여러분은 ‘촉매’라는 단어를 들으면 어떤 것이 떠오르시나요? 만약 자동차에 관심이 있으신 분이라면 배출가스 저감 장치를 떠올리시거나, 생명과학에 관심이 있으신 분이라면 효소를 떠올리셨을 것 같네요. 그 외에도 추운 겨울날 국방의 의무를 다하고 있는 멋진 장병들의 손발을 녹여주는 핫팩을 떠올리신 분도 있겠고요.
하지만 우리 생활에 가장 밀접한 것은 바로 플라스틱을 만드는 촉매라고 할 수 있습니다. 우리가 입고 있는 옷부터 다양한 일회용품, 생활필수품인 휴대기기에까지 플라스틱은 사용되지 않는 곳이 없는데요. 이러한 플라스틱 중에서도 폴리에틸렌(Poly ethylene·PE)과 폴리프로필렌(Poly propylene·PP)을 생산하기 위해서 촉매는 아주 중요한 역할을 합니다.
오늘은 우리 생활에 없어서는 안 되는 촉매에 대해 알아보겠습니다.
01
촉매란 무엇인가.
우선 촉매가 무엇인지부터 알아보도록 합시다. 일반적으로 촉매는 자신이 소모되지 않으며, 화학 반응의 속도를 증가시키는 물질이라고 알려져 있습니다. 하지만 이는 촉매가 가진 능력 중에서 한 가지만을 이야기하는 것입니다.
그러면 촉매의 학술적인 정의는 어떻게 될까요? 전 세계의 화학자들이 모인 IUPAC(International Union of Pure and Applied
Chemistry)이라는 기구에서는 촉매를 ‘화학 반응에 참여하여 깁스 자유에너지 변화를 유지하며 반응 속도를 증가시키는 반응물이자 생성물인 물질’로 정의하고 있습니다. 정의가 조금 어렵죠? 이를 조금 다르게 표현하면, “화학 반응에 참여하여 생성물의 결합구조에 차이가 없고 반응 속도를 증가시키며 화학 반응에서 소모되지 않는 물질”과 같이 바꿀 수 있습니다.
위의 문장이 쉽게 이해되시나요? 이해가 잘되지 않는다고 화학을 멀리하거나 두려워하실 필요는 없습니다. 알고 보면 그리 복잡하지 않거든요.
02
친절한 촉매 설명서
여러분의 이해를 돕기 위해 앞에서 알아본 촉매의 정의, “화학 반응에 참여하여 생성물의 결합구조에 차이가 없고 반응 속도를 증가시키며 화학 반응에서 소모되지 않는 물질”을 하나씩 해석해보겠습니다.
우선 첫 번째, ‘화학 반응에 참여하여’를 살펴보겠습니다. 화학 반응은 어떠한 물질이 다른 물질로 바뀌는 현상을 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.
다음으로 해석할 부분은 ‘깁스 자유에너지 변화를 유지하며’ 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.
‘반응 속도를 증가시키는’은 촉매가 없더라도 진행되는 어떠한 화학 반응의 완결에 필요한 시간이 감소한다는 것입니다. 이와 관련된 자세한 과정의 설명은 뒤에 하도록 하겠습니다.
마지막으로, ‘반응물이자 생성물인’은 화학 반응에 참여하여 새로운 물질이 되는 원료인 반응물이지만, 연속적으로 진행되는 화학 반응을 모두 마친 뒤에는 화학 반응에 참여한 원료 물질이 생성되어 결과적으로 소모되지 않은 것과 같다는 의미입니다.
03
반응을 쉽고 빠르게!
앞서 설명해 드린 네 가지 조건을 만족하는 물질이 화학적인 의미의 촉매입니다. 위의 네 가지 조건 중에서 두 번째, ‘서로 다른 물질이 화학 결합 구조적으로 같다’라는 것은 촉매가 가지는 입체 구조*를 결정하는 능력(선택성, Selectivity)을 나타내는 말입니다. 이를 자세히 설명하기 전에 촉매가 참여하는 반응이 어떠한 방식으로 이루어지는지 말씀드리겠습니다.
물질 A와 B가 화학 반응을 일으켜 C(A+B)라는 물질을 생성하는 반응을 가정해보겠습니다. 위 그림은 물질 A와 물질 B가 직접 결합하는 데 필요한 에너지(파란색 선의 봉우리)가 물질 B와 촉매가 결합하거나(형광색 선의 첫 번째 봉우리), 물질 B와 촉매가 결합한 물질이 물질 A와 결합하기(형광색 선의 두 번째 봉우리) 위해 필요한 에너지보다 크다는 것을 보여주고 있습니다.
화학 반응이 일어나는 데 필요한 에너지가 더 크다는 것은 해당 반응이 더 어렵다(느리다)는 것을 의미합니다. 따라서 촉매가 있을 때 반응 속도가 빨라진다는 의미가 되죠.
*입체 구조: 분자 중 결합의 회전으로 생기는 결합 거리와 각 등을 고려한 원자의 공간적 배치.
04
촉매가 건네는 도움의 손길
아직 이해가 잘 안되신다고요? 그렇다면 이제 물질 A와 B를 레고 블록으로 생각해 봅시다. 그리고 무작위로 흩어져있는 블록 중에서 하나(A)를 오른손으로 잡고 다른 블록(B)에 연결해봅시다. 생각처럼 잘 안될 겁니다. 그러면 왼손(촉매)으로 블록 B를 고정하고(B와 촉매의 결합) 블록 A와 연결해봅시다. 한 손만으로 연결하려 했을 때보다 훨씬 쉬워졌을 겁니다.
두 블록을 연결한 후에 왼손과 하나가 된 블록에서 왼손을 떼면 블록 A와 블록 B가 연결된 블록 C(A+B)와 처음과 같이 아무것도 들고 있지 않은 왼손이 남게 됩니다. 결과적으로 오른손만을 사용하여 블록 A와 블록 B를 연결하여 블록 C(A+B)를 만든 것과 같은 결과물을 얻었지만, 왼손을 사용하여 두 개의 블록을 연결하는 것이 매우 쉬워졌습니다. 이것이 촉매가 화학 반응에 참여하여 전체 화학 반응이 일어나는 속도를 빠르게 하는 원리입니다.
이번에는 촉매의 정의와 함께 촉매가 어떤 식으로 화학 반응에 영향을 미치기에 반응 속도가 빨라지는가에 대해서 알아보았습니다. 하지만 앞서 설명에 사용한 그림과 촉매의 정의 중 설명하지 않은 것이 있습니다. 바로, ‘구조적으로 같다’라는 서술의 의미인데요. 이에 대해 의문을 가지신 분이 분명히 계시리라 생각합니다. 그에 해당하는 부분은 다음에 이어서 이야기하도록 하겠습니다!
(글: 한화토탈 촉매연구팀 전용준 과장)
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