촉매란 무엇인가 - 주조에서부터 태양에너지까지

플라스틱부터 친환경 자동차까지

화학 공정의 중추를 이루는 촉매의 연금술

 

오늘날 화학 공정에서 빠지지 않는 ‘촉매’는 화학반응을 효율적으로 돕는 ‘마법의 돌’로 불린다. 일상생활의 필수품이 된 플라스틱부터 자동차 배터리, 농업용 비료, 오염 정화 기술, 의약품 개발에 이르는 수많은 기술의 중심에 촉매가 있다. 중세의 연금술에 비견될 만큼 산업과 경제에 큰 부가가치를 만들어 내는 촉매에 주목해야 하는 이유다.

[목 차]

 

머리말 | 4

 

제1장 촉매란 무엇인가 ?

촉매가 제1차 세계대전을 일으켰을까? | 11

자연계 질소의 순환과 촉매 | 12

촉매는 화학반응의 중매꾼 | 13

백금회로는 왜 따뜻한가? | 15

수소를 태운다 - 연료전지 | 18

어떤 것이 촉매가 될까? | 24

촉매의 작용 | 26

 

제2장 화합물의 합성 -촉매의 발견과 응용-

술빚기(주조) | 33

세균과 촉매 - 산화반응 | 34

알코올 화학 | 37

마가린과 양초와 휘발유 - 수소화 반응 | 40

공기로부터 빵을 만든다 - 공중질소의 이용 | 48

화학섬유와 합성수지 - 중합반응 | 50

화학 합성원료 전환의 성패는 새로운 촉매의 개발에 달려 있다 | 57

연금술과 촉매 | 61

 

제3장 에너지의 위기와 환경문제 그리고 촉매

자원절약, 에너지 절약의 문제 | 65

환경 문제와 촉매 | 69

자원과 에너지의 절약 | 70

이용되지 않고 있는 에너지의 개발 | 77

이용되지 않고 있는 자원의 개발 | 90

배기와 폐수의 정화 | 95

 

제4장 생명과 촉매

지구의 화학진화 | 111

광학활성물질 | 122

효소의 고정화 | 125

대사와 증식 | 128

백금착체와 제암작용 | 133

 

제5장 촉매의 기구를 밝힌다 (1)

반응탑에는 왜 여러가지 종류가 있는가? | 141

촉매의 분류 | 146

검은 상자 속의 알맹이를 밝혀낸다 | 155

촉매는 어떻게 화학반응을 촉진하는가? | 157

 

제6장 촉매의 기구를 밝힌다 (2)

촉매작용과 흡착 | 169

흡착입자 운동의 직접 관찰 | 175

일어 나기 쉬운 반응과 까다로운 반응 | 178

꼼꼼한 터널꾼 | 181

배위와 촉매작용 | 183

동위 원소로서 표지를 한다 | 193

 

제7장 촉매의 장래 -진단과 설계-

광촉매 반응 | 203

고체산・염기촉매 | 211

균일촉매와 불균일촉매의 접점 | 219

모델효소 | 228

 

주석 | 231

후기 | 251

옮긴이의 말 | 254

 

[본 문]

 

야생 원숭이가 나무가 옴폭하게 패인 곳에 숨겨 놓았다 잊어버린 과실이 자연스럽게 발효해서 맛 좋은 과실주가 빚어졌다는 이야기가 있다. 또 남반구의 깊은 산속 원주민들이 곡류를 입으로 씹어 곱게 으깬 것을 발효시켜서 어떤 종류의 술을 빚고 있다는 이야기를 들은 사람도 있을 것이다.

이와 같이 양조(釀造)는 인류의 발달과 더불어 긴 역사를 가지고 있다. 원주민이 곡식을 입으로 으깨는 이유는 침으로 곡식 속의 탄수화물을 당으로 바꾸기 위한 것인데, 이는 타액에 들어 있는 ‘아밀라아제’라고 하는 효소의 작용에 의한 것이다. 과즙 혹은 이렇게 해서 만들어진 당액(糖液)에 공기 속에 떠돌고 있는 여러 가지 효모균이 뛰어들어 당을 먹고 탄산가스를 뱉어내면서 증식한다. 이때 알맞게 알코올 발효를 하는 효모균이 다른 효모균보다 우세하여 증식하게 되면 부산물로서 에틸알코올을 몸 밖으로 배설한다. 술이나 맥주의 양조공장을 견학한 사람은 발효 탱크 안에서 술덧이 탄산가스 거품을 부글부글 뿜어내고 있는 것을 보았을 것이다. 배출된 에틸알코올이 어느 농도에 달하면 그 자체로 방해가 되어 효모의 증식이 멎는다. 이것이 발효에 의한 양조의 기구이다. 효모균의 체내에서 이 메커니즘의 주역을 담당하는 효소라는 물질이 촉매의 일종이라는 것을 생각한다면 촉매를 이용한 물질합성의 역사는 아주 오래된 것이라 하겠다. 하물며 현재 지구에 존재하는 여러 가지 물질이 지구의 오랜 역사 속에서 어떻게 하여 생성되었느냐는 ‘물질의 화학 진화’에 즈음해서 물질의 촉매작용이 중요한 역할을 했다고 말한다면 촉매의 역사는 지구 창조와 더불어 시작되었다고 할 수 있다.

그러나 물질을 만들기 위한 촉매의 발견과 응용의 역사, 즉 쓸모 있는 물질을 만들어 내기 위한 화학변화를 일으키는 것으로서 인간이 촉매를 의식적으로 사용하기 시작한 것은 약 2세기 전에 불과하다._33~34쪽

 

1913년부터 독일의 일대 석탄 산지인 루루 지방의 석탄연구소의 소장이었던 피셔(Franz Fischer, 1877~1948)는 1923년 한스 트롭쉬(Hans Tropsch)가 공동으로 수소(H2)와 일산화탄소(CO)의 혼합가스를 압축하여 알칼리를 가해서 약 400℃로 가열한 철(Fe) 촉매에 접촉시키면 물이나 탄산가스와 함께 석유가 된다는 것을 발견했다. 석유가 석탄을 산소가 부족한 상황에서 가열하면 분해되어 수소나 일산화탄소가 되므로 이 분해반응을 반대 방향으로 일으켜서 석유를 만들었다. 발명자의 이름을 따서 ‘피셔.트롭쉬 합성’이라고 불린다.

이 발견은 그 후 개량되어 제2차 세계대전 후에 독일이나 일본, 프랑스 등에서 공업화되어 석탄의 열분해로 얻어지는 석탄가스로부터 액체연료를 만드는 인조석유공업으로 발전했다. 전후 석유를 값싸게 살 수 있던 시대에는 거의 도외시되었으나 원유값이 올라가고 더군다나 언젠가는 고갈될 것이라는 전망으로 다시 석탄액화의 기술개발의 일환으로써 중요하게 된 것은 다 아는 바와 같다._47~48쪽

 

촉매의 연구는 화학이라는 기초 위에 서 있지만 그 화학체계가 서기 시작한 것은 겨우 16세기에 들어서면서부터였다. 그때까지 약 1,200년에 걸친 긴 세월 동안에 실내 장식공으로 교회에 고용되어 있었던 연금술사들은 ‘현자의 돌’을 찾고 있었다. 납과 같은 흔한 금속을 금과 같은 귀금속으로 바꾸거나 초목이나 돌로 불로장수의 약을 만든다는 소망을 이루어줄 마법의 약을 찾으려는 것이었다.

20세기에 들어와서 급속히 발달한 합성화학공업이 부식(腐蝕)에서도 금보다도 강하고, 물리적인 강도는 쇠보다 뛰어난 중합물을 만들고 있다는 것과 이것들이 모두 촉매에 의해서 제조가 가능하다는 것을 생각한다면 촉매야말로 ‘현자의 돌’이라고 할 수 있다.

화학합성품의 대부분은 부식에 견디는 뛰어난 성질, 파괴에 견디는 성질 등 때문에 자연계의 물질순환으로부터 완전히 벗어난 물질이라는 것을 생각하면, 지금까지 선진국의 사회가 해왔던 합성품의 대량생산과 쓰고 버리는 소비활동은 바야흐로 중대한 반성기에 접어들었다고 할 수 있겠다. 자연의 물질순환의 능력에는 한계가 있다. 그 한계를 넘어서 인간이 만들어낸 물건들을 다시 한번 분해하여 효과적으로 재이용하는 별개의 물질순환 시스템을 만들어야 할 필요가 있다. 이것을 가능하게 하는 것도 촉매의 역할이다._61쪽

 

로마클럽이 지적하듯이 인류의 생존을 보장하기 위해서는 선진국의 경제성장과 되돌릴 수 없는 근대화를 억제하는 것이 필요한 일일지도 모른다. 현재 수준의 식생활을 유지하려면 합성식품도 감수해야 한다는 것을 뜻한다. 만일 그것이 싫다면 생활 수준을 낮추어야 한다. 예를 들면 쌀이나 식용육 생산에서 볼 수 있듯이 품질이 좋은 쌀이나 고기를 생산하는 데 많은 노력을 들이지 않으면 생산자로서 채산이 맞지 않는 그런 방법을 버리고 맛은 떨어지더라도 다수확 품종 쌀이나 다산계 식육을 생산하는 식의 변혁방법은 우리 주변에 얼마든지 있다.

현시점에서 식료품을 인공적으로 합성한다는 것은 자연계에서 행해지고 있는 식료품 합성의 주역을 맡고 있는 효소를 대신할 촉매를 개발하는 것 외에는 방법이 없다. 탄산가스와 물에서 탄수화물이나 지방산을 만들고, 공기 속의 질소를 취해서 아미노산을, 그리고 그것을 규칙적으로 중합시켜 단백질이나 지방을 만들 수 있는 촉매의 개발이 필요하다._68~69쪽

 

모든 합성 화학공업에 적용되는 것이지만 우수한 촉매를 사용해도 원료 모두 다 목적하는 물질로 변화하는 것은 아니다. 원료의 몇 %에서 많게는 수십 %가 쓸데없는 물질이 되어버린다. 만들어진 혼합물로부터 목적하는 물질을 분리, 정제하는 데에도 숱한 에너지를 소비한다. 따라서 목적하는 물질을 높은 수율로 만드는 일(촉매 선택성의 향상), 그것을 위한 반응속도를 크게 해서(촉매 활성의 향상) 대량생산이 가능하게 하는 일, 일단 반응탑에 채워 넣은 촉매가 가능한 한 계속해서 장기간 사용될 것(촉매의 수명 연장) 등이 자원 절약, 에너지 절약 시대의 촉매로서 필수적인 조건이다. 또 대부분의 촉매반응은 선택성과 활성(活性)을 높이는 데에 400~500℃의 높은 온도와 수백 기압의 높은 압력 아래서 행해지기 때문에 대기의 온도와 압력 아래서 반응이 진행될 만한 촉매를 발견한다는 것은 가열과 압축을 위한 에너지와 그것에 필요한 장치를 생략할 수 있다는 뜻이므로 그 자체가 막대한 에너지 절약이 된다._71쪽