개념 한 쪽
촉매독은 촉매의 활성점을 강하게 흡착하거나 파괴하여 촉매 활성을 저해하는 물질로, 활성점 농도를 감소시켜 반응 속도와 전체 촉매 성능에 영향을 준다.
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출제기준 단원 「촉매독」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 고체촉매 반응 단계 판별 | 1 | 고체촉매에서 확산·흡착·반응·탈착의 순서를 바르게 고르기 |
| 대표적 불균일 촉매 예시 판단 | 1 | 암모니아 합성 등 불균일 촉매 반응 여부를 식별하기 |
| 촉매의 동역학·열역학 구분 | 1 | 촉매가 속도에 미치는 영향과 평형에 미치는 영향 구분하기 |
촉매독(Catalyst Poison)은 촉매 표면의 활성점(Active Site)에 강하게 흡착되어 해당 활성점이 반응에 참여하지 못하게 만드는 물질을 말한다. 촉매독이 활성점을 차지하면 그 부분은 실질적으로 비활성화되어 사용 가능한 활성점의 총량이 감소한다.
활성점의 감소는 촉매가 제공할 수 있는 반응 표면적과 반응 경로의 수를 줄이므로 반응 속도 저하로 이어진다. 촉매독에 의한 불활성화는 영구적일 수 있어 활성점 농도는 일정하지 않고 시간이 지남에 따라 감소할 수 있다.
촉매는 반응의 활성화 에너지를 낮추어 반응 속도를 증가시키나, 평형상수에는 영향을 주지 않는다. 따라서 촉매독이 있어 촉매의 효과가 줄어들면 동일한 평형상수 하에서 평형 도달 시간은 더 길어지거나 목표 생성물 생산 속도가 떨어진다.
촉매 반응은 균일계와 불균일계로 나뉘며, 특히 불균일계(고체 촉매와 기체 또는 액체 반응물)는 흡착과 확산 현상이 반응 속도에 중요하다. 불균일계에서는 촉매독이 표면 흡착을 통해 활성점을 막으므로 흡착 현상과 표면 처리 관리가 중요하다.
문항 유형 예시는 촉매독이 활성점 농도에 미치는 영향 판단 문제이다. 예를 들어 고체촉매 반응에서 촉매독이 존재하면 활성점 수가 감소하므로 표면반응 속도나 전체 반응속도식을 유도할 때 사용 가능한 활성점 농도를 줄여 계산해야 한다는 점을 확인하는 풀이가 대표적이다.
또 다른 예시는 균일계와 불균일계의 구별을 묻는 문제이다. 암모니아 합성처럼 기체 반응물이 고체 촉매 표면에서 반응하는 경우는 불균일계 촉매반응이므로, 확산과 흡착 과정이 반응 속도 지배 요인이 될 수 있음을 근거로 정답을 선택하는 풀이가 자주 출제된다.
다음 중 고체촉매반응의 반응 7단계의 순서로 올바른 것은?
정답 ① · 문항은 고체촉매 반응이 진행되는 일련의 물리·화학적 단계를 올바른 순서로 배열한 것을 묻고 있다. 반응물은 입자 외부에서 내부로 외부확산→내부확산한 뒤 표면에 흡착되고 표면반응이 일어나며 생성물은 탈착되어 내부확산→외부확산을 통해 빠져나온다.
고체촉매 반응의 7단계는 기체상에서 촉매 입자 외부로 확산, 촉매 기공 내부로 확산, 표면 흡착, 표면 반응, 탈착, 내부 확산, 외부 확산 순서로 진행된다.
다음 중 일반적으로 볼 때 불균일 촉매반응으로 가장 적합한 것은?
정답 ④ · 질문은 불균일 촉매반응의 대표적인 사례를 묻는다. 불균일 촉매반응은 촉매와 반응물이 서로 다른 상에 있을 때 발생하며 산업적으로 대표적인 예가 고체 촉매 표면에서 기상 반응이 일어나는 암모니아 합성이다.
불균일 촉매반응은 반응물과 촉매가 서로 다른 상(phase)에 존재하는 반응으로, 암모니아 합성반응이 대표적이다.
촉매반응의 경우 촉매의 역할을 잘 설명한 것은?
정답 ④ · 문제는 촉매가 반응에 미치는 영향을 묻고 있다. 촉매는 반응의 활성화에너지를 낮춰 반응속도를 증가시키는 동역학적 역할을 하고 평형상수에는 영향을 주지 않는다.
촉매는 반응 경로를 변경하여 활성화 에너지를 낮춤으로써 반응 속도를 증가시키지만, 평형상수에는 영향을 주지 않는다.
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