학문
밤하늘의오로라
왜 촉매는 반응 속도만 바꾸고, 결과는 바꾸지 않을까요?
안녕하세요. 반응이 느린 화학반응에서 촉매를 넣으면 반응이 빨라지지만 최종 생성물의 양은 같다고 하던데요, 그렇다면 반응이 일어날 때 촉매는 정확히 무엇을 바꾸는 걸까요? 반응 경로와 에너지 장벽은 어떻게 달라지나요?
1개의 답변이 있어요!
안녕하세요.
화학반응이 일어날 때 촉매는 반응의 속도론만 바꾸고, 반응의 열역학은 전혀 바꾸지 않습니다. 즉 촉매가 바꾸지 않는 것은 반응의 출발점과 도착점입니다. 어떤 화학 반응이 일어날 때 반응물의 에너지 수준, 생성물의 에너지 수준, 두 상태 사이의 에너지 차이는 물질 자체의 고유한 성질이기 때문에 촉매를 넣든 넣지 않든, 반응물과 생성물이 동일하다면 ΔG는 절대 변하지 않습니다. 이 ΔG가 바로 반응이 자발적으로 일어날 수 있는지, 평형에서 반응물이 더 많은지 생성물이 더 많은지를 결정하는 값인데요 따라서 촉매를 넣어도 화학 평형의 위치는 변하지 않습니다.
화학 반응이 실제로 진행되려면, 반응물 분자들이 단순히 존재하는 것만으로는 부족하기 때문에 반드시 활성화 에너지라는 에너지 장벽을 넘어야 합니다. 이 장벽은 반응물 → 생성물로 가는 과정 중 가장 에너지가 높은 상태, 즉 전이 상태에 해당합니다. 이 과정에서 촉매는 활성화 에너지를 낮춰주는데요, 즉 출발 지점인 반응물과 도착 지점에 해당하는 생성물은 그대로인데, 중간 경로만 달라지는 것입니다. 다시 말하자면 촉매는 기존 반응과 전혀 다른 반응 경로를 제공합니다. 반응물이 촉매와 일시적으로 결합해 중간체를 만들고 그 중간체를 거쳐 생성물이 형성되고 마지막에는 촉매가 원래 상태로 회수되는데요, 이 과정에서 중요한 점은, 촉매 자신은 반응 전후에 소모되지 않으며, 반응의 출발점과 도착점을 잇는 에너지 지형만 재구성한다는 것입니다. 이때 촉매는 정반응과 역반응 모두의 활성화 에너지를 동시에 낮추는데요 반응물 → 생성물도 빨라지고 생성물 → 반응물도 같은 비율로 빨라지기 때문에 그래서 촉매는 평형에 도달하는 속도는 앞당기지만 평형 자체의 위치는 바꾸지 못하는 것입니다. 감사합니다.