촉매

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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. 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 일어나기도 한다. 특히 생물체 내에서 일어나는 촉매를 효소라고 부르기도 하며 효소의 주성분은 단백질로 열이나 산·염기에 의해 변성이 일어나 촉매의 역할을 하지 못할 때가 있다.

촉매의 특징[편집]

·반응에서 전체적으로 소모되지 않는다.
·반응경로를 바꾸어 반응속도를 증가 또는 감소시킨다.
·반응물과 생성물의 평형 상태를 바꾸지 않는다.(반응 속도만을 변화시킬 뿐 반응계의 평형에는 영향이 없다.)

촉매의 분류[편집]

1. 촉매와 반응물의 상에 따른 분류

- 균일계 촉매 : 촉매가 반응물과 같은상으로 존재하는 촉매.
- 불균일계 촉매 : 반응물과같은상으로존재하는촉매.

2. 촉매의 역할에 따른 분류

- 산화-환원 촉매
- 산-염기 촉매 : 수산화이온(OH- )이 촉매로서 작용하는 반응
- 금속촉매

3. 촉매를 가한 후의 반응속도에 따른 분류

- 정촉매 : 활성화에너지(Ea)를 감소시켜 반응 속도를 증가시키는 촉매.
- 부촉매 : 활성화에너지(Ea)를 증가시켜 반응 속도를 감소시키는 촉매.

틀:유기화학실험 제2판 정평진 편저

촉매 선택 기준[편집]

촉매 활성과 선택성이 높고 수명이 긴 촉매
- 촉매 활성: 촉매로서 화학반응의 반응속도를 조절하는 능력
- 선택성: 특정한 반응만을 일으키는 성질
- 수명: 촉매 활성이 저하되어 촉매로서의 효용성이 없어질때까지의시간

촉매에 의하여 반응경로가 변경되는 반응의 예[편집]

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 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 할 수도 있다.

틀:유기화학실험 제2판 정평진 편저