촉매

촉매(觸媒, catalyst)는 반응 과정에서 소모되지 않으면서 반응 속도를 변화시키는 물질을 말한다. 촉매는 소량만 있어도 반응 속도에 영향을 미칠 수 있다.[1]

일반적으로 촉매가 있으면 반응은 더 빠르게 발생하는데, 그 이유는 더 적은 활성화 에너지를 필요로 하기 때문이다. 촉매 반응 구조에서 촉매는 일반적으로 일시적인 중간 물질을 형성하기 위해 반응하며 그 다음 원래의 촉매를 재발생시키는 순환적인 과정을 거치게 된다.

촉매는 균일계 촉매와 불균일계 촉매로 나눌 수 있다. 균일계 촉매는 촉매가 반응물과 같은 상으로 존재하는 촉매이다(보통, 기체나 액체). 비균일계 촉매는 촉매와 반응물이 다른 상으로 존재하는 촉매이며, 이를테면 촉매-고체, 반응물-액체를 들 수 있다. 효소와 그 밖의 생물 촉매들은 제3의 분류로 간주되는 경우도 있다.

촉매 활성을 개선하는 화학종을 공촉매(共觸媒, cocatalyst)라고 부른다.

역사

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. 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)와 접촉 반응을 설명한 되버라이너 (Johann Wolfgang Döbereiner)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 측정하

촉매의 원리

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 = kcat [X] [C]

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

v = kobs [X]

여기서 kobs = kcat [C] 이다.

참고자료

• 〈촉매〉, 《위미백과》
• 〈촉매〉, 《화학백과》

같이 보기

• 촉매반응
• 촉매작용

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