याला अपवाद आहे. एकच उत्प्रेरक सर्वच रासायनिक विक्रियांसाठी चालतो असे नाही किंवा कोणताही उत्प्रेरक कोणत्याही रासायनिक विक्रियेसाठी उपयोगी पडेल, असेही नाही. विक्रियेचा वेग वाढविण्याचा उत्प्रेरकाचा परिणाम हा विशिष्ट असतो, म्हणजे विशिष्ट विक्रियेसाठी विशिष्ट उत्प्रेरकाचाच उपयोग होतो. पाणी हा सामान्य व सर्वत्र वापरला जाणारा उत्प्रेरक समजतात. बहुधा पाण्याच्या माध्यमातूनच होणाऱ्या विक्रिया जास्तीतजास्त आढळतात. तथापि अनेक विक्रिया पाण्यामुळे मंदावतात. अशा ठिकाणी पाणी नसणे इष्ट ठरते. उदा., जंबुपार (वर्णपटातील जांभळ्या रंगाच्या पलीकडील अदृश्य) किरणांमुळे निर्जल कार्बन डाय- ऑक्साइडाचे कार्बन मोनॉक्साइड व ऑक्सिजन यांमध्ये अपघटन होते.

पण या विक्रियेत कार्बन डाय-ऑक्साइडामध्ये बाष्प असल्यास ही विक्रिया घडत नाही. म्हणजे पाणी हे सर्वत्र उत्प्रेरणाचे कार्य करते असे म्हणता येत नाही.

उत्प्रेरकाच्या कोणत्या गुणधर्मामुळे त्याचा एखाद्या विक्रियेत साहाय्यक म्हणून उपयोग होतो, हे अजूनपर्यंत ठरविता आलेले नाही. कारण एकाच विक्रियेचा वेग, असमान गुणधर्म असणाऱ्या एकापेक्षा अधिक निरनिराळ्या पदार्थांमुळे वाढतो असे आढळून येते. उदा., सल्फर डाय-ऑक्साइड (SO₂) वायूचे सल्फर ट्राय-ऑक्साइडामध्ये (SO₃) रूपांतर करण्याच्या विक्रियेत प्लॅटिनम किंवा व्हॅनेडियम पेंटॉक्साइड यांचा स्वतंत्रपणे उपयोग करतात. वास्तविक पाहता या दोन्ही पदार्थांत भौतिकदृष्ट्या किंवा रासायनिकदृष्ट्या कोणतेच साम्य नाही. तरीही त्यांच्या सान्निध्यात SO₂चे SO₃ मध्ये रूपांतर होण्यास मदत होते. यामुळे एका विशिष्ट विक्रियेसाठी कोणता उत्प्रेरक वापरावा हे ठरविणे फार कठीण असते.

उत्प्रेरण क्रियेचे प्रकार : रासायनिक विक्रिया होण्यासाठी विक्रियेत भाग घेणारे पदार्थ एकाच अवस्थेत (वायू, द्रव वा घन) असले पाहिजेत असे नाही. निरनिराळ्या अवस्थांतील पदार्थांमध्येही रासायनिक विक्रिया होऊ शकते. त्यानुसार उत्प्रेरण क्रिया स्थूलमानाने दोन प्रकारच्या असू शकतात. (१) समांगी, (२) विषमांगी. समांगी उत्प्रेरण क्रियेत भाग घेणाऱ्या विविध घटकांची व उत्प्रेरकाची अवस्था एकच असते. उदा., विद्रावाच्या रूपात असलेला पदार्थ व विद्रुतावस्थेत (विरघळलेल्या अवस्थेत) असलेले हायड्रोजन आयन (विद्युत् भारित अणू) देणारे अम्ल. जसे, शर्करेचा जलविद्राव व त्यातच विरघळलेले हायड्रोक्लोरिक अम्ल यांमुळे घडून येणारे जलीय विच्छेदन (पाण्यामुळे घटक द्रव्ये सुटी होणे).

जेव्हा विक्रियेत भाग घेणारी निरनिराळी संयुगे व उत्प्रेरक ही निरनिराळ्या अवस्थांत असतात, तेव्हा ती विषमांगी उत्प्रेरण क्रिया होय. उदा., अमोनिया तयार करताना नायट्रोजन व हायड्रोजन वायुरूप अवस्थेत, तर विक्रिया घडण्यासाठी वापरलेले उत्प्रेरक (लोह, फेरिक ऑक्साइड किंवा ॲल्युमिनियम ऑक्साइड) घन अवस्थेत असतात.

उत्प्रेरण क्रियेची मीमांसा : उत्प्रेरकाचे गुणधर्म प्रामुख्याने व स्थूलमानाने खालीलप्रमाणे दाखविता येतात :

(अ) रासायनिक विक्रियांमध्ये उत्प्रेरकांचे प्रमाण अल्प असले, तरी ते पुरेसे असते. उदा., उत्प्रेरक नसताना ऑक्सिडीकरणाने सोडियम सल्फाइटाचे सोडियम सल्फेटात रूपांतर अत्यंत हळू होते परंतु एका लिटरात ०·०००००००६३७ ग्रॅ. कॉपर आयन असल्यास हीच क्रिया त्वरेने घडते. विक्रिया काचेच्या भांड्यात होत असल्यास, त्या भांड्याच्या काचेमधील क्षाराचा (अल्कलीचा) जो अल्पांश पाण्यात अगर विद्रावात विरघळतो, त्याचा उत्प्रेरक म्हणून परिणाम होऊ शकतो.

(आ) ज्या प्रमाणात उत्प्रेरक वापरला जातो, त्या प्रमाणातच त्याचा रासायनिक विक्रियेवर परिणाम होतो असेही आढळून आले आहे. म्हणजे उत्प्रेरकाच्या परिणामाला फार महत्त्व असते. उदा., मिथिल ॲसिटेटाच्या अपघटनाच्या वेगावरून, उत्प्रेरक म्हणून हायड्रोजन आयनांचा किती वापर झाला हे सांगता येते.

(इ) उत्प्रेरकांमध्ये कोणत्याही प्रकारचा कायम स्वरूपाचा रासायनिक बदल होत नाही. रासायनिक विक्रिया सुरू असताना, मधल्या टप्प्यांत उत्प्रेरकांमध्ये रासायनिक बदल होत असले, तरी विक्रियेच्या शेवटी तसा बदल झालेला दिसून येत नाही. काही वेळेला त्यांच्यात भौतिकीय बदल मात्र झालेले दिसतात. उदा., पोटॅशियम क्लोरेटापासून ऑक्सिजन मिळविताना मँगॅनीज डाय-ऑक्साइडचा उत्प्रेरक म्हणून उपयोग होतो. प्रयोगाच्या शेवटी मँगॅनीज डाय-ऑक्साइडामध्ये कोणताही रासायनिक बदल झालेला आढळत नाही. परंतु त्याचे स्फटिक फार बारीक झालेले आढळतात. त्याचप्रमाणे अमोनियाच्या ऑक्सिडीकरण विक्रियेत प्लॅटिनम धातूचा उत्प्रेरक म्हणून उपयोग करतात. विक्रियेच्या शेवटी प्लॅटिनम धातू पूर्वीपेक्षा थोडी जास्त खडबडीत व खरखरीत झालेली आढळते.

(ई) व्युत्क्रमी (उलट व सुलट अशा दोन्ही दिशांनी होऊ शकणाऱ्या) रासायनिक विक्रियांमध्ये रासायनिक विक्रियेच्या समतोलावर किंवा त्याच्या समतोल स्थिरांकावर उत्प्रेरकाचा काही परिणाम होत नाही. उत्प्रेरकाचा परिणाम पुरोगामी आणि पश्चगामी या दोन्ही तऱ्हेच्या विक्रियांवर सारख्याच प्रमाणात होतो. त्यांच्या वेगांमध्ये सारख्याच प्रमाणात वाढ होत असल्याने, समतोल स्थिरांक कायम राहतो. उदा., हायड्रोजन आणि आयोडीन यांच्या संयोगाने हायड्रिआयोडिक अम्ल तयार होते. लगेच पश्चगामी विक्रियेत हायड्रिआयोडिक अम्लाचे अपघटन होते.

हायड्रिआयोडिक अम्ल तयार होण्याची विक्रिया आणि त्याच्या अपघटनाची विक्रिया यांचे वेग, उत्प्रेरकामुळे सारख्याच प्रमाणात वाढत असल्याने समतोल स्थिरांकावर परिणाम होत नाही.

उत्प्रेरण क्रियेचे सिद्धांत : उत्प्रेरण क्रिया कार्बनी व अकार्बनी अशा दोन्ही प्रकारच्या संयुगांमध्ये झालेली आढळून येते. उत्प्रेरकाची क्रिया कशी घडून येते हे स्पष्ट करण्यासाठी कित्येक सिद्धांत मांडण्यात आले आहेत. कोणत्याही एकाच सिद्धांताने निरनिराळ्या प्रकारच्या रासायनिक विक्रियांमधील उत्प्रेरकांच्या क्रियेचे स्पष्टीकरण करणे शक्य झालेले नाही. पुढील तीन सिद्धांत प्रामुख्याने महत्त्वाचे मानले जातात :(१) मध्यस्थ संयुगाचा सिद्धांत, (२) अधिशोषण सिद्धांत व (३) प्रारण सिद्धांत.

मध्यस्थ संयुगाचा सिद्धांत : एखाद्या रासायनिक विक्रियेत जर क आणि ख ही दोन संयुगे एकत्र येऊन कख हे तिसरे संयुग मिळत असले, तर ती विक्रिया पुढील समीकरणाने दाखविता येते :

क + ख = कख

आता या विक्रियेत कख हे संयुग मिळविण्याचा वेग वाढविण्याकरिता उ या उत्प्रेरकाचा उपयोग केला असता, ही विक्रिया पुढील समीकरणांनी दाखविता येते.

क + उ = कउ … …. (१)

कउ + ख = कख + उ … …. (२)

क + ख + उ = कख + उ

वरील समीकरणांत दर्शविल्याप्रमाणे उत्प्रेरक उ शेवटी मूळ स्वरूपात परत मिळविता येतो. कउ हे मध्यस्थ संयुग तयार होते. पुष्कळ विक्रियांमधून असा मध्यस्थ पदार्थ निर्माण झालेला आहे, हे प्रयोगाने दाखविता येते. उदा., उत्प्रेरकाशिवाय सल्फ्यूरिक अम्ल तयार होताना होणारी विक्रिया पुढीलप्रमाणे दाखविता येते.

वरील समीकरणाप्रमाणे सल्फ्यूरिक अम्ल फारच कमी वेगाने तयार होते. पण ‘लेड चेंबर’ प्रक्रियेत नायट्रिक ऑक्साइड (NO) या वायूचा उपयोग उत्प्रेरक म्हणून केला जातो. त्यामुळे विक्रियेचा वेग खूपच वाढतो. नायट्रिक ऑक्साइड उत्प्रेरक असताना ही विक्रिया पुढील समीकरणांनी दर्शविता येते :

विषमांगी उत्प्रेरणाच्या काही क्रियांमधूनदेखील मध्यस्थ संयुगे तयार होतात, असे आढळून येते. उदा., प्रयोगशाळेत पोटॅशियम क्लोरेटाचे उष्णतेने अपघटन करून ऑक्सिजन मिळविता येतो. या विक्रियेत मँगॅनीज डाय-ऑक्साइड या संयुगाचा उत्प्रेरक म्हणून उपयोग करून कमी तापमानास पोटॅशियम क्लोरेटाचे जास्त प्रमाणावर अपघटन होऊ शकते. ह्या विक्रियेत मँगॅनीज डाय-ऑक्साइडापासून उच्च संयुजेचे (ऑक्सिजनाचे प्रमाण जास्त असलेले) ऑक्साइड मध्यस्थ संयुग म्हणून तयार होते. ते अस्थिर असते व शेवटी अपघटन पावून मँगॅनीज डाय-ऑक्साइड निर्माण होते.

अधिशोषण : विषमांगी क्रिया अधिशोषण (पदार्थांच्या पृष्ठभागी होणारे शोषण) सिद्धांताप्रमाणे घडून येतात. ज्यावेळी उत्प्रेरक घन अवस्थेत व विक्रियेत भाग घेणारी संयुगे द्रव किंवा वायुरूप अवस्थेत असतात, तेव्हा उत्प्रेरकाच्या पृष्ठभागावर अधिशोषण होऊन संयुगांची क्रियाशीलता वाढते व त्यामुळे विक्रियेचा वेग वाढतो. १८६६ मध्ये मेंडेलेव्ह यांनी विषमांगी उत्प्रेरणात उत्प्रेरकाच्या पृष्ठभागाचा संयुगांवर होणारा परिणाम व त्याचा अधिशोषित अणूंवर वेग वाढविण्याच्या दृष्टीने होणारा परिणाम, यांवर अन्वेषण करून असे सुचविले की, निरनिराळ्या पृष्ठभागांवर होणाऱ्या संयोगाने अणूंचा विक्रियेत भाग घेण्याचा वेग वाढतो आणि ही वेगवाढच विक्रियेस मुख्यतः कारणीभूत असते. झेलिनस्की यांचे या सिद्धांतावरील विचार पुढीलप्रमाणे आहेत. त्यांनी विक्रियेत भाग घेणाऱ्या संयुगांच्या अणूंमध्ये उत्प्रेरकामुळे होणाऱ्या आकारमानातील बदलाला आणि त्यांच्या बंधांमध्ये होणाऱ्या फरकाला महत्त्व दिले. उत्प्रेरकाचा सर्वच्या सर्व पृष्ठभाग हा क्रियाशील होत नसून त्याच्या पृष्ठभागावरील काही ठराविक केंद्रे क्रियाशील असतात, असेही त्यांनी प्रतिपादिले.

पृष्ठभागावरील काही केंद्रांवर जास्तीत जास्त प्रमाणात विक्रियेत भाग घेणाऱ्या संयुगांचे एकत्रीकरण होणे, ही एक महत्त्वाची घटना असते. जास्तीत जास्त अतृप्त अशी पृष्ठभागावरील अणूंची रचना ही त्या उत्प्रेरकाच्या जास्तीत जास्त क्रियाशीलतेचे द्योतक असते. लँगम्यूर यांनी असे प्रतिपादले की, उत्प्रेरण क्रिया ही पृष्ठभागावरील विक्रिया असून अधिशोषण सिद्धांतानुसार पृष्ठभागावरील उत्प्रेरकाचा पातळसा थर आणि वायुरूप पदार्थाचे अणू यांमध्ये विक्रिया होते. अशा तऱ्हेने विषमांगी उत्प्रेरण क्रियेत भाग घेणाऱ्या वायुरूप वा घनरूप अशा निरनिराळ्या अवस्थांत असणाऱ्या संयुगांची विक्रिया उत्प्रेरकाच्या पृष्ठभागावरील क्रियाशील अशा केंद्रातून होऊ शकते.

प्रारण सिद्धांत : लेविस व पेरिन यांनी हा सिद्धांत मांडला. या सिद्धांतात असे मानतात की, विक्रियेत भाग घेणारे रेणू अवरक्त किरणांमुळे (दृश्य वर्णपटाच्या तांबड्या रंगाच्या अलीकडील अदृश्य किरणांमुळे) काही प्रमाणात उत्तेजित होतात. यामुळे प्रारण (ऊर्जेचे अवकाशातील प्रेषण) क्रियेने उत्प्रेरकाची काही केंद्रे उत्तेजित होऊन ती क्रियाशील होतात. जास्त प्रमाणात उत्प्रेरक वापरल्यास किंवा तापमान वाढविल्यास जास्त प्रमाणात अवरक्त किरणांचे प्रारण होऊन अणूंकडून त्यांचे जास्त प्रमाणात शोषण होऊन विक्रियेत भाग घेणारी संयुगे जास्त क्रियाशील होतात.

या सिद्धांतानुसार समांगी उत्प्रेरण क्रियांत विक्रियेची क्रियाशीलता वाढलेली दिसते. उदा., मिथिल ॲसिटेटाच्या हायड्रोक्लोरिक अम्लाने घडवून आणलेल्या अपघटनात अवरक्त किरणांचीही विक्रिया केल्यास, त्यांच्या सान्निध्यात विक्रियेचा वेग वाढलेला दिसतो, असे कॉक्स यांनी सप्रयोग सिद्ध केले.

उत्प्रेरण क्रिया होत असताना काही पदार्थांच्या अगदी अल्प प्रमाणातील अस्तित्वामुळे देखील उत्प्रेरकाची क्रियाशीलता कमी होते आणि काही वेळा ती अजिबात नाहीशी होते. सल्फ्यूरिक अम्ल उत्पादनामध्ये विक्रियेत भाग घेणारा सल्फर डाय-ऑक्साइड वायू अत्यंत शुद्ध असा वापरावयास हवा. त्यामध्ये आर्सेनिक ऑक्साइड किंवा धूळ यांचे अस्तित्व अजिबात नसावे. कारण या पदार्थांच्या सान्निध्यात उत्प्रेरकाची (प्लॅटिनमाची) क्रियाशीलता नष्ट होते. म्हणून सल्फर डाय-ऑक्साइडाचे १००% शुद्धीकरण हे त्या विक्रियेचे एक महत्त्वाचे अंग आहे.

अशा प्रकारच्या क्रियाशीलता नष्ट करणाऱ्या पदार्थाला ‘उत्प्रेरकविष’ असे म्हणतात. विशिष्ट रासायनिक विक्रियेत ज्याप्रमाणे विशिष्ट प्रकारचे उत्प्रेरकच उपयोगी पडतात, त्याचप्रमाणे उत्प्रेरक पदार्थांची क्रियाशीलता नष्ट करण्याची शक्ती देखील काही विशिष्ट पदार्थांपुरती मर्यादित असते. एखादे संयुग जरी एखाद्या विक्रियेत उत्प्रेरकाची क्रियाशीलता नष्ट करू शकत असले, तरी दुसऱ्या विक्रियेत देखील तसे ते नष्ट करू शकेल असे नाही. दुसऱ्या विक्रियेत ते कदाचित हानिकारक नसेलही. उत्प्रेरकाच्या पृष्ठभागावरील अत्यंत क्रियाशील अशा केंद्राभोवती हानिकारक अशा पदार्थांच्या अणूंचे आवरण निर्माण होऊन विक्रियेत भाग घेणाऱ्या संयुगांना हे आवरण उत्प्रेरकापासून अलग ठेवते व विक्रिया मंदावते किंवा बंद पडते.

ज्याप्रमाणे काही पदार्थांचे अस्तित्व विक्रियेला हानिकारक असते, त्याचप्रमाणे काही पदार्थ विक्रियेमध्ये उत्प्रेरकाला मदत करून वेग वाढविण्याचे कार्य करतात. अशा पदार्थांना उत्प्रेरकांचे प्रवर्तक असे म्हणतात. उदा., हाबर पद्धतीने अमोनिया वायूचे उत्पादन करताना लोह या नुसत्या उत्प्रेरक पदार्थापेक्षा लोह + ॲल्युमिनियम ऑक्साइड + पोटॅशियम ऑक्साइड हे मिश्रण विक्रिया घडविण्यास जास्त उपयोगी पडते. अमोनियाच्या ऑक्सिडीकरण विक्रियेत फेरिक ऑक्साइड व बिस्मथ ट्रायॉक्साइडाचे मिश्रण जास्त परिणामकारक ठरते. कार्बन मोनॉक्साइड व हायड्रोजन वायू यांच्यापासून मिथिल अल्कोहॉल तयार होताना झिंक ऑक्साइड व क्रोमिक ऑक्साइड यांच्या मिश्रणाची उत्प्रेरण क्रिया जास्त प्रभावी ठरते. प्रवर्तक पदार्थांची क्रिया कशी होते याचा उलगडाही अजून झालेला नाही.

उत्प्रेरकाची परीक्षा : एखाद्या विक्रियेकरिता उत्प्रेरकाची निवड करताना, उत्प्रेरण क्रियेत विषारी पदार्थ प्रामुख्याने वगळावे लागतात. त्या दृष्टीने उत्प्रेरकात आर्सेनिक संयुगे, मर्क्युरिक क्लोराइड, हायड्रोसायनिक अम्ल, हायड्रोजन सल्फाइड, कार्बन मोनॉक्साइड, ॲनिलीन, गंधक, फॉस्फरस इ. पदार्थ आहेत की काय व ते किती प्रमाणात आहेत, यांची निश्चिती करणे आवश्यक आहे.

स्वयं–उत्प्रेरण : ज्यावेळी रासायनिक विक्रियेतूनच उत्प्रेरक पदार्थ तयार होतो, तेव्हा त्या उत्प्रेरण क्रियेला स्वयं-उत्प्रेरण क्रिया म्हणतात. उदा., ऑक्झॅलिक अम्ल आणि पोटॅशियम-परमँगॅनेट यांच्या ⇨ अनुमापनात पोटॅशियम परमँगॅनेटाचा विद्राव गरम केलेल्या ऑक्झॅलिक अम्लाच्या विद्रावामध्ये हळूहळू मोजनळीमधून टाकल्यास, प्रथम काही वेळ परमँगॅनेटाचा रंग विद्रावात तसाच राहतो. नंतर मात्र त्वेरेने रंग नाहीसा होतो. कारण मँगॅनस लवणाची उत्प्रेरक क्रिया सुरू होते. प्रथम पोटॅशियम परमँगॅनेट विद्रावाचे मँगॅनस लवण तयार होते व त्याच्या उत्प्रेरणाने विद्रावाचा रंग ताबडतोब नाहीसा होतो. या विक्रियेत मँगॅनस लवण स्वयं- उत्प्रेरकाचे कार्य करते.

पोटॅशियम क्लोरेटापासून क्लोरिक अम्ल तयार करण्याच्या विक्रियेत पोटॅशियम क्लोरेटाचा विद्राव आणि सोडियम बायसल्फाइटाचा (NaHSO₃) विद्राव यांमध्ये होणारी विक्रिया उपयोगी पडते. दुर्बल अम्लीय सोडियम बायसल्फाइट लवणाची पोटॅशियम क्लोरेटाच्या विद्रावावर विक्रिया होऊन थोडे क्लोरिक अम्ल प्रथम तयार होते. क्लोरिक अम्ल हे ऑक्सिडीकारक (ऑक्सिडीकरणास मदत करणारे) आहे. त्यामुळे बायसल्फाइटाचे रूपांतर जास्त प्रबल अम्लीय सोडियम बायसल्फेटामध्ये (NaHSO₄) होते व त्यामुळे जास्त सुलभतेने क्लोरिक अम्ल तयार होते. या उदाहरणात देखील स्वयं-उत्प्रेरण क्रिया होते.

उत्प्रेरण क्रियांचे औद्योगिक उपयोग : औद्योगिक रसायननिर्मितीच्या धंद्यांत उत्प्रेरकाला फार महत्त्वाचे स्थान प्राप्त झाले आहे. कार्बनी व अकार्बनी या दोन्ही प्रकारच्या रसायननिर्मितीमध्ये उत्प्रेरक आवश्यक ठरले आहेत. औद्योगिक क्षेत्रात वापरल्या जाणाऱ्या उत्प्रेरकांची वर्गवारी सामान्यतः पुढीलप्रमाणे केली जाते : (१) अम्ले किंवा क्षारके (अम्लांशी विक्रिया झाल्यास लवणे देणारी संयुगे), (२) धातवीय ऑक्साइडे, सल्फाइडे, हायड्राइडे, सिलिकेटे व (३) धातू. रसायननिर्मितीत होणाऱ्या उत्प्रेरकांच्या उपयोगाची काही महत्त्वाची उदाहरणे खाली दिली आहेत.

अकार्बनी : (१) वाफेपासून हायड्रोजनाचे मोठ्या प्रमाणावर उत्पादन करताना लोखंडाचे लवण आणि तांबे यांचा उत्प्रेरक म्हणून उपयोग करतात. (२) हवेतील नायट्रोजन व पाण्यातील हायड्रोजन यांचा संयोग घडवून हाबर यांनी १९१४ मध्ये अमोनियाचे उत्पादन केले. या विक्रियेत दाब व तापमान यांच्या बरोबरच विक्रियेचा वेग वाढविण्याकरिता लोह व आयर्न ऑक्साइड तसेच ॲल्युमिनियम ऑक्साइड यांचा उत्प्रेरक म्हणून उपयोग करण्यात येतो. (३) सल्फ्यूरिक अम्ल तयार करण्याच्या ‘संपर्क’ पद्धतीत प्लॅटिनम, प्लॅटिनमयुक्त ॲस्बेस्टस किंवा व्हॅनेडियम पेंटॉक्साइड यांचा उत्प्रेरक म्हणून उपयोग करतात. (४) हायड्रोक्लोरिक अम्ल तयार करताना सक्रियित (अधिक क्रियाशील बनविलेल्या) कार्बनाचा उत्प्रेरक म्हणून उपयोग करतात. (५) अशुद्ध कोल गॅसपासून [बिट्युमेनयुक्त कोळशाच्या ऊर्ध्वपातनाने मिळणाऱ्या वायूपासून, →कोल गॅस] गंधक मिळविण्यासाठी निकेल ऑक्साइडाचा उपयोग उत्प्रेरक म्हणून करतात.

कार्बनी : (१) ‘वनस्पती तूप’ उत्पादनासाठी, अतृप्त घटक असलेल्या तेलांचे ⇨ हायड्रोजनीकरण करण्याकरिता निकेल धातू उत्प्रेरक म्हणून वापरतात. (२) फिनॉल व फॉर्माल्डिहाइड यांच्या विक्रियेने बेकेलाइट हे प्लॅस्टिक बनविण्याकरिता उत्प्रेरक म्हणून क्षारकांचा उपयोग करतात. (३) कार्बन मोनॉक्साइड व हायड्रोजन वायू यांची विक्रिया करून मिथेनॉल बनविण्यासाठी तांबे व झिंक ऑक्साइड हे उत्प्रेरक उपयोगी पडतात. (४) नॅप्थॅलिनापासून थॅलिक ॲनहायड्राइड तयार करण्याकरिता व्हॅनेडियम पेंटॉक्साइड उत्प्रेरक म्हणून वापरतात. (५) कार्बोहायड्रेटाचे संपूर्ण अपघटन करून किण्वनाने [आंबविण्याच्या क्रियेने, → किण्वन] माल्टोज तयार करताना डायास्टेज नावाचे एंझाइम (सजीवांच्या पेशींत तयार होणारे उत्प्रेरक) उत्प्रेरक म्हणून वापरतात. (६) जीवरासायनिकदृष्ट्या एंझाइमे ही शरीरात उत्प्रेरकाचे कार्य करतात [→ एंझाइमे].

खनिज तेलापासून रसायने व बहुवारिके (एकापेक्षा जास्त रेणू जोडून बनलेला मोठा रेणू असणारे पदार्थ) बनविणे या मोठ्या उद्योगधंद्यात भंजन, निर्जलीकरण, ॲरोमॅटीकरण, वलयीकरण, समघटकीकरण, अल्किलीकरण, ऑक्सिडीकरण, क्षपण, जलीय विच्छेदन, बहुवारिकीकरण इ. प्रक्रिया उत्प्रेरकांच्याच साहाय्याने घडवून आणतात [→ खनिज तेल प्लॅस्टिके व उच्च बहुवारिके बहुवारिकीकरण].

औद्योगिक रासायनिक विक्रिया योग्य प्रकारे होण्यासाठी उत्प्रेरकी क्रियासंच फार महत्त्वाचे आहेत. घन व वायू पदार्थांच्या विषमांगी उत्प्रेरणासाठी स्थिर स्तराचा किंवा द्रायुरूप (वायुरूप किंवा द्रवरूप) स्तराचा व चल स्तराचा क्रियासंच वापरतात. घन, द्रव व वायू पदार्थांच्या उत्प्रेरणासाठी गारा (चिखलाच्या स्वरूपाच्या स्तराचा) क्रियासंच आणि समांगी उत्प्रेरणासाठी मिश्रणे ढवळता येतील असे टाकीच्या किंवा नलिकेच्या आकाराचे क्रियासंच वापरतात.

आतापर्यंत उल्लेखिलेल्या निरनिराळ्या विक्रियांखेरीज आणखी किती तरी महत्त्वाच्या रसायनांच्या उत्पादनात उत्प्रेरक वापरून उत्पादनाचा वेग वाढविता आलेला आहे. त्याचप्रमाणे वापरल्या गेलेल्या उष्णतेत किंवा दाबामध्ये उत्प्रेरकाच्या वापरामुळे बचत झालेली आहे. बहुतेक रासायनिक विक्रियांमध्ये उत्प्रेरकाचा वापर हा त्या विक्रियांचा उत्पादन वेग वाढविण्यासाठी अत्यंत आवश्यक असे साधन आहे. यामध्ये एकच अडचण येते, ती म्हणजे एखाद्या विशिष्ट विक्रियेकरिता योग्य असा उत्प्रेरक शोधून काढणे ही होय. योग्य उत्प्रेरक शोधून काढणे, त्यायोगे विक्रिया सुलभ तऱ्हेने घडवून आणणे या दृष्टीने मुख्यतः तज्ञांचे प्रयत्न चालू असतात. यावरून उत्प्रेरण क्रियेचे महत्त्व लक्षात येईल.

संदर्भ : 1. Berkman, S.; Morell, J. C.; Egloff, G. Catalysis : Inorganic and Organic, New York, 1940.

2. Collier, C. H. Catalysis in Practice, New York, 1957.

3. Glinka, N. General Chemistry, Moscow, 1958.

4. Partington, J. R. General and Inorganic Chemistry, New York, 1966.

दीक्षित, व. चिं.