지문해설 | 2024학년도 고3 6평 "화학 반응과 촉매" 과학지문 Q8~11

2024학년도 고3 6평 속 활성화 에너지, 고체 촉매를 설명합니다. 잘 와닿지 않아 어려웠던 과학기술을 쉽게 이해해 보세요 :)

목차

2024학년도(2023년 시행) 고3 6월 평가원 모의고사 Q8~11  화학 반응과 촉매 

1문단

 

화학 물질은 화학 변화를 통해 다른 물질로 변화할 수 있으며, 이를 화학 반응이라고 합니다.

이때 변화하기 전 물질은 반응물, 변화한 물질은 생성물입니다.

 

화학 반응이 진행되기 위해서는 활성화 에너지라고 부르는 최소한의 에너지가 필요합니다.

반응물이 단순히 존재한다고 화학 반응이 일어나는 것이 아니고, 그 입자가 가지고 있는 운동 에너지가 활성화 에너지보다 커야 화학 반응이 진행됩니다.

즉, 활성화 에너지는 지문에서 주어진 것처럼 '분자들이 만나 화학 반응을 진행하는 데 필요한 최소한의 운동 에너지'로 정의할 수 있습니다.

화학 반응과 활성화 에너지

 

활성화 에너지가 작으면, 반응물이 생성물로 변하는 화학 반응이 빠르게 일어날 수 있습니다.

 

그래서 화학에서는 활성화 에너지를 조절하여 반응 속도를 변화시키는 경우가 있는데, 이때 촉매가 활용됩니다.

 

(정)촉매*는 반응의 활성화 에너지를 낮추어 '반응 속도를 빠르게 하는 능력(촉매 활성)'이 있는데,

아래 그래프처럼, 촉매가 있으면 반응을 위해 필요한 활성화 에너지가 작은 '새로운 반응 경로가 제공'되기 때문에 화학 반응이 더욱 빠르게 일어납니다.

* 지문에서 다루지 않았지만, 촉매 중에는 활성화 에너지를 높여 반응 속도를 느리게 하는 부촉매도 있습니다.)

촉매 유무에 따른 활성화 에너지의 차이

 

지문에서는 화학 산업에서 주로 이용되는 고체 촉매를 소개하는데,

고체 촉매는 대부분 활성 성분, 지지체, 증진제로 구성됩니다.

고체 촉매의 구조: 지지체, 활성 성분, 증진제

 

이어지는 문단에서 각각 ▲활성 성분, ▲지지체, ▲증진제가 어떻게 화학 반응의 속도를 빠르게 하는지(=촉매 활성) 확인해봅시다.

 

2문단

 

고체 촉매의 활성 성분은 '그 표면에 반응물을 흡착시켜 촉매 활성을 제공하는 물질'입니다.

반응물이 '활성 성분의 표면에 흡착'되면, '반응하여 생성물로 변환'된 후, '생성물은 표면에서 탈착'되는 방식으로 촉매 작용이 일어납니다.

 

좀 더 구체적인 예시와 함께 고체 촉매의 촉매 작용을 살펴보겠습니다.

 

암모니아 합성

 

암모니아 합성의 화학 반응식은 다음과 같고, 수소(H₂)와 질소(N₂)가 반응하여 암모니아(NH₃)가 생성된다는 의미입니다.

3H₂ + N₂ → 2NH₃

 

이 반응에는 철(Fe)이 활성 성분으로 사용되는데, 구체적인 반응 과정은 다음과 같습니다:

• 반응물인 수소(H₂)와 질소(N₂)는 활성 성분인 '철(Fe)의 표면에 흡착되어 원자 상태로 분리'
• 반응물은 철의 표면에서 반응하여 '생성물인 암모니아(NH₃)로 변환된 후, 표면에서 탈착'

암모니아의 합성 과정과 촉매(철, Fe)의 역할 (출처: 위키미디어)

 

에틸렌 변환

 

'아세틸렌은 선택적 수소화 공정을 통하여 에틸렌으로 변환'될 수 있습니다.

이를 화학 반응식으로 표현하면 다음과 같고, 아세틸렌(C₂H₂)과 수소(H₂)가 반응하여 에틸렌(C₂H₄)가 생성되는 과정입니다.

C₂H₂ + H₂ → C₂H₄

 

앞서 살펴본 암모니아 합성 과정과 유사하게, 팔라듐(Pd)이 활성 성분으로 사용된 것을 볼 수 있습니다.

추가로 3, 4문단 내용까지 참고하면, 에틸렌 변환 과정에서 ▲반응물은 아세틸렌과 수소, ▲생성물은 에틸렌이며, 고체 촉매에 있어서 ▲활성 성분은 팔라듐, ▲지지체는 실리카, ▲증진제는 규소와 은임을 알 수 있습니다.

아세틸렌의 수소화 공정을 통한 에틸렌 변환 과정

 

3문단

 

고체 촉매를 구성하는 요소 중에 2문단에서 살펴본 활성 성분 외에도 지지체가 있었는데, 지지체는 무슨 역할을 할까요?

 

금속은 고체 촉매의 활성 성분으로 유용하게 사용되는데,

안타깝게도 금속은 열적 안정성이 낮아 고온에서 서로 달라붙어 큰 입자를 이루며 소결되며, 촉매 활성을 저하합니다.

소결(sintering) (출처: 위키백과)

 

이때, 표면적이 넓고 열적 안정성이 높은 지지체를 이용한다면 고체 촉매의 활성을 높일 수 있게 되는 것입니다.

4문단

 

국어 독서 과학기술, 국어 비문학 과학기술, 24학년도 고3 6평 Q8-11, 화학 반응과 촉매, 활성화 에너지와 촉매

고체 촉매를 구성하는 마지막 요소는 증진제입니다.

증진제는 활성 성분의 표면 구조나 전자 밀도를 변화시켜 촉매 활성을 조절합니다.

 

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 요약 

화학 반응의 속도를 빨리 하기 위해서는 촉매를 이용하여 활성화 에너지를 낮출 수 있습니다.

고체 촉매를 구성하는 ▲활성 성분, ▲지지체, ▲증진제가 각각 촉매 활성에 기여하는데, 구체적인 역할은 다음과 같습니다.

▲활성 성분은 표면에 반응물을 흡착시켜 촉매 활성을 제공하며, ▲지지체는 금속 활성 성분의 한계를 해결하며 촉매 활성 저하를 억제하고, ▲증진제는 활성 성분의 표면 구조나 전자 밀도를 변화시켜 촉매 활성을 조절합니다.