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- 촉매 연구는 오늘날 화학 분야에서 "뜨거운" 주제 중 하나
- 촉매는 모든 화학 공정의 80~90%에서 사용, 전 세계 국내총생산(GDP)의 1/3에 기여
- 19세기 말 빌헬름 오스발트(1909 노벨 화학상),화학 반응에 대한 촉매 영향 집중 연구
- 불균일 촉매에서는 코킹(coking) 또는 소결(sintering) 공정 중에 변화 발생

마법의 분자 유기 촉매 (1) 화학에 영감을 준다.

촉매가 없으면 세상이 다르게 보일 것이다. 이러한 반응 촉진제 없이는 많은 화학 물질, 의약품 및 일상 제품이 존재하지 않을 것이다. 그러나 최적의 촉매는 아직 모든 곳에서 발견되지 않았다. 따라서 촉매 연구는 오늘날 화학 분야에서 "뜨거운" 주제 중 하나다. 

▲ 촉매 없이 화학에서 작동하는 것은 거의 없다. © Garcia/ iStock

촉매제가 없으면 자동차 배기가스가 더 더럽게 될 뿐만 아니라 우리 주변의 많은 것들, 예를 들어 플라스틱, 약품, 인공 비료 등 대부분이 아예 존재하지 않을 것이다.
촉매제는 또한 기후에 피해를 주는 가스 배출을 줄이는 데 도움이 된다. 그래서 우리는 반응 촉진제에 많은 빚을 지고 있다.

추정에 따르면 촉매는 모든 화학 공정의 80~90%에서 사용된다. "이러한 방식으로 만들어진 제품은 전 세계 국내총생산(GDP)의 최대 3분의 1에 기여하는 것으로 계산됐다"라고 벤쟈민 리스트(Benjamin List)는 자신의 작업 분야인 촉매 연구에 대해 말한다. 이 화학자는 막스 플랑크 석탄 연구소 소장이며 촉매 작용을 "인류의 가장 중요한 기술 중 하나"로 간주한다.

촉매는 무엇에 좋은가요?
 
촉매 작용의 역사는 사실상 화학 산업의 역사만큼 오래되었다. 이론적인 배경이 없고 ​​메커니즘을 알지 못하더라도 실무자들은 특정 조건에서 많은 중요한 반응이 더 빨리 일어난다는 것을 일찍부터 배웠다.

산업 촉매 작용의 첫 번째 예 중 하나는 황산 생산을 위해 1746년에 개발된 납 챔버 공정이다. 이산화질소는 이산화황에서 삼산화황으로의 산화를 촉매한다. 19세기에 개발된 접촉 과정에서 백금과 나중에는 오산화바나듐이 촉매로 작용했다.

가능하게 만드는 물질

비료 생산에 중요한 염소, 질산, 플라스틱, 메탄올, 남색 염료 또는 암모니아인지는 중요하지 않다. 수많은 중요한 화학 물질의 합성에서 중요한 전환 속도를 보장하는 것은 촉매다. 촉매 작용의 초기 정의 중 하나는 19세기 말에 화학 반응에 대한 촉매의 영향을 집중적으로 연구한 빌헬름 오스발트(Wilhelm Ostwald)에서 나왔다. 이것에서 그는 이미 반응 속도에 대한 영향을 고려했다.

▲ Wilhelm Ostwald는 물리 화학의 창시자 중 한 사람이자 "촉매의 아버지"로 간주된다. © historisch

후에 촉매란 화학반응의 속도를 증가시키거나, 화학반응에서 소모되지 않고 애초에 반응이 일어나도록 하는 물질이라는 설명에서 오늘날까지 유효한 설명이 유래되었다. Ostwald는 이 효과를 시계 장치의 바퀴에 윤활유가 미치는 영향을 비유했다. 두 경우 모두 기존 저항이 감소합니다. 시계 장치에서는 기계적 마찰로, 화학 반응기에서는 에너지 장벽으로 인해 감소한다. Ostwald는 그의 기초 연구로 1909년 노벨 화학상을 받았습니다.

촉매는 무엇을 할 수 있고 무엇을 할 수 없을까?

이러한 맥락에서 중요:
촉매는 열역학적으로도 유리한 반응, 즉 제품의 에너지 수준이 출발 물질의 에너지 수준보다 낮은 반응만 가속화하거나 활성화할 수 있다. 똑같이 중요하다. 반응의 열역학적 평형은 촉매의 영향을 받지 않는다. 촉매의 특징은 기존 결합을 끊기 위해 소비해야 하는 활성화 에너지를 낮추어 새로운 결합을 가진 새로운 상태가 발생할 수 있다는 것이다.

촉매는 일반적으로 더 적은 에너지 입력으로 도달할 수 있는 특수 전이 상태를 활성화하여 이 에너지 소비를 줄인다. 예를 들어, 반응 파트너 중 하나와 일시적으로 공유 또는 수소 결합을 형성해 반응성에 영향을 주어 이를 수행한다.

덧붙여서, 실제로는 "소진되지 않는다"가 항상 맞는 것은 아니다. 특히 일반적으로 촉매가 고체상에 적용되는 불균일 촉매에서는 코킹(coking) 또는 소결(sintering) 공정과 같은 공정 중에 변화가 발생한다. 따라서 이러한 공정의 운영자는 때때로 촉매 물질을 교체해야 한다.

(계속)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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