화학 촉매 뜻, 촉매 반응 정의와 원리

 

안녕하세요. EnerTravel입니다. 

 

이전 글에서 '탄화수소 종류와 이름규칙, 화학식'를 정리해보았는데요.

2023.04.12 - [EnergyTok/정유·화학] - 탄화수소 종류와 명명법, 화학식(방향족, 지방족)

탄화수소 종류와 명명법, 화학식(방향족, 지방족)

 

오늘의 EnergyTok 주제는 '화학 속 촉매 뜻, 정의와 원리' 입니다.

 

 촉매 정의와 원리 

 

 

촉매란 화학 반응을 보다 쉬운 조건에서, 안정적이고 높은 수율로 반응이 이루어지도록 도와주는 존재인데요. 일례로 석유화학 기초유분인 올레핀(Olefin) 제품은 보통 800도 이상의 고온으로 석유를 증기 분해해 제조해야하는데, 실제로 800도까지 열을 가하려면 많은 에너지가 필요하기도 하고, 이산화탄소 같은 온실가스 발생이 증가할 수 있는데요. 바로 이러한 상황에서 정유/석유화학 기업들은 촉매를 효과적으로 활용하여 화학 반응을 설계함으로서 안정적이고 효율적인 제품 생산/공장 가동을 할 수 있게 됩니다.

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다시말해, 촉매는 화학반응을 도와주는 물질로, 더 낮은 압력과 온도 조건에서도 원하는 반응을 선택적으로 일어나게 하는 역할을 합니다. 촉매를 이용하면 올레핀을 증기 분해할 때, 800도가 아닌 더 낮은 온도에서도 증기 분해가 가능합니다. 덕분에 에너지를 적게 사용해 환경오염을 줄일 수 있어, 정유 및 석유화학 분야에서는 다양한 용도로 촉매를 활용하고 있으며, 응용 분야와 사용량은 지속적으로 늘어나고 있는 추세입니다.

 

일반적으로 촉매는 자신이 소모되지 않으며, 화학 반응의 속도를 증가시키는 물질이라고 알려져 있습니다. 하지만 이는 촉매가 가진 능력 중에서 한 가지만을 이야기하는 것으로 보다 구체적으로 풀어보자면 '화학 반응에 참여하여 생성물의 결합구조에 차이가 없고 반응 속도를 증가시키며 화학 반응에서 소모되지 않는 물질'과 같이 바꿀 수 있습니다.

 

 촉매 역할, 반응 

  

 

우선 촉매의 첫 번째 역할인 ‘화학 반응에 참여’ 하는 측면을 먼저 살펴보겠습니다. 화학 반응이란 '어떠한 물질이 다른 물질로 바뀌는 현상'을 의미합니다. 좀 더 자세히 설명하자면, 분자 수준에서 전자의 이동이 일어나 분자 구조의 변화가 생기는 것이라 할 수 있죠. 따라서 ‘화학 반응’에 참여한다는 것은 분자 수준에서 전자를 주고받는다는 것을 의미하며, 이를 다르게 표현하면 화학적 결합에 변화가 생기는 것을 말합니다. 여기서 화학 결합이란 분자와 같이 안정된 원자 혹은 원자단의 집합체에서 구성원자들 사이에 작용하는 결합을 의미합니다.

두번째로는 ‘깁스 자유에너지 변화 유지' 인데요. 깁스 자유에너지는 화학 물질의 결합구조와 엔트로피(Entropy)에 의하여 변화하는 상태를 표현하는 방법의 하나입니다. 이 ‘깁스 자유에너지 변화’는 화학 물질의 상태와 결합구조에 따라 바뀌기에 ‘깁스 자유에너지 변화를 유지한다’라는 것은 서로 다른 물질(생성물)이 화학 결합 구조적으로는 같다는 것을 말합니다. 서로 다른 물질이 화학 결합 구조적으로 같다’라는 것은 촉매가 가지는 입체 구조*를 결정하는 능력(선택성, Selectivity)을 나타내는 말로 입체 구조: 분자 중 결합의 회전으로 생기는 결합 거리와 각 등을 고려한 원자의 공간적 배치를 의미합니다.

 

 

물질 A와 B가 화학 반응을 일으켜 새로운 물질을 생성하는 반응을 일으키고자 할 때 촉매는 A와 B가 직접 결합하는 데 필요한 에너지(파란색 선의 봉우리) 보다 에너지를 덜 사용하면서 C를 생산할 수 있도록 A 혹은 B와 결합하여 필요한 에너지를 아끼며 해당 반응 속도를 더 빠르게 만들 수 있습니다.

 

촉매의 세번째 역할은 ‘반응 속도를 증가’는 촉매가 없더라도 진행되는 어떠한 화학 반응의 완결에 필요한 시간이 감소한다는 것입니다. 마지막으로, 촉매는 화학 반응에 참여하여 새로운 물질이 되는 원료인 반응물이지만, 연속적으로 진행되는 화학 반응을 모두 마친 뒤에는 화학 반응에 참여한 원료 물질이 생성되어 결과적으로 소모되지 않습니다. 

 

 폴리에틸렌(PE) 생산의 핵심 지글러-나타(Ziegler-Natta) 촉매 

 

 

플라스틱 합성의 게임 체인저이자 석유화학 산업 발전의 기폭제가 된 촉매인 지글러-나타(Ziegler-Natta)는 과거, 200도 이상의 고온과 2,000기압 이상의 고압 환경에서만 폴리에틸렌을 생산할 수 있었다면, 이 촉매를 사용하면 상온·상압의 조건에서도 에틸렌을 쉽게 중합시킬 수 있답니다. 이들은 지글러-나타 촉매를 개발한 공로를 인정받아 1963년 노벨 화학상을 받기도 했습니다.

이후, 줄리오 나타는 지글러-나타 촉매를 더욱 발전시켜, 프로필렌을 중합해 폴리프로필렌으로 만들 수 있는 촉매를 발견했습니다. 당시 프로필렌은 중합이 매우 어려워 대량 상업생산이 사실상 불가능 했었는데요. 줄리오 나타가 발견한 중합 촉매의 사용 이후, 플라스틱 생산량이 폭발적으로 증가했습니다.

 

오늘은 '화학 속 촉매 뜻, 정의와 원리'에 대하여 정리해보았습니다.
다음글에서는 이성질체 개념과 종류, 비대칭 유기 촉매 반응과 원리'를 알아보겠습니다.

2023.08.12 - [EnergyTok/정유·화학] - 이성질체 개념과 종류, 비대칭 유기 촉매 원리, 반응, 실험

이성질체 개념과 종류, 비대칭 유기 촉매 원리, 반응, 실험