화학 고3 반응 속도

촉매

반응 전후 자신은 변하지 않으면서 활성화 에너지를 낮추어 반응 속도를 증가시키는 물질이다. 진로선택 「물질과 에너지」 소속.

자신은 반응 전후로 소모되지 않으면서, 활성화 에너지가 더 낮은 새로운 반응 경로를 열어 반응 속도를 크게 만드는 물질입니다.

산 너머로 가야 하는데 촉매는 산을 낮춰 주는 게 아니라 '더 낮은 고개로 넘어가는 지름길'을 안내해 줍니다. 안내인 자신은 끝나면 원래 자리로 돌아와 다음 사람을 또 안내합니다.

쉽게 말하면

촉매가 하는 일은 딱 하나, 활성화 에너지를 낮추는 것입니다. 다만 기존 경로의 봉우리를 물리적으로 깎는 게 아니라, 촉매가 반응물과 결합해 만드는 완전히 다른 단계의 경로를 제공합니다. 그 새 경로의 봉우리가 원래보다 낮기 때문에 문턱을 넘는 입자의 비율이 크게 늘고, 결과적으로 반응이 빨라집니다.

이 과정에서 촉매는 반응 도중 소모되었다가 뒤 단계에서 다시 만들어집니다. 그래서 시작할 때 있던 그대로 끝날 때도 남아 있고, 전체 반응식에는 등장하지 않습니다. 정말로 아무 일도 안 하는 것이 아니라, 참여했다가 되돌아오는 것입니다. 이 사정은 반응 메커니즘을 써 보면 눈에 보입니다.

촉매가 못 하는 일도 분명합니다. 반응물과 생성물의 에너지는 그대로이므로 $Δ H$ 가 바뀌지 않고, 정반응 경로의 봉우리를 낮추면 역반응 경로의 봉우리도 똑같이 낮아지므로 정반응과 역반응이 같은 비율로 빨라집니다. 그래서 평형의 위치(평형 상수)는 조금도 움직이지 않고, 평형에 도달하는 시간만 짧아집니다. 촉매는 목적지를 바꾸지 않고 도착 시각만 앞당깁니다.

반응 속도를 올리는 촉매를 정촉매, 오히려 늦추는 물질을 부촉매라고 합니다. 반응물과 같은 상에 섞여 있는지 아닌지에 따라 나누는 방식은 균일·불균일 촉매에서 다룹니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

과산화 수소의 분해

$2 H_{2} O_{2} \to 2 H_{2} O + O_{2}$

약국의 과산화 수소수는 오래 두면 아주 천천히 분해되지만, 이산화 망가니즈( $Mn O_{2}$ ) 가루를 조금 넣으면 즉시 산소 거품이 격렬하게 올라옵니다. 상처에 발랐을 때 거품이 이는 것도 같은 반응인데, 이때는 우리 몸의 카탈레이스라는 효소가 촉매 역할을 합니다. 반응이 끝난 뒤 $Mn O_{2}$ 를 걸러 내면 넣은 만큼 그대로 회수됩니다.
예시 2

자동차 촉매 변환기

배기가스 속의 일산화 탄소, 질소 산화물, 안 탄 탄화수소는 그냥 두면 반응이 너무 느립니다. 백금·팔라듐·로듐 표면을 지나가게 하면 활성화 에너지가 낮아져, 배기관을 통과하는 짧은 시간 안에 이산화 탄소·질소·물로 바뀝니다. 촉매 금속은 배기가스에 실려 나가지 않고 계속 그 자리에 남습니다.
예시 3

촉매가 '지름길'이라는 증거

촉매를 넣은 반응은 넣지 않은 반응과 다른 메커니즘으로 진행됩니다. 그래서 속도식의 모양 자체가 바뀌기도 하고, 촉매 표면이 오염되면(촉매독) 그 지름길이 막혀 속도가 원래대로 뚝 떨어집니다. 만약 촉매가 그저 옆에 서서 응원만 하는 것이라면 이런 일이 생길 이유가 없습니다.

촉매를 넣는 것과 온도를 올리는 것

구분	촉매 첨가	온도 상승
활성화 에너지	더 낮은 $E_{a}$ 의 새 경로가 생김	$E_{a}$ 는 그대로
빨라지는 원리	낮아진 문턱을 넘는 입자 비율 증가	입자의 에너지 분포가 이동해 문턱을 넘는 비율 증가
반응 엔탈피 $Δ H$	변하지 않음	거의 변하지 않음
평형 상수 $K$	변하지 않음	변함(발열/흡열에 따라 이동)
정반응·역반응	둘 다 같은 비율로 빨라짐	둘 다 빨라지되 비율이 달라 평형이 이동

자주 하는 오해

촉매를 넣으면 생성물이 더 많이 생긴다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움촉매를 넣었으니 반응이 더 많이 일어나 수득량이 늘어난다

실제로는최종 생성량과 평형의 위치는 그대로입니다. 그 지점에 훨씬 빨리 도달할 뿐입니다.

촉매는 정반응과 역반응의 활성화 에너지를 똑같이 낮추므로 두 방향이 같은 배수로 빨라집니다. 평형 상수는 정반응과 역반응 속도 상수의 비로 정해지는데, 같은 배수로 곱해지면 비는 그대로입니다. 그래서 그래프에서 촉매를 넣은 곡선은 더 가파르게 올라가지만 결국 같은 높이에서 평평해집니다.

촉매는 반응에 전혀 참여하지 않는다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움촉매는 소모되지 않으니까 옆에서 구경만 하는 물질이다

실제로는촉매는 반응물과 실제로 결합해 중간 단계를 만들었다가, 뒷 단계에서 원래 모습으로 재생됩니다. 참여하되 되돌아오는 것입니다.

만약 참여하지 않는다면 활성화 에너지가 낮은 새 경로를 만들 방법이 없습니다. 소모량이 0인 이유는 '쓰이지 않아서'가 아니라 '쓰인 만큼 되살아나서'입니다. 그래서 촉매는 소모되지 않으면서도 표면이 오염되면 기능을 잃고, 아주 적은 양으로 엄청난 양의 반응물을 처리할 수 있습니다.