촉매(catalyst)란 반응의 속도에는 영향을 주지만 공정을 변화시키지 않는 물질이다.
촉매는 일반적으로 반응에서 다른 분자경로를 촉진시킴으로써 반응속도를 변화시킨다.
예를 들면, 기체 상태의 수소와 산소는 상온에서 실제 비활성이지만
백금에 노출되었을 때는 급격하게 반응한다.
촉매반응은 촉매 및 촉매공정들을 다루고, 연구하고, 사용하는 것이다.
공업적으로 화학촉매는 매우 중요하다.
미국 전역에서 생산되는 전체물질의 약 1/3이 우너료와 최종제품 사이의 어디에선가
촉매공정이 수반되어 생산되고 있다.
화학반응에서 생성물의 수율과 선택도 향상을 위한 새로운 방법들을 지속적으로
모색하는 데에 촉매의 개발 및 이용이 큰 비중을 차지하고 있다.
촉매는 다른 반응경로에 의해 최종생성물을 얻는 것을 가능하게 하기 때문에
수율과 선택도 모두에 영향을 미칠 수 있다.
일반적으로 우뤼가 촉매에 대해서 이야기할 경우에는 반응을 빠르게 하는 것을 의미하지만,
엄밀히 말하자면 촉매는 특정생성물 성분의 생성속도를 빠르게 또는 느리게 할 수 있다.
즉 촉뫠는 단지 반응속도만을 변화시키고 그 평형에는 영향을 미치지 않는다.
균일 촉매반응은 촉매가 적어도 반응물 중의 한 성분과 용해상태가 되는 공정을 의미한다.
균일 촉매반응의 한 가지 예는 n-이소부틸알데하이드를 제조하는 공업적
옥소(Oxo) 공정이다. 이 공정에서 반응물은 프로필렌, 일산화탄소 및 수소이며,
촉매는 액상 코발트착화합물이다.
초임계 유체 속에서 수행된 앞의 반응은 반응속도를 크게 촉진시키는 것으로 알려져있다.
반응이 일어나는 용매의 특성을 조절함으로써 상 내부의 물질전달 저항이 제거될 수 있다.
불균일 촉매공정은 2개 이상의 상이 수반되며, 일반적으로 촉매는 고체이고
반응물은 액체 또는 기체 형태인 것이 보통이다.
오늘날 미국에서 생산되는 벤젠의 대부분은 촉매로 알루미나 담체상의 백금을 사용하여
사이클로헥산의 탈수수화반응으로부터 제조된다.
경우에 따라 중질석유 유분의 수첨탈황에서와 같이 반응 혼합물이 액체와 기체형태로 존재하기도 한다.
이 촉매반응의 두 가지 형태 중에서 불균일 촉매반응이 보다 일반적인 반응형태이다.
특히 대부분의 촉매들이 상당히 비싸고 재사용이 요구되기 때문에
고체촉매로부터 유체인 생성혼합물을 간단하고도 완전하게 분리할 수 있다는 것이
불균일 촉매반응을 경제적으로 유리하게 만든다.
불균일 촉매반응은 유체-고체간의 계면 또는 매우 근접한 계면에서 일어난다.
불균일 촉매에 대한 원리들은 촉매 및 무촉매 유체-고체반응 모두에 적용될 수 있다.
불균일반응에 대한 두 가지 다른 유형들에는 기체-액체 및 기체-액체-고체계도 포함된다.
기체와 액체 사이의 반응은 일반적으로 물질전달이 제한한다.
촉매반응은 유체-고체계면에서 일어나기 때문에 계면의 면적을 크게하는 것이
반응속도를 상당한 수준에 이르게 하는 데 도움이 될 뿐만 아니라 꼭 필요하다.
여러 가지 촉매들의 경우에 있어서 이 면적은 다공성 구조에 의해서 제공된다.
즉 고체에서는 많은 미세 세공들이 있어 이 세공들의 표면이 반응속도를 높이는 데
필요한 면적을 제공한다. 어떤 다공성 물질들은 놀라울 정도로 큰 면적을 지니고 있다.
다공성 촉매란 세공에 의해 큰 면적을 가지는 촉매를 말한다.
이에 대한 예로는 식물성 및 동물성 기름의 수소화반응에 사용되는 라네니켈,
더 높은 옥탄가를 얻기 위한 석유나프타의 개질반응에 사용되는 백금/알루미나 촉매,
그리고 암모니아 합성반응에 사용되는 조촉매화된 철 촉매 등을 들 수 있다.
경우에 따라 세공이 매우 작은 경우에는 작은 분자들만 통과시키고
큰 분자들이 세공으로 들어가는 것을 막을 수도 있다.
이러한 형태의 세공을 가지는 물질을 분자체라 하며, 이들은 점토(clay) 및 제올라이트 등의
천연물질에서 얻어지거나 어떤 결정성 알루미나 규산염화합물과 같이 전적으로 합성되기도 한다.
이들 분자체는 매우 우수한 선택성을 가지는 촉매들에 대하여 기준이 될 수 있다.
따라서 세공은 촉매활성을 지니는 표면 근처에서 다양한 분자들의 체류시간을 조절하여
반응을 기대할 수 있는 분자들만이 반응할 수 있도록 할 수 있다.
제올라이트의 높은 선택성에 대한 한 가지 예를 들면
메탄과 톨루엔으로부터 자일렌을 합성하는 반응이 있는데,
여기에서 벤젠과 톨루엔은 제올라이트의 세공을 통하여 내부로 들어간 다음,
ortho, meta, para 자일렌의 혼합물을 합성하기 위해 내부표면에서 반응을 한다.
그러나 세공입구의 크기가 단지 파라 자일렌만을 통과시키는 정도라면 옆에 메틸기를 가지고 있는
메타와 오르쏘 자일렌은 세공입구로 빠져나오지 못한다.
세공 내부의 활성점에서 오르쏘와 메타가 파라 자일렌으로 이성화한다.
따라서 매우 높은 선택도로 파라 자일렌을 합성할 수 있게 된다.
제올라이트 특이성의 또 다른 예는 반응하는 분자들의 배치를 조절하는 것이다.
분자체들이 제올라이트 내부에 위치한 다음, 반응하는 분자의 배열은 제올라이트 내의 특정 활성점에서의
촉매 우너자의 배치에 의해 조절될 수 있을 것이다.
이러한 배치는 벤젠을 합성하기 위하여 촉매표면에서 에탄 분자가 고리모양으로 위치하는 것과 같은
고리화 반응에서 쉽게 이루어지게 된다.
그러나 모든 촉매가 다공성 구조에 의해 제공되는 확장된 표면을 필요로 하지는 않는다.
어떤 촉매는 충분히 활성을 지니고 있기 때문에 다공성 촉매를 만들려는 필요성을 지니지 않는다.
그런 촉매 중의 하나가 모놀리스 촉매이다.
모놀리스 촉매가 사용되는 것은 보통 압력강화와 열을 제거하는 것이 중요한 관건이 되는 공정에서이다.
대표적인 예는 질산제조의 암모니아 산화반응에서 사용되는 백금 그물 반응기와
자동차 배기가스 중 오염물을 산화시키기 위한 촉매전환장치이다.
이와 같은 촉매들은 다공성 또는 비다공성이 사용될 수 있다.
어떤 경우에는 촉매가 담체라고 하는 활성이 작은 물질 위에 미세한 활성물질 입자가
분산된 형태로 이루어져 있다.
이때 활성물질들은 주로 순수한 금속이거나 금속합금이 자주 이용된다.
비담지 촉매와 구분짓기 위해 이러한 촉매를 담지촉매라 하며, 촉매의 활성을 증대시키기 위해
소량의 활성성분이 더해지는데 이를 조촉매라 일컫는다.
담지촉매의 예로는 자동차 충전층 촉매전환장치, 석유개질반응에서 사용되는 백금을 담지시킨 알루미나 촉매,
그리고 황산 제조시에 이산화황을 산화시키는데 사용되는 오산화바나듐을 담지시킨 실리카 촉매가 있다.
