화학 반응 속도는 온도나 반응물의 농도를 포함한 여러 요인에 따라 달라집니다. 밝혀진 바와 같이, 이물질을 조금만 첨가하면 반응 동역학에 영향을 주어 반응 속도가 상당히 빨라질 수 있습니다. 이 문제는 촉매작용의 주제입니다. 이는 이제 특히 화학 산업에서 매우 중요합니다. 많은 대규모 기술 프로세스는 촉매 없이는 불가능합니다. 더욱이, 생화학적 과정을 촉매하는 효소는 지구상의 생명 과정에서 중요한 역할을 합니다.
촉매작용 – 그것이 무엇이며 어떻게 분류됩니까?
촉매작용은 기질도 아니고 그 변환의 산물도 아닌 물질을 사용하여 화학반응의 속도를 증가시키는 현상으로 정의됩니다. 이런 물질을 촉매라고 합니다. 촉매작용의 기본 유형은 다음과 같습니다.
- 균일한 촉매작용 – 이 유형의 촉매작용에서는 기질 과 촉매가 모두 동일한 물리적 상태에 있습니다. 대부분 액체 또는 기체상입니다. 이 경우 촉매는 기질 중 하나와 반응하여 불안정한 중간 복합체를 형성하고, 이는 다시 다른 반응물과 반응합니다. 그 결과, 반응 생성물이 형성되고, 촉매가 회수된다. 모든 반응이 이런 식으로 진행되는 것은 아니라는 점에 유의해야 합니다. 실제로 다단계 프로세스가 가장 일반적인 종류입니다. 균질(또는 단일상) 반응의 예로는 산화황(IV)이 산화황(VI)으로 산화되는 것이 있습니다. 모든 구성 요소, 즉 기질, 촉매 및 생성물은 기체상으로 존재합니다.
- 이종 촉매 작용 – 이는 화학 산업 공정 등에서 가장 일반적으로 사용되는 촉매 작용 유형입니다. 여기서 촉매는 다른 반응물과 물질의 물리적 상태가 다릅니다. 보통 고체, 즉 소위 ‘접촉’입니다. 기판은 표면에 흡착됩니다. 그러면 촉매가 그들과 반응합니다. 생성된 제품은 탈착되어 접촉 표면을 떠나 다음 기판을 위한 공간을 만듭니다. 이러한 유형의 촉매 작용을 사용하면 예를 들어 일반적으로 서로 반응하지 않는 기체 물질 간의 반응을 수행할 수 있습니다. 불균일 촉매작용이 산업적 관점에서 매우 중요하다는 점을 감안할 때, 촉매작용의 주요 쟁점 중 하나는 다양한 재료로 만들어지고 가능한 가장 큰 접촉 표면을 제공하는 모양을 갖는 촉매를 개발하는 것입니다.
- 효소 촉매작용 – 효소는 발효물 외에도 생합성 및 분해 반응의 생체촉매작용에 관여하는 단백질 그룹입니다. 이러한 과정은 살아있는 유기체와 체액의 세포에서 발생합니다. 효소는 ‘고전적인’ 촉매와 마찬가지로 생물학적 반응의 활성화 에너지를 낮춥니다. 표면적으로는 소위 활성 센터가 있습니다. 모양과 구조로 인해 이러한 센터는 특정 기판에만 호환됩니다. 따라서 촉매로서 효소의 선택성은 100%입니다. 더욱이, 그러한 촉매 작용을 열쇠와 자물쇠 모델이라고 합니다. 효소-기질 복합체가 형성된 후 일부 결합이 느슨해지고 생성물이 형성됩니다. 그런 다음 효소가 방출되어 원래 형태로 돌아갑니다.
자가촉매작용은 흥미로운 현상입니다. 반응의 결과 생성물이 촉매가 될 때 발생합니다. 따라서 시간이 지남에 따라 반응은 점점 더 빠르게 진행됩니다. 자가촉매 과정의 예로는 산성 환경에서 KMnO 4 와 과산화수소 의 반응이 있습니다. 형성된 이온(예: Mn 2+ )은 원래 반응의 촉매 역할을 합니다.
촉매
촉매는 반응 시스템에 도입될 때 화학 반응을 가속화하는 화학 물질입니다. 중요한 것은 반응 중에 화학적 변형을 일으키지 않으며, 반응이 완료되면 원래의 형태로 회복된다는 점입니다. 반응 시스템에 첨가된 촉매는 기질과 불안정한 일시적 결합을 형성합니다. 이를 통해 활성화 에너지를 낮출 수 있습니다. 중요한 것은 촉매가 전체 공정의 화학량론적 방정식에 포함되지 않는다는 것입니다. 더욱이, 촉매를 사용하더라도 열역학적으로 실현 가능하지 않은 반응을 시작하는 것은 불가능합니다. 특정 조건에서 특정 화학반응이 일어나기 위해서는 필요한 활성화 에너지보다 더 큰 에너지를 제공해야 합니다. 이 경우 촉매의 역할은 필요한 에너지의 양을 줄여 반응이 더 빨리 시작될 수 있도록 하는 것입니다. 촉매는 평형 상태의 변화에 영향을 미치지 않는다는 것을 기억할 가치가 있습니다. 단지 성취의 순간을 가속화할 뿐입니다. 이 작업이 빠를수록 더 활동적인 것으로 간주됩니다. 따라서 촉매 활성은 촉매 존재와 부재 하에서 반응이 평형에 도달하는 속도의 차이로 정의됩니다. 촉매를 특징짓는 또 다른 기준은 선택성입니다. 반응 중에 생성된 모든 생성물의 총량에 대한 생성된 생성물의 양의 비율로 정의됩니다. 산업 공정에서 촉매로 사용되는 물질은 일반적으로 70~90%의 선택도를 달성합니다. 이런 점에서 효소는 독특합니다. 생화학 반응에서 달성되는 선택성 수준은 최대 100%에 이릅니다. 
산업 공정에서 촉매작용의 중요성
현재 촉매작용은 많은 공정, 특히 화학 산업에서 중요한 역할을 합니다. 촉매는 화학물질의 보다 효율적인 생산에 기여하며, 이는 예를 들어 비료 생산에 사용됩니다. 촉매작용에 의존하는 화학 산업 공정의 세 가지 예가 아래에 제시되어 있습니다. 이러한 촉매는 가장 일반적으로 사용되는 것 중 하나입니다. 그러나 새롭거나 수정된 솔루션이 지속적으로 시장에 출시되고 있으며 이전에 사용된 물질을 점차적으로 대체하는 데 성공하고 있다는 점을 기억해야 합니다.
질산(V) 생산
질산(V)산 의 생산은 여러 연속 단계로 구성됩니다. 첫째, 산소 중의 암모니아가 산화질소(II)와 물로 연소되는 것입니다. 공정 효율을 높이기 위해 백금과 로듐(93%Pt 및 7%Rh)의 합금인 촉매를 사용하여 수행됩니다. 이 합금은 특수 메쉬를 짜는 와이어를 생산하는 데 사용됩니다. 2개 또는 3개의 메쉬가 반응 가스의 흐름에 수직으로 반응기에 배치됩니다. 그러나 이 방법에는 몇 가지 제한 사항이 있습니다. 움직이는 가스는 메쉬에 마찰을 일으켜 메쉬의 품질 저하와 백금 손실을 초래합니다. 이러한 손실은 특히 압력이 증가하고 온도가 높은 산화 구역에서 두드러집니다. 또한, 백금 메쉬는 간섭 물질(예: 황)로부터 반응 가스를 충분히 정화하지 못하여 발생하는 중독에 상대적으로 민감합니다. 암모니아의 촉매 산화 중에 아산화질소가 부산물로 형성됩니다. 현재, 배출을 줄이는 솔루션이 시장에 나와 있습니다. 이를 위해, 아산화질소의 아산화질소의 고온 분해를 위해 Pt-Rh 합금 메쉬 근처에 알루미네이트 기반 산화물 촉매가 사용됩니다. 이 촉매의 특징은 N 2 O에 대한 높은 분해 선택성입니다.
SO 2 를 SO 3 으로 산화
황산(VI)산 의 산업적 생산에서 가장 중요한 단계 중 하나는 산화황(IV)을 산화황(VI)으로 산화시키는 것입니다. 이 프로세스는 접촉 방법을 사용하여 수행됩니다. 많은 물질이 이 산화 반응에서 촉매 역할을 할 수 있습니다. 그들은 다양한 정도로 반응을 가속화합니다. 바나듐 촉매를 사용하면 최고의 효율이 달성된다는 것이 실험적으로 입증되었습니다. 이는 지지체(보통 실리카) 위에 증착된 바나듐(V) 산화물로 구성됩니다. 또한 고온에서의 강도에 영향을 미치는 활성화제(산화나트륨 또는 산화칼륨) 및 기타 첨가제도 포함되어 있습니다. 촉매 내 산화바나듐(V)의 함량은 5~7wt%이다. 상대적으로 높은 온도에서 최고의 효율을 달성합니다. 바나듐 촉매의 표면에는 O 2 및 SO 2 분자가 흡착되는 활성 부위가 있습니다. 그곳에서 반응이 일어나고 생성된 생성물이 탈착됩니다. 반응기에 공급되는 기질의 순도가 불충분하면 촉매 중독, 즉 활성 부위가 비활성화될 수 있습니다. 이 경우 독극물에는 염소, 불소 및 비소가 포함됩니다.
암모니아 생산
화학 산업의 또 다른 촉매 공정은 암모니아 합성입니다. 프로세스 자체가 너무 느리기 때문에 적절한 연락처를 사용해야 합니다. 이 경우 가장 유리한 촉매는 소량의 알루미나와 산화칼륨으로 활성화된 철입니다. 이는 산소가 있는 상태에서 철을 연소한 후 생성된 Fe 3 O 4를 Al 2 O 3 및 K 2 O와 함께 녹여 형성됩니다. 과립 형태의 합금(대부분)은 완성된 촉매입니다. 다른 공정과 마찬가지로 암모니아 합성 공정 중에 철 촉매는 활성 부위에서 수소와 질소를 흡수하고 생성된 생성물의 탈착을 유발합니다. 철 접촉의 분해를 담당하는 화합물은 주로 황, 이산화탄소 및 수증기입니다.
