학문
화학 반응에서 촉매가 활성화 에너지를 낮추어 반응 속도를 빠르게 만드는 정확한 메커니즘이 무엇인가요?
안녕하세요.
정촉매를 사용하면 화학 반응의 속도가 빨라진다고 배웠습니다. 촉매가 반응에 참여하면서도 자신은 변하지 않고 활성화 에너지만 낮추는 구체적인 원리가 궁금합니다. .
감사합니다.
2개의 답변이 있어요!
안녕하세요. 김찬우 전문가입니다.
촉매는 자신은 변하지 않으면서 화학반응속에 참가하여 활성화 에너지를 변화시켜 반응을 빠르게도 느리게도 만들 수 있는 물질 입니다.
그 이유는 촉매가 기존과 다른 화학반응의 길을 만들어내기 때문에 자신은 변화하지 않는 것 입니다.
화학 반응이 일어나려면 반응물들이 충돌하여 기존 결합을 끊고 새로운 결합을 만들어내는 전이 상태 라는 것을 거쳐야 합니다. 이 전이상태에 도달하는 최소한의 에너지가 활성화 에너지 입니다.
하지만 이러한 반응에 촉매가 들어가게 되면 기존의 전이상태와는 다른 훨씬 낮거나 높은 전이상태를 거치게 되고 자신은 남은 반응물과 결합하여 생선물만 만들고 자신은 빠져나오게 되면서 반응 속도를 조절하는 것 입니다.
그럼 답변 읽어주셔서 감사드립니다:)
안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
화학 반응에서 촉매가 활성화 에너지를 낮추는 핵심 원리는 반응이 일어나는 새로운 우회 경로가 일어나기 때문입니다. 원래 반응물들이 최종 생성물로 변하기 위해서는 분자 간의 결합을 끊고 재배열할 수 있을 만큼의 높은 에너지 장벽을 넘어야 합니다. 이를 활성화 에너지라고 부르는데, 촉매는 이 장벽 자체를 깎아내리는 것이 아니라 장벽이 훨씬 낮은 전혀 다른 단계적 경로를 만들어 줍니다.
가장 흔한 방식은 촉매가 반응물 중 하나와 일시적 결합하여 중간물질인 효소기질복합체를 형성하는 것입니다. 이 중간물질이 형성되는 과정과, 형성된 중간물질이 나머지 반응물과 결합하여 최종 생성물로 변하는 각 단계의 에너지 장벽은 촉매가 없을 때의 단일 장벽보다 훨씬 낮습니다. 이 과정에서 촉매는 반응물과 결합했다가 최종 단계에서 다시 원래 상태로 완전히 분리되어 떨어져 나오기 때문에 화학적으로 소모되지 않고 보존됩니다.
또 다른 방식은 고체 촉매 표면에 기체나 액체 상태의 반응물이 달라붙는 흡착 현상을 이용하는 것입니다. 반응물이 촉매 표면에 붙으면 촉매 원자와의 상호작용으로 인해 반응물 내부의 결합이 느슨해지거나 끊어지기 쉬운 상태가 됩니다. 결합이 약해진 반응물들은 표면을 따라 이동하다가 훨씬 적은 에너지로도 쉽게 충돌하여 새로운 결합을 형성합니다. 반응이 끝나면 생성물은 표면에서 떨어져 나가고 촉매는 다음 반응을 위해 원래 모습을 유지합니다. 결과적으로 촉매는 반응 속도만 빠르게 할 뿐, 반응 전후의 전체적인 에너지 변화량에는 영향을 주지 않습니다.