안녕 갤럼들. 오늘도 할 일이 없어서 그냥 과학 기사를 하나 들고 왔음.

일단 기사부터 보자

https://www.hankyung.com/it/article/201908270481Y

이 기사는 우리가 흔히 볼 수 있는 과학 기술 관련 기사임. 바로 그 내용을 줄여서 말하자면, 어떤 반응을 위한 촉매를 개발했다는 것임.

이런 기사를 많이 찾아볼 수 있다는 것은 그만큼 연구하는 사람들이 많다는 뜻이고, 이는 곧 이것이 화학 산업에서 큰 비중을 차지하고 있다는 것을 보여주는 증거가 될 것임.

그리고 실제로 화학 산업 현장에서 쏟아져 나오는 제품들의 90% 이상이 만드는 과정에서 촉매를 필요로 함.

그럼 촉매는 무엇이며 정확히 무슨 역할을 할까?


일단 촉매가 촉진 시키는 화학 반응이 뭔지 정확히 정의하면, 반응물이 충돌하면서 에너지 상태가 들뜨게 되고 이로 인해 '화학 결합이 끊어지고 이어지는 과정'을 거쳐 원자의 구성과 배열방법이 다른 생성물로 전환되는 일련의 변화 라고 책에서 말하고 있음. 여기서 중요한 점은 화학 결합이 끊어지고 이어지는 과정을 거친다는 것임.

우리가 보는 얼음이 녹는 것과 같은 것은 화학결합의 변화가 나타나지 않기 때문에 화학 반응이라고 부르지 않음.


이러한 화학 반응의 진행과 그 속도를 결정하는 요인은 두가지가 있는데, 하나는 지수앞자리인자이고, 하나는 활성화 에너지임.

정확히 말하면, 반응 속도는 화학 반응의 재료인 반응물과 그 결과물인 생성물의 농도와, 반응 속도 상수 k에 의해 결정됨.

그리고 그 k는 다음과 같은 식, 아레니우스 식으로 나타내어짐.


저기 있는 A를 지수앞자리인자, 지수의 분자를 활성화 에너지라고 부름.

저 지수앞자리인자에 대해서 이야기하려면 통계 역학에 대해서 알아야 하기 때문에 정말정말 머리가 아파지므로 잠시 뒤로 미루고, 활성화 에너지에 대해서 이야기 하겠음.

활성화 에너지는 반응이 일어날 때, 그러니까 결합이 끊어지고 생겨날 때 필요로 하는 에너지로, 반응이 진행되기 위해 넘어야 하는 문턱에 자주 비유됨.

그리고 촉매 반응은, 이것을 낮춰줌으로써 반응의 속도를 빠르게 하는 역할을 함. 그뿐만 아니라, 생성물의 수율까지 높이는 역할을 하기도 함.


그런데 여기서 하나 짚고 넘어가야 할게 있음. 바로 우리가 고등학생 때 들었던 촉매의 정의와 실제 화학자들이 정의하는 촉매의 정의는 조금 차이점이 있다는 것임.

우리는 촉매가 반응 과정에서 절대 변하지 않고 화학 반응을 도와주는 것이라고 들었음. 하지만 실제 촉매는 구조, 결합, 산화상태가 계속해서 변함.

그렇기 때문에 화학자들은 과거의 촉매의 정의에서 자신은 변하지 않는다는 말을 반응 중에 소모되지 않으면서 반응 속도를 증진시키는 물질이라고 정의하게 되었음.

이는 아토초 레이저와 같은 현대 과학의 산물들을 통해 얻어낸 결과이기도 함.



계속해서 변화하는 촉매의 모습. 촉매 반응의 메커니즘을 나타낸 그림이다


그럼 어떻게 화학 반응의 활성화 에너지를 촉매가 낮추는 것일까? 

그것을 알기 위해서는 우선 화학 반응의 두 가지 이론 충돌론과 전이 상태 이론에 대해서 알아야 한다.

우선 화학 반응의 충돌론은 간단하다. 바로 반응물이 서로 충돌했을 때, 활성화 에너지 고개를 넘으면 화학 반응이 일어난다고 보는 이론이다.

전이상태 이론은 반응물과 생성물의 활성화 착화합물 상태인 중간단계, 전이 상태가 존재한다는 이론이다.

이 두 이론에서 설명하는 촉매의 작용 방법은 다르다. 우선 충돌론에서는 반응물이 촉매 표면에 흡착되면서 활성화 에너지가 낮아져서 촉매 작용이 나타난다고 설명한다.

전이상태 이론에서 이야기하는 촉매의 작용 방법은 좀더 구체적이다. 전이 상태 이론에서는 어떤 활성화 착화합물을 만드느냐에 따라 활성화 에너지의 크기가 달라지는데, 반응물이 촉매에 흡착되면서 특정 구조의 착화합물의 생성을 유도하고, 이것이 활성화 에너지가 작은 활성화 착화합물이 생성되도록 유도되는 방향으로 간 것이 촉매라고 말한다. 

여기서 우리는 활성화 에너지의 감소만이 아닌 반응물의 배향에 따른 효율성 증가, 선택적 흡착 등이 영향을 끼쳐서 촉매작용이 일어난다는 것을 알 수 있다.