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소화효소는 음식물이 몸 안에서 잘 소화되도록 도와주는 역할을 수행한다.이처럼 다른 물질들끼리 반응하도록 도와주는 물질을 촉매라고 한다.인간의 삶에서도 칭찬을 통해 사기를 복돋아 주는 것처럼 비슷한 행위가 많다.

“갑돌이와 갑순이는 사랑을 했더래요 …”라는 노래가 있다. 그런데 노래 속의 갑돌이와 갑순이는 결혼을 하지 못했다. 왜 그랬을까. 그들의 사랑이 마음에만 머물고, 겉으로는 전혀 그렇지 않은 척해서 결혼이라는 높은 산을 넘기 어려웠기 때문이다. 만일 어떤 이가 둘의 사랑을 눈치채고, 두 집안을 오가며 적당히 분위기를 띄우고, 바람을 잡았다면 결혼해서 행복하게 살았을 것이다. 달보고 우는 일도 없고, ‘고까짓 것’하면서 후회하는 일도 없이 아들, 딸 잘 낳고 지냈으리라.

‘촉매’가 하는 역할은 바로 중매쟁이와 같은 것이다. 밀폐된 공간에 두가지의 물질을 넣고, 열을 가하고 압력을 높여도 두 물질이 서로 전혀 모르는 척하며 반응하지 않을 때, 아주 적은 양의 촉매를 넣으면 반응이 일어나고 새로운 물질이 탄생하게 된다.
사람이 넓은 지역에 흩어져 살다보면, 여럿이 모여 일을 하거나 다양한 소식을 나누기가 쉽지 않다. 그래서 사람들 간의 의사소통이 이뤄지고, 정보가 공유되며, 거래가 활발하게 이뤄지는 장터같은 곳이 필요해진다.

물질세계에서도 이런 특성은 그대로 적용된다. 즉 넓은 공간에 존재하는 물질들이 반응하고, 새로운 생성물을 만들기 위해서는 사람이 장터에 모이듯, 물질이 모여 부딪히고, 생성물을 만들 수 있게 해주는 담당자가 필요해진다. 촉매가 바로 이런 역할을 수행한다.

꾸불꾸불한 산 길에 터널 뚫는 효과

서울에서 동해안으로 가려면 태백산맥을 넘어야 한다. 8백32m에 달하는 대관령, 1천4m의 한계령 같이 산이나 다름없는 높은 고개길을, 더구나 꾸불꾸불한 산길을 따라서 넘어야 한다. 그러다보니 이동거리가 길어지고 시간도 많이 소요된다. 차량이 많아지는 여름휴가철에는 항상 막히는 구간이 될 수밖에 없다. 그러나 태백산맥을 관통하는 터널이 있다면, 산을 바로 통과해 훨씬 빨리 목적지에 도달할 수 있다.

일반적인 방법으로는 일으키기 어려운 화학반응에 촉매가 있으면, 쉽게 반응을 진행시킬 수 있다. 이처럼 촉매는 힘들게 넘어야 할 산이나 언덕을 넘지 않고, 쉽게 갈 수 있는 터널과 같은 길을 제공해준다. 화학반응에서 반응물이 새로운 생성물로 변하기 위해 넘어야 할 산을 활성화에너지라 부르는데, 촉매는 화학반응의 활성화에너지를 낮춰, 목적한 화학반응이 주어진 조건에서 쉽게 일어나게 하는 주인공이다.

화학물질들은 모두 내부적으로 단단한 여러 화학결합으로 이뤄진 상태다. 이런 물질이 모여 새로운 생성물을 만들기 위해서는 반응하는 물질의 결합 상태가 느슨해지거나, 먼저 끊어져 다른 물질과 결합할 수 있는 구조를 갖춰야 한다. 그런데 화학물질의 결합은 매우 견고해서 결합을 끊기 위해서는 많은 에너지가 필요하다. 또한 반응하는 물질들이 최종생성물로 변하는 단계에서, 최종생성물로 쉽게 변할 수 있는 활성화된 중간생성물이 만들어지는데, 이때에도 많은 에너지를 필요로 한다. 따라서 중간복합체가 만들어지기 위해서는 반응에 필요한 높은 에너지, 즉 활성화에너지가 필요해지는 것이다.

그런데 촉매는 반응물질의 화학결합을 쉽게 끊어주기도 하고, 또 반응물의 활성도를 높여서 반응물 간의 화학반응을 낮은 활성화에너지에서도 쉽게 일어날 수 있게 한다. 또한 촉매가 결합된 중간생성물은 적은 에너지로도 만들 수 있어, 반응에 필요한 활성화에너지가 낮아진다. 촉매가 결합된 중간생성물에서 촉매에 달라붙은 반응물을 이루는 분자의 화학구조 중 특정한 화학결합의 세기를 선택적으로 조절해 이들 반응분자 자체의 결합을 끊어주거나, 이들의 상호작용을 통해 새로운 생성물로 되기 쉬운 화학구조로 바꿔주는 역할을 한다.

하지만 아직도 다양한 화학반응에 참여하는 촉매들이 어떻게, 어떤 방식으로 작용하는지 정확한 메커니즘은 밝혀지지 않은 경우가 대부분이다. 촉매 반응은 분자와 원자 수준에서 촉매 표면에 존재하는 활성점과 반응물 간의 상호작용에 의해 이뤄진다. 촉매반응의 메커니즘을 규명하기 위해서는 촉매 표면의 활성점의 구조, 반응물과의 결합상태 등을 이해하는 것이 필요하다. 하지만 화학반응은 우리의 눈으로 직접 관찰할 수 없는 미세한 세계일 뿐더러, 워낙 복잡한 과정을 거치므로 실험과 결과에 따라 어떤 반응에 어떤 촉매가 유용하다는 정도의 경험적 방식으로 연구돼 왔다. 최근 분광학적 기기들을 이용한 표면분석기술이 도입돼 간접적으로 관찰하는 다양한 시도가 이뤄지고 있지만, 현재로서는 분석기기의 기술적인 한계에 의해 촉매반응을 원자수준에서 완벽하게 이해하는데 어려움을 겪고 있다.

종류에 따라 생성물질 달라져

이 외에도 촉매는 같은 조건에서 몇 가지 다른 반응이 일어날 가능성이 있을 때, 그 중 필요로 하는 한가지 반응만을 우선적으로 일으키는 기능도 갖고 있다. 화학반응의 선택성을 높이는 이 기능은 연구자들이 높은 관심을 보이는 부문이다.

일산화탄소(CO)는 석유, 석탄, 도시가스 등이 연소할 때 산소(O₂)가 부족해 연소가 제대로 이뤄지지 않으면서 발생되는 유독가스다. 연탄을 많이 사용하던 시절에는 연탄에서 발생하는 일산화탄소로 많은 사람이 죽는 중독사고가 발생했다. 이렇게 위험한 일산화탄소도 수소가스(H₂)와 반응하면 여러 유익한 화학물질을 만들기도 한다. 이때 중요한 것은 일산화탄소와 수소를 어떤 촉매로 반응시키느냐이다. 촉매에 따라서 생성되는 화합물이 달라지기 때문이다.

크롬(Cr)과 아연(Zn) 화합물로 된 촉매를 사용하면 강한 결합상태를 유지하고 있는 일산화탄소의 탄소원자(C)와 산소원자(O)사이의 이중결합이 끊어져 단일결합이 형성되고, 여기에 수소 두분자가 첨가돼 유기용제, 포름알데히드의 원료, 자동차 연료의 냉각방지제 등으로 사용되는 메탄올(CH₃OH)이 생성된다. 니켈(Ni) 촉매는 일산화탄소내의 탄소와 산소원자의 이중결합을 완전히 끊어내고, 수소와 산소가 결합해 물분자를, 수소와 탄소가 결합해 주로 가정용 난방 연료로 사용되는 메탄(CH₄)을 얻을 수 있다. 코발트산화물(Co₃O₄)을 촉매로 하면 앞선 촉매들과는 다르게 일산화탄소의 탄소와 수소가 계속적으로 반응해 여러가지 탄소화합물, 즉 벤젠(${C}_{6}$${H}_{6}$), 톨루엔(${C}_{6}$${H}_{5}$CH₃), 헥산(${C}_{6}$${H}_{14}$), 헵탄(${C}_{7}$${H}_{16}$), ${C}_{9}$-방향족 화합물(탄소가 9개인 고리형 화합물) 등이 혼합돼 있는 가솔린이 생성된다. 이와 같이 각 촉매가 지니고 있는 선택성을 잘만 활용하면 촉매를 바꾸는 것만으로 일산화탄소를 유용한 여러 유기화합물로 바꿀 수 있다.

인류의 식량문제 해결

역사적으로 촉매 개발의 효시가 된 것은 암모니아 합성법이다. 19세기 유럽은 산업혁명에 따라 인구가 폭발적으로 증가해, 식량이 더 많이 필요해졌다. 하지만 땅은 한정돼 있다보니, 부족한 식량을 보충하기 위해서는 결국 생산량 증가가 불가피해졌다. 이때 생산량을 늘리기 위한 핵심은 질소비료였다.

당시의 자연 농법으로는 도저히 많은 수의 사람들에게 식량을 공급할 수 없었다. 곡식의 생산량을 늘리기 위해 황산암모늄((NH₄)₂SO₄, 황산비료)를 이용했지만 이 또한 양이 턱없이 부족했다. 기댈 곳은 질산나트륨(NaNO₃)이 함유된 남미 칠레에서 수입되는 칠레 초석뿐이었으나, 이것도 고대 바다새의 똥이 퇴적돼 생긴 것이어서 그 양이 많지 않았다.

이러한 사정 때문에 당시 유럽에서는 공기에서 78%나 차지하는 질소(N₂)를 어떻게 하면 비료로 이용할 수 있을까 하는 관심이 활발해져, 최우선 연구 과제로 떠올랐다. 지속되는 연구 속에서 1910년경 독일의 화학자인 하버와 보쉬는 공기 질소를 이용해 암모니아(NH₃)를 대량으로 생산하는 방법을 개발하기에 이른다. 이 방법이 21세기인 현재도 유용하게 사용되고 있는 하버보쉬법이다. 철(Fe)·산화알루미늄(Al₂O₃)·산화칼륨(K₂O)으로 구성된 촉매를 이용해 질소와 수소로부터 암모니아를 대량으로 생산한다.

암모니아를 합성할 때 원료인 수소기체와 질소기체를 반응 용기에 넣고, 반응률을 높이기 위해 5백℃의 고온과 2백기압의 고압으로 조건을 맞춰도 암모니아는 거의 생기지 않는다. 그러나 이 용기에 촉매를 넣고 고온과 고압을 가하면 수소와 질소가 빠르게 반응해 암모니아가 생성된다. 즉 촉매에 의해서 암모니아의 합성 반응속도가 굉장히 빨라진다.

원유 2백L는 와이셔츠 40벌

오늘날 약 2억t에 달하는 전세계 화학 제품의 약 60%가 촉매공정에 의해 생산되고 있다. 이 중에서 촉매가 가장 많이 사용되고 있는 분야는 석유정제, 석유화학제품, 고분자중합, 가스제조, 유지가공, 의약품과 식품제조 등이다.

우리 주변에는 옷과 볼펜 같이 다양한 합성섬유나 플라스틱을 이용한 제품이 공급돼 삶을 편안하고 풍요롭게 해주고 있다. 그런데 대부분의 합성섬유나 플라스틱은 원유를 주원료로 해 바닷물, 공기 등으로부터 얻은 원료와 함께 합성된 화학물질이다.

휘발유나 경유를 만드는 원유 1백L를 원료로 사용해, 얼마나 다양한 일상생활 제품을 만들 수 있을까. 와이셔츠 20벌 또는 10평 규모의 비닐하우스 7동을 만들 수 있는 필름이 나온다. 또 캐시미어 모포 5장이나 스웨터 21벌도 만들 수 있다. 여기에다 타이어 1개, 팬티 스타킹 1천4백40켤레가 나온다. 이 외에도 페인트 4kg과 요소비료 50kg을 만들 수 있다. 이렇게 석유로부터 여러 단계의 화학반응을 반복해, 점차로 복잡한 분자 구조를 갖는 최종 제품이 만들어지는데, 그때 각 단계마다 균일계 또는 불균일계의 촉매가 수없이 이용되고 있다. 이처럼 원유로 다양한 제품을 만드는 과정의 핵심은 촉매다.

주머니 난로가 따뜻해지는 이유

최근에 등장한 주머니난로는 그냥 두면 비닐 속에 든 찰흙처럼 보이는데, 손으로 만져주기 시작하면 따뜻해져 추운 겨울을 따뜻하게 해준다. 열을 가해서 따뜻하게 만들거나 전기같이 특별한 에너지를 주지도 않았는데, 단지 손으로 만져주는 정도로 어떻게 차가웠던 주머니 난로가 따뜻해졌을까. 바로 주머니난로 속에 든 촉매가 손의 움직임으로 주머니 안의 물질이 반응을 일으키도록 도와줬기 때문이다.

벤젠(${C}_{6}$${H}_{6}$)이 스민 천을 밀폐용기에 넣고, 입구를 백금(Pt)이 들어있는 석면으로 막는다. 벤젠의 증기가 석면에 닿으면 백금표면에 벤젠이 달라붙고 공기 중의 산소와 결합해 활성화 된다. 벤젠 내의 탄소-수소사이의 결합이 끊어지면서 탄소는 산소와 결합해 이산화탄소로, 수소는 물로 전환되면서 벤젠이 가진 화학에너지가 열로 방출되게 된다. 백금이 촉매가 돼 벤젠이 공기에서 산화되면서 열을 발생하게 되는 것이다.

${C}_{6}$${H}_{6}$(g)+$\frac{15}{2}$O₂(g)→6CO₂(g)+3H₂O(g)+757.52kcal/mol

벤젠의 산화반응은 실온에서는 일어나지 않기 때문에 처음에 외부에서 약간의 열을 가해줘야 한다. 일단 산화반응이 시작되면 촉매의 작용에 의해 반응이 계속되고, 자연스럽게 발열이 지속된다. 용기 내에서 벤젠의 증발이 계속되는 한, 벤젠의 산화도 천천히 일어나 오랜 시간 동안 따뜻해진다.

예전에는 밀폐된 방안에서 석유스토브를 사용하면 독특한 등유냄새가 났다. 하지만 최근에 판매되는 석유스토브에서는 거의 냄새가 나지 않는다. 이것은 스토브의 연소 꼭지쇠 부분에 불꽃의 위를 덮는 형태로 금속성 망이나 코일이 부착돼 있기 때문이다. 이 철망 또는 금속선 코일은 특수합금으로 돼 있어, 이것이 촉매 역할을 하고 있다.

석유스토브에서 나는 냄새의 근원은 등유가 완전히 분해되지 못하고 여러가지 탄화수소화합물이 공기 중으로 그대로 나오기 때문이다. 촉매코일을 사용하면 탄화수소화합물이 코일에 흡착되면서 벤젠이 분해되는 경우처럼 탄소원자와 수소원자가 각각 산소와 결합해 완전히 연소돼 냄새가 나지 않는 물과 이산화탄소로 전환되는 것이다.

겨울철 난방용구인 팬히터에도 역시 촉매를 장착한다. 불을 켤 때와 끌 때 석유의 불완전연소로 발생하는 유해가스와 냄새를, 촉매를 이용해 완전연소를 유도해 인체에 무해한 이산화탄소와 물로 정화시켜 준다.

가스센서로도 사용돼

담배냄새를 제거하는 촉매도 있는데 담배 냄새 성분인 이소프렌(CH₂=CHC(CH₃)=CH₂), 아세트알데히드(CH₃CHO), 이소펜탄(C₂${H}_{5}$CH(CH₃)₂) 등의 유기물질이 활성탄에 흡착돼 촉매반응에 의해 이산화탄소와 물로 분해된다. 이러한 촉매를 에어컨이나 공기청정기의 필터 등에 설치해 담배냄새를 제거하기도 한다. 가스레인지를 사용해 음식을 조리할 때 많은 일산화탄소와 탄화수소 등 유해가스가 발생된다. 가스레인지에도 안락한 주방환경을 위해 유해가스를 정화해주는 촉매가 장착돼 있다.

최근에 지어진 주택의 주방에는 가스의 누출을 감지하기 위한 가스경보기가 설치돼 있다. 금속 또는 금속 산화물로 이루어진 센서 표면이 가스와 접촉해 촉매반응이 일어날 때 전기전도도나 온도가 변화하는 성질을 이용한 것이다. 산화철(Fe₂O₃)이나 티타니아(TiO₂) 등의 금속산화물 위에 가연성가스나 독성가스가 접촉하면 촉매반응이 일어나고, 이때 전기전도도가 달라지게 된다. 이 전기전도도의 변화를 전기신호로 바꿔주면 가스센서의 기능을 하게 된다.

가스센서는 가스 경보기, 향 측정기 등으로 사용되며, 또한 환경오염을 해결하는 데에도 한 몫을 담당하고 있다. 소형이면서 간편한 가스센서가 개발됨에 따라 곳곳의 환경오염도를 측정해, 여러가지 환경 계획이 가능해졌으며, 동시에 오염원에서 오염가스의 배출을 조절할 수 있기 때문이다.

빛 에너지 활용하는 광촉매

최근에 대기 정화, 항균과 탈취 등의 다양한 기능을 가진 광촉매가 생활환경을 쾌적하게 하는데 이용되고 있다. 광촉매는 화학반응에서 빛 에너지가 중요한 요인으로 작용해서 일어나는 촉매반응을 통틀어 말한다.

화학반응이 일어나기 위해서는 에너지가 필요한데 일반적인 촉매화학반응에서는 열을 에너지로 사용한다. 광(光)을 에너지로 이용해 낮은 온도에서도 반응을 촉진시킬 수 있는 것을 바로 광촉매 반응이라 한다.

이산화티탄(TiO₂)이 주성분인 광촉매는 대기오염의 원인물질을 제거할 수 있는 특성이 있다. 이산화티탄이 함유된 촉매를 건물 외벽, 고속도로의 방음벽, 터널 벽, 지하주차장 환기탑 등 대기오염이 많이 발생하는 곳에 설치하면 다양한 유해물질을 제거할 수 있다.

광촉매는 광을 흡수하면 주위의 다른 반응물과 여러 단계의 반응을 거쳐 최종적으로 유해가스를 물과 이산화탄소로 전환시켜 완전 분해한다. 실제 일본 오사카에 있는 도로의 중앙 분리대와 터널에 티타니아 촉매를 입혀 자동차로부터 배출되는 배기가스를 제거하고 있다.

또한 타일의 표면에 촉매성분을 입혀 건물 내부의 바닥과 벽에 설치하면 실내 공기 중의 세균수를 감소시켜 항균작용을 할 수 있다. 예를 들어 욕실에 항균타일을 설치하면 세균의 번식을 막을 수 있어서 악취를 제거함과 동시에 바닥이 미끄러워지는 것도 방지할 수 있다. 또한 병원 수술실을 항균타일로 시공하면 소독하지 않아도 각종 병원균의 수를 감소시킬 수 있다.

유리에 김서림 현상 방지

광촉매를 코팅한 유리표면에서는 기름얼룩이 분해돼 오염이 소멸되는 자정효과를 일으킬 수 있다. 이러한 기능을 응용하면 조명기구의 오염을 방지할 수 있는데, 실제로 일본에서는 터널의 조명에 이 촉매기능을 부여한 램프를 사용해 터널을 더 밝게 하면서 청소 작업을 줄이고 있다. 또한 유리컵과 같은 주방용기의 안쪽에 촉매를 코팅한 것이 상품화되고 있는데, 수돗물 악취의 근원인 염소화합물을 제거해 물을 맛있고 안전하게 하는 작용이 있다.

광촉매의 친수성을 응용하는 분야도 있다. 고체의 표면에 물방울이 접촉할 때, 고체의 표면에 물을 좋아하는 성능, 즉 친수성을 높여주면 물이 넓게 퍼져서 흘러내리게 된다.

이러한 기능을 응용하면 욕실 내부의 거울이 흐려지는 현상, 비오는 날 자동차의 사이드 거울이 보이지 않는 현상, 그리고 안경의 김서림 현상 등을 방지할 수 있다. 유리 온실이나 비닐하우스 등에 이러한 기능을 부여하면 김서림을 방지하여 햇빛의 투과율을 높일 수 있고, 따라서 생산량을 높일 수 있다.

​알게 모르게 다양한 분야에서 촉매가 사용되고 있다.특히 더 쉬운 방법으로 더 많은 양의 제품을 제조하기 위한 필수요소로 화학산업에 활용되고 있다.모순되게도 촉매가 발전시킨 화학산업이 발생시키는 오염물질을 감시하고 개선하는 분야에서도 그 역할이 점점 커지고 있다.