촉매

일반적으로 촉매(觸媒, catalyst)는 반응 과정에서 소모되거나 변하지 않으면서 반응 속도를 빠르게 만드는 물질을 말한다. 넓은 의미에서 평형 상수에 영향을 주지 않지만, 반응 속도를 변화시키는 물질은 모두 촉매이다. 촉매는 반응에 참여하지만 소모되지 않기 때문에 소량만 있어도 반응 속도에 지속적으로 영향을 미칠 수 있다. 반응을 빠르게 하는 촉매 반응은 더 적은 활성화 에너지를 필요로 하기 때문에 이에 대한 산업적 관심이 크다.

촉매는 균일계 촉매와 불균일계 촉매로 나눌 수 있다. 균일계 촉매는 반응물과 같은 상(보통 액체)으로 존재하는 촉매이다. 비균일계 촉매는 반응물과 다른 상으로 존재하는 촉매로, 이를테면 촉매는 고체상이고 반응물은 액체상이나 기체상인 경우를 들 수 있다.

목차

촉매(카탈리스트 catalyst)는 '무효화시키다', '(매듭 등을) 풀다'를 뜻하는 그리스어 카타리오(καταλύειν)에서 비롯되었다. 촉매 개념은 스코틀랜드의 화학자 풀햄(Elizabeth Fulhame)이 제안하였으며, 1794년 저술에서 당시 플로지스톤 이론을 반박하는 산화-환원 실험을 다루며 길게 설명하였다.¹⁾ 촉매 작용이라는 용어는 이후 1835년 베르첼리우스(Jöns Jakob Berzelius)가 사용하였는데, 반응 후 변하지 않는 물질에 의해 촉진되는 반응을 설명하였다. 촉매 작용을 연구한 18세기 화학자들로는 접촉 과정을 언급한 미트세리히(Eilhard Mitscherlich)²⁾와 접촉 반응을 설명한 되버라이너 (Johann Wolfgang Döbereiner)³⁾가 있다. 1880년 독일 라이프치히 대학의 오스트발트(Wilhelm Ostwald)는 산이나 염기에 의해 촉매 작용을 하는 반응을 체계적으로 조사하기 시작했으며, 화학 반응이 유한한 속도로 일어나기 때문에 반응 속도 변화를 측정하여 산과 염기의 강도를 결정하는 데 사용될 수 있음을 발견했다. 이 업적으로 오스트발트는 1909년 노벨 화학상⁴⁾을 받았다.

촉매는 일반적으로 하나 이상의 반응물과 반응한 후, 촉매를 재생하는 공정에서 최종 반응 생성물을 연속적으로 생성할 수 있는 중간체를 형성한다. 다음은 반응물 X와 Y가 반응하여 생성물 Z를 만드는 화학 반응식이다.

X + Y → Z

이때 촉매 C가 존재하면 실제 반응은 다음과 같은 반응 메커니즘을 가질 수 있다.

X + C → XC

Y + XC → XYC

XYC → CZ

CZ → C + Z

반응에서 촉매 C가 재생되기 때문에 일반적으로 적은 양만 필요하다. 촉매가 첫 번째 반응에 의해 소비되더라도, 네 번째 반응에 의해 다시 생성되기 때문에 전체 알짜 반응식에는 나타나지 않는다. 그러나 실제로는 촉매가 일부 소모되기도 한다.

촉매는 속도 방정식에 나타난다. 예를 들어, 위 반응식의 속도 결정 단계가 제 1 단계 X + C → XC 일 때 속도 방정식은 다음과 같다.

v = k_cat [X] [C]

이 반응은 이차 반응이지만, 만약 반응 중에는 [C]가 일정하게 유지된다면, 촉매 반응은 유사 일차 반응이다.

v = k_obs [X]

여기서 k_obs = k_cat [C] 이다.

양성자 산은 아마도 가수 분해와 그 역반응을 포함하여 물을 포함하는 많은 반응에 대해 가장 널리 사용되는 촉매일 것이다. 넓은 표면적이나 물리적 그물망 효과를 줄 수 있는 다기능 고체는 종종 촉매로 사용된다. 그 예로는 제올라이트, 알루미나, 고차 산화물, 흑연, 탄소 나노 입자 등이 있다. 전이 금속은 종종 산화 환원 반응의 촉매로 사용된다. 유기물 합성에 사용되는 금속 촉매는 팔라듐, 백금, 금, 루테늄, 로듐, 이리듐 등 후전이 금속을 포함하고 있다.

일부 촉매라고 분류되는 것 중에는 반응 중간에 촉매로 변환되는 예비 촉매도 있다. 예비 촉매는 저장하기 쉽지만, 촉매로 작용하기 위해서는 활성화 단계가 필요하다. 어떤 촉매는 다른 화학종이 함께 있어야만 촉매 작용을 한다. 이때 필요한 화학종을 조촉매라고 한다.

생물학 반응에서 중요한 역할을 하는 효소는 생체 반응에서 사용되는 단백질 기반의 촉매를 의미한다. 대부분 생체 내 촉매는 효소이지만, 간혹 단백질이 아닌 생체 분자 또한 촉매 특성을 나타낼 수 있다. 식물이나 동물의 생존에 필요한 많은 복잡한 반응들은 상온이나 체온에서 진행되어야 하므로 효소가 없으면 너무 느려 쓸모가 없다. 예를 들어, 음식물의 단백질을 아미노산 성분으로 분해하는 소화 과정에서도 카복시펩타이드 가수분해 효소-A(Carboxypeptidase-A) 같은 촉매가 작용한다.

흔히 생체 촉매는 균일 촉매와 불균일 촉매의 중간체로 생각할 수도 있지만, 엄격하게 말하면 용해성 효소는 균일 촉매이고 막결합 효소는 불균일 촉매이다. 효소의 활성화에는 온도, pH,  농도 등이 영향을 미친다. 효소  반응에 중요한 반응 환경은 물이며 물 분자와의 수소 결합이나 상호 작용도 효소의 기능을 설명할 때 함께 고려해야 한다.

탠덤(tandem) 촉매 반응은 둘 이상의 서로 다른 촉매가 원-팟(one-pot) 반응으로 결합하는 반응이다. 이러한 탠덤 촉매를 사용하면 단일 촉매로는 만들 수 없는 제품을 만들 수 있다. 또한 원-팟(one-pot) 반응은 기본적으로 반응물이 하나의 반응기에서 연속적인 화학 반응을 거치기 때문에 화학 반응의 효율성을 향상시킬 수 있다.

현재 상업적으로 생산되는 모든 화학 제품의 90% 이상이 제조 과정의 일부에서 촉매를 필요로 하는 것으로 추정된다. 다음은 산업적으로 중요한 예들이다.

석유 정제 기술은 알킬화, 촉매 분해, 나프타 개질과 같은 과정에서 집중적으로 촉매를 활용한다.

화학 물질을 대량생산하는 과정에는 산소를 사용한 촉매 산화가 활용되는데, 이때 사용되는 물질에는 질산, 황산, 테레프탈산, 아크릴로나이트릴 등이 있다. 수소화를 통한 대규모 환원에 의해 생성되는 반응에도 촉매가 사용된다. 가장 대표적인 예는 하버-보슈법을 통해 공기 중 질소에서 비료와 화약의 원료인 암모니아를 만드는 것이다. 메탄올 또한 일산화 탄소로부터 제조될 수 있다. 에틸렌 및 프로필렌으로부터 유도되는 고분자인 폴리에틸렌, 폴리프로필렌은 지글러-나타 촉매 작용을 통해 첨가 중합 방식으로 제조되며, 폴리에스터, 폴리아마이드 류의 고분자는 산-염기 촉매 작용을 통해 만들어진다.

촉매 작용은 산업 공정의 효율성을 증가시켜 환경에 간접적인 영향을 미치지만, 환경에 직접적인 영향을 주기도 한다. 화석 연료의 연소로 인한 배기 가스 또한 촉매 작용을 통해 처리되는데, 일반적으로 백금과 로듐으로 구성된 촉매 변환기를 이용하여  자동차 배기 가스의 유해한 부산물 중 일부를 분해한다. 연료 전지도 양극 및 음극 반응을 위해 촉매를 이용한다.

성층권 오존은 태양에서 오는 자외선을 흡수하여 지표상에 있는 생물들을 보호한다. 그러나 남극 상공의 오존층 농도가 낮아지는 데 촉매 반응이 관여되었다. 에어컨이나 냉장고 냉매나 에어로솔의 분무제로 사용되었던 프레온 기체의 광반응에 의해 생성된 염소 원자는 오존 분해반응에서 촉매 역할을 한다는 것으로 밝혀졌다. 안정하고 부식성 없는 물질로 알려졌던 프레온이 성층권에 도달한 후 염소 원자를 만들고, 염소 원자가 많은 양의 오존을 분해한다. 이 촉매 반응 메커니즘을 밝힌 공로로 크루첸(Paul J. Crutzen), 몰리나(Mario J. Molina), 로우랜드(F. Sherwood Rowland)는 1995년 노벨 화학상을 공동 수상⁵⁾하였고, 전 세계는 프레온 사용을 금지하는 데 합의하였고 현재는 이를 대체하는 화합물이 사용되고 있다.

1. FULHAME, E. (1794) An Essay on Combustion, with a View to a New Art of Dying and Painting, wherein the Phlogistic and Antiphlogistic Hypotheses are Proved Erroneous, published by the author, London
2. Hans-Werner Schütt , Eilhard Mitscherlich, Prince of Prussian Chemistry, Chemical Heritage Foundation, 1997, pp. 153-155
3. G.B. Kauffman, Enantiomer, 1999; 4(6), pp. 609-619. The origins of heterogeneous catalysis by platinum: Johann Wolfgang Döbereiner's contributions
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