촉매

촉매(觸媒, catalyst)란 반응과정에서 소모되거나 변화되지 않으면서 반응속도를 빠르거나 느리게 변화시키는 물질을 말한다. 기존 반응 경로와 다른, 즉 다른 형태의 전이상태를 형성하여 반응이 일어나는 데 필요한 활성화 에너지를 변화시켜 반응속도를 변화시키는 것이 촉매의 역할이다. 촉매는 소량만 있어도 반응 속도에 큰 영향을 미친다. 활성화 에너지를 낮추어서 반응속도를 높여주는 촉매를 정촉매, 활성화 에너지를 높여 반응속도를 낮추는 촉매를 부촉매라고 한다.

촉매는 촉매와 반응물의 상에 따라 반응물과 촉매가 상이 같은 균일계 촉매, 반응물과 촉매가 상이 다른 불균일계 촉매로 크게 두가지로 분류할 수 있다. 또한, 촉매의 역할에 따라 산화-환원 촉매, 산-염기 촉매, 금속 촉매등으로 분류할 수 있다. 또한 촉매는 무기 촉매와 생체촉매(효소)로 분류된다. 촉매가 반응속도를 변화시키는 메커니즘은 반응과정에서 물질 간의 반응경로를 변화시키는 것이다. 촉매에 의하여 변경된 경로는 (정촉매의 경우) 더 낮은 활성화 에너지를 갖게 되고 이로 인해 반응은 더 빨리 일어난다.

촉매에 의하여 반응경로가 변경되는 반응의 예

포름산의 분해(탈수)에 대한 화학 반응식은

HCOOH → H2O + CO (Ea = 92.4kJ/mol)

이다. 이 반응은 활성화 에너지가 너무 커서 상온에서는 반응이 거의 일어나지 않는다. 그러나 이 반응에 정촉매인 양성자(H+)를 포함하는 산 수용액을 첨가하면 양성자에 의하여 포름산의 분해(탈수) 반응은 다음과 같이 세 단계로 나누어 진행된다.

• 1 단계: HCOOH + H+ → HCOOH2+ (빠른 반응)
• 2 단계: HCOOH2+ → HCO+ + H2O (느린 반응) (Ea = 75.6kJ/mol)
• 3 단계: HCO+ → CO + H+ (빠른 반응)

촉매인 양성자는 전체 반응의 전후에는 그 양이 일정하다. 양성자는 포름산의 분해 반응에서 활성화 에너지를 낮추는 정촉매 역할을 한다. 참고로 변경된 경로에서 가장 느린 반응은 2 단계이고, 이 때의 활성화 에너지 75.6kJ/mol은 전체 반응의 활성화 에너지는 아니다. (75.6kJ/mol은 1단계 후 생성물에서 2단계 후 생성물 사이의 에너지 차이이고, 전체 반응의 활성화 에너지는 1단계 전 반응물에서 2단계 후 생성물 사이의 에너지 차이이기 때문이다.)

또한 촉매가 작용하는 또 하나의 예로서 효소(enzyme)를 들 수 있다. 생물의 체온은 물질대사에 필요한 에너지를 생산하거나 물질을 합성할 수 있을만한 충분한 온도가 되지 못한다. 따라서 생물체는 이를 보완하기 위하여 체내 화학반응의 촉매인 효소를 이용한다. 효소는 반응의 활성화 에너지를 크게 낮추어 체온 환경에서도 고온에서 가능한 반응을 일어날 수 있게 한다.