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1. 촉매의 정의 :

촉매(觸媒, catalyst)란 반응과정에서 소모되거나 변화되지 않으면서 반응속도를 빠르거나 느리게 변화시키는 물질을 말한다. 촉매는 소량만 있어도 반응 속도에 영향을 미칠 수 있다.

일반적으로 촉매가 있으면 반응은 더 빠르게 발생하는데, 그 이유는 더 적은 활성화 에너지를 필요로 하기 때문이다. 촉매 반응 구조에서 촉매는 일반적으로 일시적인 중간 물질을 형성하기 위해 반응하며 그 다음 원래의 촉매를 재발생시키는 순환적인 과정을 거치게 된다.

더 좋은 답안을 위해서는 촉매와 활성화 에너지 관련 곡선하나 첨부하셔도 좋을 듯 합니다.

2. 촉매의 기능 

촉매의 가장 기본적인 기능은 첫째로 화학반응의 반응속도를 높이는 “활성”을 갖는 것이다.

두 번째의 기능은 특정한 반응만을 일으키는 “선택성”이다.

촉매를 사용하면 활성이 높아진다는 것은 촉매반응은 무촉매반응에 비해 활성화에너지가 작다는 것을 뜻한다. 같은 온도에서 활성화에너지가 작다는 것은 동일 온도에서 반응속도가 빠르다는 것을 의미한다. 따라서 촉매를 사용할 경우 촉매를 사용하지 않는 화학반응과 동일한 반응속도를 유지 위해 필요한 반응온도를 크게 낮출 수 있게 된다.

즉, 촉매반응은 에너지를 절약하고 부산물을 적게 생산하여 환경오염을 줄이는 효과가 있다.

반응물로부터 여러 생성물들을 얻을 수 있는 가능한 여러 반응경로 중에서 원하는 특정 생성물이 얻어지는 반응경로의 활성화에너지를 낮출 수 있는 촉매를 사용할 경우 특정생성물에 대한 선택도(selectivity)를 높일 수 있다. 이처럼 촉매를 사용할 경우 화학반응의 전체 반응속도를 증가시킬 수도 있으며 혹은 특정 생성물의 선택도를 높일 수 있다.

3. 촉매분류

촉매와 촉매 반응계의 상(phase)에 따라 촉매를 구별하는 것으로 균일계 촉매 (homogeneous catalyst), 불균일계 촉매(heterogeneous catalyst) 및 생촉매(enzymatic catalyst)로 구별할 수 있다.

균일계 촉매는 반응물, 생성물 및 촉매가 하나의 상(phase)으로 이루어진 것을 말하며, 불균일계 촉매는 이들이 2 개 이상의 상으로 되어있는 것을 말한다.

일반적으로 석유화학공정의 촉매반응계는 균일계 촉매반응과 불균일계 촉매반응으로 구성된다. 균일계 촉매반응의 경우에는 액상반응물-액상촉매가 대부분이며, 불균일계 촉매반응의 경우 액상반응물-고체촉매 혹은 기상 반응물-고체촉매계가 대부분의 석유화학공정을 차지한다.

반응속도는 반응생성물의 생산속도, 다시 말해서 경제성의 문제와 직결된다. 대부분의 촉매반응 속도는 반응온도의 증가에 따라 증가하기 때문에 대량생산을 지향하는 콤비나트형 현대 석유화학공정에서는 대부분 기상반응물-고체촉매계인 불균일계 촉매반응공정이 운전되고 있다. 반면에 특수 용도의 소량 생산품 혹은 특수 반응계가 요구되는 반응의 경우 액상반응물-액상촉매(균일계 촉매반응) 혹은 액상반응물-고체촉매(불균일계 촉매반응)계가 이용된다.

4. 전형적 반응식

가) 아래 내용은 일반적인 구조인데

전형적인 반응식이며, C는 촉매, A 및 B는 반응물, D는 A와 B의 생성물이다.

A + C → AC  -> 반응1

B + AC → ABC -> 반응 2

ABC → CD -> 반응 3

CD → C + D -> 반응 4

촉매가 반응 1에 의해 소비 되더라도,

반응 4에 의해 촉매가 생성되기 때문에 전체 반응식에는 나타나지 않는다.

A + B →D

반응에서 촉매가 재생되기 때문에 반응 속도를 높이기 위해서는 일반적으로 적은 양만이 필요하다. 그러나 실제로는 2 차 공정에서 촉매가 소모되는 경우가 있다.

촉매는 일반적으로 속도 방정식에 나타난다.

위 반응식의 속도 결정 단계가 제 1 단계 A + C → AC 일 때,

촉매화 된 반응은 촉매의 농도 [C]에 비례하는 속도 방정식 v = kcat [A] [C]

나) 만약 촉매와 관련하여 2,3,4교시 문제가 나온다면 아마

촉매의 반응속도론적 관점이 나올수 있을 것입니다.

이와 관련하여 심화학습이 필요하면 포글러 제10장 촉매반응을 보시면 됩니다.

특히 반응속도의 결정단계가 어딘지?