개념 한 쪽
촉매는 반응 속도를 변화시키는 물질로서 활성화 에너지를 낮추고 반응 경로를 바꾼다. 촉매의 구조적 특성으로는 담체의 역할, 세공부피와 진밀도 측정 방법, 그리고 촉매가 평형상수에 미치는 영향 등이 중요하다.
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출제기준 단원 「촉매 구조」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 촉매의 기능 판별 | 1 | 촉매가 속도·평형에 미치는 영향 구분 |
| 담체의 역할 판별 | 1 | 담체의 기능을 지지체 관점에서 판단 |
| 세공부피·진밀도 계산 | 1 | 수은·헬륨 측정값으로 세공부피나 진밀도 계산 |
촉매는 반응의 활성화 에너지를 낮추어 반응 속도를 증가시키는 기능을 한다. 이로 인해 정반응과 역반응의 속도가 모두 빨라지지만, 평형상수(K)와 반응의 양론식은 변하지 않는다. 평형상수는 열역학적 상태 함수로서 온도에만 의존한다는 원칙을 기억해야 한다.
담체(carrier)는 촉매의 활성 성분을 지지하고 분산시키는 지지체 역할을 한다. 담체 자체는 촉매 작용을 하지 않으며, 표면적을 증가시키고 열적·기계적 안정성을 부여하여 촉매의 수명을 늘리는 기능을 한다. 담체는 선택성을 감소시키는 대신 분산도 향상이나 구조 안정화로 오히려 성능을 유지하거나 향상시킬 수 있다.
촉매의 세공부피와 진밀도는 서로 다른 측정법으로 구분된다. 수은 포화법에서는 수은이 미세 세공에 침투하지 못하므로 측정된 부피는 고체 부분의 부피를 주로 나타낸다. 반면 헬륨은 미세 세공까지 침투하므로 측정된 부피는 고체 부피와 세공을 포함한 전체 부피가 된다. 따라서 헬륨 부피에서 수은 부피를 빼면 세공부피가 되고, 진밀도는 질량을 고체 부피(수은으로 측정된 부피)로 나누어 계산한다.
불균일 촉매 반응에서는 흡착, 표면반응, 탈착, 확산 등의 단계가 존재한다. 이 가운데 가장 느린 단계가 전체 반응의 속도결정단계가 된다. 촉매의 불활성화는 사용 중 성능이 저하되는 현상으로 속도결정단계의 본질적 정의와 구별해야 한다.
대표 계산 1 — 진밀도 계산 예시: 시료 질량이 90g이고 수은으로 측정한 부피가 40㎤일 때, 진밀도는 질량을 고체 부피로 나눈 값이므로 90g ÷ 40㎤ = 2.25 g/㎤가 된다.
대표 계산 2 — 단위 질량당 세공부피 계산 예시: 시료 질량 101.5g에 대해 수은 부피가 48.6㎤, 헬륨 부피가 90.7㎤이면 세공부피는 90.7㎤ - 48.6㎤ = 42.1㎤이다. 단위 질량당 세공부피는 42.1㎤ ÷ 101.5g ≈ 0.415㎤/g가 된다.
이 예제들은 수은과 헬륨의 침투 특성 차이를 이용하여 고체 부피, 전체 부피, 세공부피를 구분하는 절차를 보여준다.
촉매의 기능에 관한 설명으로 옳지 않은 것은?
정답 ④ · 문제는 촉매의 기본적 성질 가운데 틀린 설명을 찾는 것이다. 촉매는 반응경로를 바꿔 활성화에너지를 낮추어 반응속도를 증가시키지만 열역학적 평형 위치와 반응의 양론식 자체에는 영향을 주지 않는다.
촉매는 반응 경로를 바꿔 활성화 에너지를 낮추어 속도를 높이지만, 평형 상수나 양론식은 변화시키지 않는다.
담체(Carrier)에 대한 설명으로 옳은 것은?
정답 ② · 문제는 담체(carrier)의 역할에 대한 설명 중 옳은 것을 고르라고 요구하고 있다. 담체는 촉매 자체로 작용하지 않지만 촉매 활성 성분을 지지·분산시켜 유효 표면적을 증가시키고 촉매 성능을 돕는 지지체 역할을 한다.
담체는 촉매 자체는 아니지만 촉매를 지지하여 표면적을 증가시키고 활성을 돕는 지지체 역할을 합니다.
촉매 반응일 때의 평형상수(KPC)와 같은 반응에서 촉매를 사용하지 않았을 때의 평형상수(KP)와의 관계로 옳은 것은?
정답 ③ · 평형상수는 반응물과 생성물의 표준 자유 에너지 변화량에만 의존하는 열역학적 상태 함수로, 오직 온도에 의해서만 결정됩니다. 촉매는 반응의 활성화 에너지를 낮추어 정반응과 역반응의 속도를 동일한 비율로 증가시켜 평형에 도달하는 시간을 단축시킬 뿐, 평형 상태의 조성(평형상수)에는 전혀 영향을 주지 않습니다.
평형상수는 열역학적 상태 함수로 온도에만 의존하므로 촉매 유무와 무관하게 동일하다.
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