0. 들어가기
3월 모의고사에 이어 두 번째, 비문학 지문으로 이번에는 활성화 에너지가 나왔다. 사실, 활성화 에너지라기보다 고체 촉매에 관한 내용이 주를 이루었으며, 고체 촉매를 구성하는 활성 성분, 지지체, 증진제에 대한 설명들이었다. 순수 화학이라기보다 화학 공학, 재료 공학에 가까운 내용인 것 같았다.
그래도 친숙한 용어가 드문드문 있어 전반적으로 재미있게 읽을 수 있었는데, 지문 중간 부분에서는 학생들에게 보여줬던 암모니아 합성 메커니즘 이미지(그림 1)가 떠오르기도 했다.
이번에도 지난 3월 학력평가 비문학 지문(294)처럼 출제된 지문의 전체적인 흐름이나 구조는 해치지 않는 범위 내에서 조금씩 보충하고, 끊어서 내용을 알아보고자 한다.
* 용해도와 결정화 공정(294) https://stachemi.tistory.com/294
* 이하 내용은 2024학년도 한국교육과정평가원의 6월 모의평가(2023.6.1.) 국어 영역에서 출제된 지문을 바탕으로 작성되었습니다. 지문을 재작성하는 과정에서 이해를 돕고자 원지문의 뜻이나 용어, 의도가 다소 달리 표현되었을 수 있습니다. 양해 바랍니다.
1. 반응의 빠르기와 촉매
분자들이 만나 화학반응을 진행하는 데 필요한 최소한의 운동 에너지를 활성화 에너지(Activateion Energy)라 한다. 활성화 에너지는 일종의 반응을 위해 넘어야 하는 언덕과도 같은데, 활성화 에너지가 작은 반응(언덕이 낮은 반응)은, 상대적으로 활성화 에너지보다 더 큰 운동 에너지를 갖는 분자(언덕을 뛰어넘을 수 있는 반응물 분자들) 비율이 많아지기 때문에 빠르게 진행될 수 있다.
활성화 에너지를 조절해서 반응 속도를 변화시키는 물질을 '촉매(catalyst)'라 한다. 그리고, 이러한 촉매가 반응 속도를 빠르게 하는 능력을 '촉매 활성(catalytic activity)'이라 한다.
촉매는 촉매가 없을 때와는 다른 활성화 에너지를 갖게 하는데, 이는 어떤 반응에 새로운 반응 경로를 제공하는 것과 같다. (그림 2)
* 촉매 활성 : 촉매가 반응 경로를 바꾸어 에너지 장벽을 낮추고, 반응을 빠르게 만드는 능력
2. 고체 촉매
화학 산업에서는 주로 '고체 상태의 촉매'가 활용되는데, 주된 이유는 액체나 기체 상태로 만들어진 최종 생성물을 촉매로부터 떼어내기 위한(분리하기 위한) 별도의 과정이 필요 없기 때문이다.
대부분의 고체 촉매들은 활성 성분, 지지체, 증진제로 구성된다.
* 고체 촉매 = 활성 성분 + 지지체 + 증진제
가. 활성 성분
활성 성분은 고체 촉매 표면에 반응물을 흡착시켜 (직접적으로) 촉매 활성을 제공하는 물질이다. 고체 상태의 촉매가 촉매 작용을 하는 과정을 살펴보면,
먼저, 반응물이 촉매의 활성 성분 표면에 화학적으로 흡착되고,
흡착된 반응물이 표면에서 반응하여 새로운 물질(생성물)로 변하고,
최종적으로 생성물이 표면에서 탈착 되면서 반응이 완결된다.
금속은 다양한 물질들이 표면에 흡착될 수 있기 때문에, 다양한 반응에서 (고체 촉매의) 활성 성분으로 사용된다. 예를 들면, 암모니아(NH3)를 합성할 때, 금속 철(Fe)을 고체 촉매의 활성 성분으로 사용하는데, 반응물인 수소 기체(H2)와 질소 기체(N2)가 철의 표면에 흡착되어 각각의 원자 상태 질소 원자(N)와 수소 원자(H)로 분리된다. (그림 1의 과정 1 ~ 6)
흡착된 반응물들(N2, H2 등)은 (원자 상태로 분리되었음에도) 전자를 표면의 금속 원자와 공유하여 안정화될 수 있고, 떨어지지 않게 된다. 반응물이 금속에 흡착되어 있는 흡착 세기는 금속의 종류에 따라 달라진다.
반응물이 흡착되어 있는 정도가 적절해야 하는데, 흡착이 약하면 흡착량이 적기 때문에 촉매에 의한 효과(촉매 활성)가 잘 나타나지 않으며, 너무 흡착이 강하면, 흡착된 반응물이 지나치게 안정화되어 표면에서 이후 반응이 진행되지 않으므로 촉매 활성이 낮다.
일반적으로 고체 촉매의 경우, 반응에 직접적으로 관여(접촉)하는 표면의 활성 성분 원자 수가 많을수록 흡착이 많이 일어날 수 있어 촉매 활성이 높아진다.
나. 지지체
금속은 보통 열에 의한 안정성이 낮다. 따라서 화학반응이 진행되는 '고온'에서 금속 원자들로 이루어진 작은 덩어리들(분말)이 엉겨 붙어 큰 덩어리를 이루게 되는데, 이를 소결(sintering)이라 한다. 소결이 일어나면, 금속 활성 성분의 전체 표면적은 줄어든다.
* 서로 엉겨붙지 않는다면 표면에서 직접 반응물과 접촉하여 촉매 활성을 일으킬 수 있는 금속 원자들이
뭉침에 따라 표면에 드러나지 않고, 내부로 가려질 수 있기 때문에 접촉면이 감소하는 효과를 갖는다.
이러한 문제를 해결하는 것이 고체 촉매의 '지지체'이다. 작은 금속 입자들을 표면적이 넓고, 열에도 안정한 지지체 표면에 넓게 분산하면(펴 바르면) 소결에 의한 촉매 활성 저하를 막을 수 있다. 따라서 적은 양의 금속만으로도 고체 촉매의 촉매 활성을 높일 수 있다.
다. 증진제
'증진제'는 촉매에 소량 포함되어 활성을 조절하는 역할을 한다. 활성 성분의 표면 구조를 변화시켜 소결을 막기도 하고, 활성 성분의 전자 밀도를 변화시켜 흡착되는 정도를 조절하기도 한다.
고체 촉매의 경우 반응 속도 조절을 위해 활성 성분은 반드시 있어야 하지만, 경우에 따라서는 증진제나 지지체를 포함하지 않는 경우도 있다.
- 끝 -
* 출처는 2024학년도 대학수학능력시험 6월 모의평가 국어 영역 8~11번 문항에 해당하며, 원문은 한국교육과정평가원과 EBSi 사이트에서 확인할 수 있습니다.
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