촉매

촉매의 존재는 화학 반응의 속도에 영향을 미칩니다. 촉매는 공정 중에 섭취하지 않고 반응 속도를 높일 수 있는 물질이다. 화학 반응 중 촉매의 역할에 대한 기본적인 이해는 반응 메커니즘 및 에너지 다이어그램의 개념에서 이해할 수 있습니다.

도시된 이미지는 촉매의 부재(적색 곡선) 및 존재(blue 곡선)에서 진행되는 동체 화학 공정에 대한 반응 다이어그램을 나타낸다.

두 곡선 모두 동일한 전체 적인 반응을 나타내며 동일한 에너지로 시작되고 끝납니다. (이 경우, 제품은 반응물질보다 더 많은 에너지를 가지고 있습니다. 따라서 반응은 벤더스(endothermic)입니다. 그러나, 그들의 반응 메커니즘은 다르다. 비촉매 반응은 1단계 메커니즘을 통해 진행됩니다(관찰된 전환 상태가 하나만 있음). 대조적으로, 촉매 반응은 특히 더 적은 활성화 에너지와 2 단계 메커니즘 (두 개의 전이 상태가 관찰되는) 따릅니다. 반응 경로의 이러한 차이는 낮은 활성화 에너지를 가진 대체 반응 메커니즘을 제공하는 촉매의 역할을 보여 주므로 반응을 가속화시합니다.

촉매 반응 메커니즘은 비촉매 메커니즘보다 더 많은 수의 기본 단계를 포함 할 필요가 없습니다. 그러나 속도 결정 단계가 더 빠른 대체 반응 경로를 제공해야 합니다(E_또는 활성화 에너지가 낮을수록).

촉매 반응은 촉매 과정 중에 존재하는 촉매및 반응제가 존재하는 물리적 상태에 기초하여 균질성 또는 이질성으로 분류될 수 있다.

동질성 촉매제

동질성 촉매에서 촉매는 반응체와 동일한 단계에서 존재합니다 – 고체, 액체, 또는 가스. 공정 도중, 촉매는 재반응제와 상호 작용하여 중간 물질을 형성한 다음, 하나 이상의 단계에서 다른 반응제와 분해 또는 반응하여 원래 촉매를 재생하고 최종 생성물을 형성한다.

동질성 촉매의 예는 지구의 상부 대기권에서 발생하는 오존의 분해와 관련된 화학 공정이다. 오존은 비교적 불안정한 분자로 분해되어 원자 산소를 산출합니다. 이러한 분해 반응은 다음 2단계 메커니즘과 일치합니다.

많은 물질이 오존의 분해를 촉매할 수 있습니다. 예를 들어, 오존의 산화질소-촉매 분해는 다음 3단계 메커니즘을 통해 발생하는 것으로 추정된다.

그러나, 전반적인 반응은 2단계 무촉매 메커니즘과 3단계 NO-촉매 메커니즘 모두에 대해 동일합니다.

촉매 반응에서, NO는 마지막 단계에서 메커니즘및 제품의 첫 번째 단계에서 반응제임을 주목한다. 이것은 촉매의 또 다른 특성 특성입니다 : 화학 반응에 참여하지만 반응에 의해 소비되지 않습니다. 또한, 이러한 균질성 촉매에서, 반응제와 촉매모두 기체 상에 존재한다.

이질성 촉매제

이질성 촉매에서, 촉매는 반응제와 는 다른 단계(일반적으로 고체)에 존재한다. 이러한 촉매는 일반적으로 반응이 발생할 수있는 활성 표면을 제공하여 작동합니다. 이기종 촉매에 의해 촉매화된 가스와 액체 상 반응은 가스 또는 액체 상 내가 아니라 촉매 표면에서 발생합니다.

이기종 촉매는 일반적으로 다음과 같은 과정을 포함:

1. 촉매 표면에 반응제의 흡착
2. 흡착 반응제의 활성화(들)
3. 흡착 반응의 반응(들)
4. 촉매 표면으로부터 의 제품 탈착

일러스트 이미지는 고체 니켈 표면에 에테인 및 수소 가스의 이질성 촉매를 포함하는 반응 메커니즘을 나타내며, 에탄 가스(C_{2 H4} + H_2~ H2~ C₂H H H H_{H 6)를}형성합니다.

(a) 니켈 표면의 수소 부조. 이 과정에서 수소 결합이 깨져 니켈-수소 결합을 형성합니다.
(b) 에테인은 또한 탄소 파이 본드를 깨고 니켈 탄소 결합을 형성함으로써 니켈 표면에 아드소브한다.
(c) 수소 원자가 표면을 가로질러 확산되고 에탄(C₂H_6)을형성하기 위해 충돌할 때 새로운 탄소 수소 결합을 형성한다.
(d) 에탄 분자는 니켈 표면에서 탈제한다.

이질성 촉매는 암모니아, 질산, 황산 및 메탄올과 같은 화학 제품을 산업적으로 제조하는 데 사용됩니다. 이기종 촉매는 또한 대부분의 가솔린 구동 자동차에서 발견 되는 촉매 변환기에서 사용 됩니다.

이 텍스트는 Openstax, 화학 2e, 섹션 12.7: 촉매에서 적용됩니다.