활성화 에너지(Activation energy)와 촉매(Catalyst)

활성화 에너지 (Activation Energy)

활성화 에너지(Activation Energy)란 화학반응이 진행되기 위해 필요한 최소한의 에너지를 말한다. 반응물질들이 모두 존재한다고 해서 화학반응이 진행되는 것은 아니다. 화학반응이 진행되려면 입자간의 유효충돌이 많아야 하고 이를 위해 입자가 일정한 양 이상의 에너지를 가지고 있어야 하는데, 이 일정한 에너지가 바로 활성화 에너지이다.

쉽게말해 활성화 에너지란 한 에너지 상태에서 다른 에너지 상태로 넘어가기위한 언덕이라고 생각하면 된다. 

공급된 에너지가 화학 반응을 유도하기 위해서는 반응물이 가지고 있는 화학결합을 끊어야 한다. 반응물은 종류에 따라 다양한 화학 결합을 가지고 있고 그 화학 결합의 종류에 따라 다른 결합 에너지를 가지고 있다. 만약 공급된 에너지가 어느 특정 화학 결합에 대한 결합 에너지를 극복하고 결합이 끊어질 만큼 충분하면, 그 결합이 끊어지고, 반응계는 새로운 화학 결합을 생성하는 방식으로 화학 반응을 일으킨다.

활성화 에너지가 작을수록 반응 속도가 빠르고, 활성화 에너지가 클수록 반응 속도가 느리다.

활성화 상태(Activation state)란 반응물이 충분한 에너지를 받아 불안정한 화합물로 존재하는 상태를 의미한다. 즉 조건에 따라 다시 반응물로 돌아갈 수도 있고, 생성물로 반응을 일으킬 수 있는 에너지가 높은 상태이다.

촉매(Catalyst)

촉매(Catalyst)는 화학반응에서 소모되지 않으면서 반응속도를 조절해 주는 물질이다. 이때 반응속도를 빠르게 해 주는 촉매를 정촉매라 하며, 반응속도를 느리게 해 주는 촉매를 부촉매라고 한다. 촉매의 일종으로 빛을 받으면 촉매 역할을 하는 광촉매(photocatalysis)가 있으며, 생체 촉매의 일종인 효소(enzyme)가 있다.

또한 반응 물질과 같은 상인 촉매를 균일촉매(Homogeneous catalyst)라고 하며, 반응 물질과 상이 다른 촉매를 불균일 촉매(Heterogeneous catalyst)라고 한다.오존층의 파괴에 영향을 미치는 염소원자는 균일 촉매이고, 에틸렌과 수소의 반응에 사용되는 금속은 불균일 촉매이다.

촉매가 반응속도에 영향을 주는 이유는 활성화에너지로 설명된다. 정촉매는 활성화에너지를 낮추는 또 다른 경로의 정반응 통해 반응속도를 빠르게 하고, 부촉매는 반응의 속도를 느리게 하는 것이다. 이때 반응열은 달라지지 않는다.

촉매는 반응과정에서 소모되지는 않지만, 촉매에도 수명이 존재한다. 시간이 지남에 따라 촉매의 활성이 떨어져 처음 촉매를 넣었을때 보다 속도가 느려지게 된다. 

촉매 비활성화의 원인으로는 표면적 감소, 코크스화(촉매 표면에 코크 침적이 발생해 활성점이 감소) 및 촉매독에 의한 비가역적 화학흡착, 열 및 물리화학적인 특성 변화로 인한 활성점에 영향 등이 있다. 

이를 억제하기 위해 촉매에 공촉매 (조촉매, cocatalyst)를 첨가 하기도 하며, 촉매 재생공정을 통해 촉매 재생을 하여 재사용하는 방법 등을 사용하기도 한다.