촉매 · CatalystLab

다른 길로 가기

표면 촉매 순환

카메라가 철 표면으로 다가갑니다. NH₃ 분자 하나는 표면에서 이렇게 ‘조립’됩니다.

① 흡착: N₂가 표면의 빈자리에 들어가고, H₂는 내려앉자마자 H 원자 두 개로 나뉩니다. ② 해리: N≡N이 표면에서 끊어져 N 원자 두 개가 됩니다 — 가장 느린 단계(속도 결정 단계)입니다. ③ 수소 첨가: H 원자가 표면을 돌아다니며 N에 하나씩 붙습니다: N → NH → NH₂ → NH₃. ④ 탈착: NH₃가 표면을 떠나고, 빈자리는 다음 분자를 받을 수 있습니다.

‘N₂ 하나 추적’을 눌러 한 바퀴를 따라가 보세요. 그다음 압력을 높이면 표면에 부딪히는 분자가 늘어 빈자리가 다 차고, 속도는 더 이상 압력을 따라 오르지 않습니다.

평형은 움직이지 않는다

온도·압력·원료가 똑같은 반응기 두 개. 오른쪽에만 철 촉매가 깔려 있습니다. 오른쪽 그래프를 보세요. 촉매가 있는 반응기는 금방 평형에 이르고, 없는 쪽은 훨씬 느립니다 — 하지만 두 곡선은 결국 같은 점선에 멈춥니다.

촉매는 정반응과 역반응을 똑같이 빠르게 하므로, 평형에 이르는 시간만 줄이고 평형에서의 NH₃ 함량은 바꾸지 않습니다.

이번엔 온도: 암모니아 합성은 발열 반응이라 온도를 올리면 평형 함량은 줄고 속도는 빨라집니다. 공업에서 400–500 °C를 고르는 것은 속도와 수율 사이의 절충이며, 철 촉매가 가장 잘 작동하는 온도이기도 합니다.

화면에서 촉매 없는 반응기는 열몇 배만 느리게 해서 결국 평형에 이르는 모습을 볼 수 있게 했습니다. 실제로는 10¹²배 이상 느려서 도저히 기다릴 수 없습니다.

선택성

원료를 일산화 탄소(검정·빨강 이원자 분자)와 수소로 바꿉니다.

니켈 표면에서는 CO의 삼중 결합이 끊어지고 C와 O가 따로 수소와 결합합니다. C는 메테인 CH₄, O는 물이 됩니다.

구리–산화 아연으로 바꾸면(표면의 청회색 작은 섬이 산화 아연) CO는 끊어지지 않고, 분자 전체가 H를 하나씩 받아 마지막에 메탄올 CH₃OH가 됩니다.

반응물이 같아도 촉매가 다르면 거치는 길도, 생성물도 다릅니다 — 이것이 촉매의 선택성입니다. 효소의 ‘특이성’은 선택성의 극단적인 예입니다.

촉매 피독

원료 기체에 황화 수소(노란색)가 조금이라도 섞이면, 철 표면에 닿자마자 분해되어 황 원자가 자리를 단단히 차지하고 다시는 떠나지 않습니다.

차지된 자리는 더 이상 N₂를 흡착하지 못해 쓸 수 있는 자리가 점점 줄고, NH₃ 생성 속도는 계속 떨어집니다 — 이것이 촉매 피독입니다. 오른쪽 그래프의 회색 선은 같은 조건의 새 촉매로, 비교용입니다.

나중에 원료 기체를 정제해도 속도는 돌아오지 않습니다. 피독된 촉매는 바꾸거나 재생해야 합니다. 그래서 암모니아 공장은 원료 기체를 반응탑에 넣기 전에 반드시 탈황합니다.

형성 평가