Ⅴ-2. 반응 속도

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Ⅴ-2. 반응 속도에 대한 보고서 자료입니다.

목차

Ⅴ-2. 반응 속도
(1) 반응 속도의 표현
1) 반응 속도
가. 반응 속도의 정의
나. 화학 반응의 경로와 에너지

(2) 반응 속도에 영향을 미치는 요인
1) 반응 물질의 구조와 성질
2) 농도의 영향
3) 온도의 영향
4) 촉매의 영향

※ 촉매(catalyst)란
※ 전형적인 화학 반응을 통한 촉매 작용의 이해
※ 촉매의 분류
※ 생명체 내에서 효소(enzyme: 생체촉매 또는 유기촉매)의 작용
※ 표면 촉매작용에 대하여...
※ TWC(three-way catalyst)
※ 역사적 사건과 촉매

본문내용

면을 문질러서 낡은 느낌을 들게 하고 옷감을 부드럽게 만들었으나 셀룰라아제라는 효소가 알려지면서 이를 청바지를 부드럽게 하는데 이용한다.
면 섬유의 주성분인 셀룰로오스를 분해하는 셀룰라아제를 이용하면 면이 주성분인 청바지의 원단을 일부 분해하여 부드럽게 할 수 있다. 자갈로 청바지를 부드럽게 하는 데는 2시간 정도 걸리지만, 셀룰라아제로 처리하면 30분으로 시간이 단축된다.
☞단백질 분해효소 예
카르복시펩티다아제 A(carboxypeptidase A)라는 효소는 소화 효소이다.
우리는 필요한 단백질을 음식물을 통해서 섭취한다. 카르복시펩티다아제 A는 폴리펩티드(polypeptide) 사슬의 한쪽 끝에서부터 아미노산을 하나씩 풀어냄으로써 단백질을 잘라내는 단백질분해효소(protease) 중의 하나이다.
[그림 : 카르복시펩티다아제 A의 화학]
위 반응은 화살표로 표시한 C-N 결합에 물이 더해지기만 하면 되는 단순한 반응이다. 그럼에도 불구하고 왜 효소가 필요한가?
이는 몸에 효소가 존재하지 않으면 A + H2O ⇔ B + C의 단순한 반응이 충분히 빠르게 일어나지 않기 때문이다.
화학자들의 계산에 의하면, 효소의 도움이 없다면 C-N 결합의 절반을 잘라내는 데 7년의 세월이 걸리는 경우도 있을 수 있다 한다. 한 번 먹은 음식물이 소화되는 데 7년의 세월은 너무나 오랜 세월이다. 이처럼 효소는 생체 내에서 아주 중요한 역할을 담당하는 물질이다.
한편, 효소는 단백질로 이루어져 있으며 단백질의 입체구조 때문에 무기 촉매와는 달리 다음과 같은 성질이 있다.
① 기질 특이성(선택성)이 있다.
② 온도에 따라 활성이 변한다.
③ pH에 따라 활성이 변한다.
④ 중금속이온이 저 농도로 존재하여도 비활성화된다.
⑤ 물이 있는 환경에서만 작용한다.
※ 표면 촉매작용에 대하여...
1) 균일촉매작용(homogeneous catalysis) : 기체 상의 촉매가 기체 상 반응에서 그 속도를 증가시키거나 용액에서 녹은 촉매는 용액 내에서 일어나는 반응을 촉진시키는 것처럼, 촉매가 반응물과 같은 상에 있을 경우.
2) 불균일촉매작용(heterogeneous catalysis) : 기체나 액체 상에서 반응에서 고체 표면의 촉매 작용처럼 촉매가 다른 상으로 존재하는 경우.
3) 표면 촉매 작용(surface catalysis) : 불균일촉매작용에서 고체 상의 촉매는 반응이 일어날 수 있는 표면을 제공해 주어 활성화에너지를 낮추어준다. 한 분자 혹은 그 이상의 분자들이 특별한 방향으로 촉매 표면에 우선적으로 흡착되어 촉매가 없을 때보다 반응물 사이에 효과적 충돌을 일으키게 한다. 대부분 촉매들은 큰 표면적을 가지고 있는 미세한 가루 형태일 때 더욱 효과적이다.
4) 표면촉매 작용의 실 예 - 촉매 변환기(Catalytic Converter)
자동차의 머플러(muffler) 앞부분 배기 가스통에는 촉매 변환기가 들어 있어서 배출되는 오염 물질을 줄이는 역할을 한다. 자동차의 연료인 휘발유는 불완전 연소되면서 탄화수소(CxHy), 일산화탄소(CO), 산화질소(NO, NO2) 등의 유독 기체가 나온다. 이러한 물질들이 공기 중에 방출되면 광화학적 스모그(photochemical smog)를 만들고 악취, 호흡기 장애 등을 일으킨다. 이러한 물질들이 대기 중에 방출되는 것을 막기 위해 촉매 변환기를 장착하는 것이 법으로 규정되어 있다.
촉매변환기에서의 화학적 변화는 TWC 라고 부르는 촉매에 의한 것이다.
TWC(three-way catalyst)는 탄화수소, 일산화탄소, 질소 산화물의 세 가지 공해 물질을 한꺼번에 처리한다는 의미이다.
촉매 변환기의 내부에는 세라믹으로 만든 벌집 모양의 통로 벽은 구멍이 많은 알루미나(Al2O3)로 씌워져있다. 알루미나의 표면에 여러 가지 산화물이 붙어있는데 그 중에 1～2%가 백금(Pt), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd) 등의 희귀 금속(촉매)이 얇게 피복 되어 있으며 이들이 배기 가스에 포함된 유해 가스를 이산화탄소, 질소, 산소 등의 인체에 무독성 기체로 변환시킨다. 이들 중 로듐이 가장 효과적인 것으로 보고되고 있다. 한편, 촉매로 사용되는 백금, 로듐 등은 비싸기 때문에 폐차 할 때 따로 떼어내어 다시 사용한다.
※ TWC(three-way catalyst)
① 일산화탄소를 이산화탄소로 산화시킨다 2CO + O2 → 2CO2
② 질소 산화물을 질소와 산소로 분해한다 2NO → N2 + O2
③ 탄화수소를 완전 연소시킨다 2C8H18 + 25O2 → 16CO2 + 18H2O
※ 역사적 사건과 촉매
독일의 위대한 화학자 프리츠 하버(Fritz Haber)는 1913년 수소와 질소를 반응시켜 암모니아를 합성하였다. 이 과정에서 하버는 약 2500여종의 촉매를 가지고 6500여 회의 실험을 통해 철 계통의 촉매가 암모니아의 합성에 매우 유용하다는 것을 알아냈다.
이렇게 합성된 암모니아는 질소 비료의 원료가 되어 식량 생산을 획기적 증가시키게 기여하였다(하버는 질소비료를 만들어 식량증산에 기여한 공로로 ‘공기로부터 빵을 만든 사람’이라는 칭호를 들으며 1918년 노벨상을 수상하였다). 또한 암모니아는 화약(TNT)의 원료로도 사용될 수 있었다. 즉, 전쟁의 주요 요소인 식량과 무기를 갖추게 되는 데 촉매가 핵심적인 역할을 했다고 말할 수 있다. 한편, 암모니아의 원료인 질소와 수소는 공기나 물에서 무한정 얻을 수 있었기 때문에 그 당시 독일의 황제 빌헬름 2세는 세계 제 1차 대전을 일으키게 되었다.
또한 하버는 전쟁의 막바지에 독가스(염소 기체)를 만들어 세계 최초의 화학전에 참여하기도 하였으며, 전쟁이 끝난 후 패전국 독일의 배상금을 물어내기 위해 바닷물에서 금을 채취하는 방법을 연구하기도 하였다.
불의에 동참하는 하버의 행동에 그의 아내는 자살로 항거하기도 하였으나 하버를 막을 수는 없었다. 그러나 하버는 유태인이라는 이유만으로 히틀러에 의해 독일에서 추방당해 스위스의 요양소에서 심장발작으로 생을 마감하였다.
하버의 일생을 통해 우리는 과학자로서의 과학적 재능이나 노력 못지 않게 과학자로서의 소양이 얼마나 중요한 것인가를 깨달아야 할 것이다.

키워드

반응속도,   촉매,   정촉매,   열화학,   생성물과 반응물,   생성물,   반응물