촉매란 무엇인가 : 주조에서부터 태양에너지까지

미야하라고오시로오,다나카겐이치

미야하라고오시로오
일본홋카이도출생.홋카이도대학이학부화학과졸업.촉매화학전공으로학과조교수를거쳐촉매연구소교수로재직했으며동연구소소장을역임했고도쿄대학물성연구소객원교수로도활동했다.

다나카겐이치
일본나가노현출생.요코하마국립대공학부졸업.고체표면의촉매작용을전공했으며홋카이도대학촉매연구소조교수를거쳐공학부교수를역임했다.

역자:조재선
서울대농대농화학과와동대학교대학원을졸업(농학박사)했다.한국과학기술연구소선임연구원,동덕여자대학교수,한국식생활문화학회부회장,고려인삼학회회장,한국식품과학회회장,경희대학교교수등을역임했다.

머리말|4

제1장촉매란무엇인가?
촉매가제1차세계대전을일으켰을까?|11
자연계질소의순환과촉매|12
촉매는화학반응의중매꾼|13
백금회로는왜따뜻한가?|15
수소를태운다-연료전지|18
어떤것이촉매가될까?|24
촉매의작용|26

제2장화합물의합성-촉매의발견과응용-
술빚기(주조)|33
세균과촉매-산화반응|34
알코올화학|37
마가린과양초와휘발유-수소화반응|40
공기로부터빵을만든다-공중질소의이용|48
화학섬유와합성수지-중합반응|50
화학합성원료전환의성패는새로운촉매의개발에달려있다|57
연금술과촉매|61

제3장에너지의위기와환경문제그리고촉매
자원절약,에너지절약의문제|65
환경문제와촉매|69
자원과에너지의절약|70
이용되지않고있는에너지의개발|77
이용되지않고있는자원의개발|90
배기와폐수의정화|95

제4장생명과촉매
지구의화학진화|111
광학활성물질|122
효소의고정화|125
대사와증식|128
백금착체와제암작용|133

제5장촉매의기구를밝힌다(1)
반응탑에는왜여러가지종류가있는가?|141
촉매의분류|146
검은상자속의알맹이를밝혀낸다|155
촉매는어떻게화학반응을촉진하는가?|157

제6장촉매의기구를밝힌다(2)
촉매작용과흡착|169
흡착입자운동의직접관찰|175
일어나기쉬운반응과까다로운반응|178
꼼꼼한터널꾼|181
배위와촉매작용|183
동위원소로서표지를한다|193

제7장촉매의장래-진단과설계-
광촉매반응|203
고체산·염기촉매|211
균일촉매와불균일촉매의접점|219
모델효소|228

주석|231
후기|251
옮긴이의말|254

책속에서


야생원숭이가나무가옴폭하게패인곳에숨겨놓았다잊어버린과실이자연스럽게발효해서맛좋은과실주가빚어졌다는이야기가있다.또남반구의깊은산속원주민들이곡류를입으로씹어곱게으깬것을발효시켜서어떤종류의술을빚고있다는이야기를들은사람도있을것이다.
이와같이양조(釀造)는인류의발달과더불어긴역사를가지고있다.원주민이곡식을입으로으깨는이유는침으로곡식속의탄수화물을당으로바꾸기위한것인데,이는타액에들어있는‘아밀라아제’라고하는효소의작용에의한것이다.과즙혹은이렇게해서만들어진당액(糖液)에공기속에떠돌고있는여러가지효모균이뛰어들어당을먹고탄산가스를뱉어내면서증식한다.이때알맞게알코올발효를하는효모균이다른효모균보다우세하여증식하게되면부산물로서에틸알코올을몸밖으로배설한다.술이나맥주의양조공장을견학한사람은발효탱크안에서술덧이탄산가스거품을부글부글뿜어내고있는것을보았을것이다.배출된에틸알코올이어느농도에달하면그자체로방해가되어효모의증식이멎는다.이것이발효에의한양조의기구이다.효모균의체내에서이메커니즘의주역을담당하는효소라는물질이촉매의일종이라는것을생각한다면촉매를이용한물질합성의역사는아주오래된것이라하겠다.하물며현재지구에존재하는여러가지물질이지구의오랜역사속에서어떻게하여생성되었느냐는‘물질의화학진화’에즈음해서물질의촉매작용이중요한역할을했다고말한다면촉매의역사는지구창조와더불어시작되었다고할수있다.
그러나물질을만들기위한촉매의발견과응용의역사,즉쓸모있는물질을만들어내기위한화학변화를일으키는것으로서인간이촉매를의식적으로사용하기시작한것은약2세기전에불과하다._33~34쪽

1913년부터독일의일대석탄산지인루루지방의석탄연구소의소장이었던피셔(FranzFischer,1877~1948)는1923년한스트롭쉬(HansTropsch)가공동으로수소(H2)와일산화탄소(CO)의혼합가스를압축하여알칼리를가해서약400℃로가열한철(Fe)촉매에접촉시키면물이나탄산가스와함께석유가된다는것을발견했다.석유가석탄을산소가부족한상황에서가열하면분해되어수소나일산화탄소가되므로이분해반응을반대방향으로일으켜서석유를만들었다.발명자의이름을따서‘피셔.트롭쉬합성’이라고불린다.
이발견은그후개량되어제2차세계대전후에독일이나일본,프랑스등에서공업화되어석탄의열분해로얻어지는석탄가스로부터액체연료를만드는인조석유공업으로발전했다.전후석유를값싸게살수있던시대에는거의도외시되었으나원유값이올라가고더군다나언젠가는고갈될것이라는전망으로다시석탄액화의기술개발의일환으로써중요하게된것은다아는바와같다._47~48쪽

촉매의연구는화학이라는기초위에서있지만그화학체계가서기시작한것은겨우16세기에들어서면서부터였다.그때까지약1,200년에걸친긴세월동안에실내장식공으로교회에고용되어있었던연금술사들은‘현자의돌’을찾고있었다.납과같은흔한금속을금과같은귀금속으로바꾸거나초목이나돌로불로장수의약을만든다는소망을이루어줄마법의약을찾으려는것이었다.
20세기에들어와서급속히발달한합성화학공업이부식(腐蝕)에서도금보다도강하고,물리적인강도는쇠보다뛰어난중합물을만들고있다는것과이것들이모두촉매에의해서제조가가능하다는것을생각한다면촉매야말로‘현자의돌’이라고할수있다.
화학합성품의대부분은부식에견디는뛰어난성질,파괴에견디는성질등때문에자연계의물질순환으로부터완전히벗어난물질이라는것을생각하면,지금까지선진국의사회가해왔던합성품의대량생산과쓰고버리는소비활동은바야흐로중대한반성기에접어들었다고할수있겠다.자연의물질순환의능력에는한계가있다.그한계를넘어서인간이만들어낸물건들을다시한번분해하여효과적으로재이용하는별개의물질순환시스템을만들어야할필요가있다.이것을가능하게하는것도촉매의역할이다._61쪽

로마클럽이지적하듯이인류의생존을보장하기위해서는선진국의경제성장과되돌릴수없는근대화를억제하는것이필요한일일지도모른다.현재수준의식생활을유지하려면합성식품도감수해야한다는것을뜻한다.만일그것이싫다면생활수준을낮추어야한다.예를들면쌀이나식용육생산에서볼수있듯이품질이좋은쌀이나고기를생산하는데많은노력을들이지않으면생산자로서채산이맞지않는그런방법을버리고맛은떨어지더라도다수확품종쌀이나다산계식육을생산하는식의변혁방법은우리주변에얼마든지있다.
현시점에서식료품을인공적으로합성한다는것은자연계에서행해지고있는식료품합성의주역을맡고있는효소를대신할촉매를개발하는것외에는방법이없다.탄산가스와물에서탄수화물이나지방산을만들고,공기속의질소를취해서아미노산을,그리고그것을규칙적으로중합시켜단백질이나지방을만들수있는촉매의개발이필요하다._68~69쪽

모든합성화학공업에적용되는것이지만우수한촉매를사용해도원료모두다목적하는물질로변화하는것은아니다.원료의몇%에서많게는수십%가쓸데없는물질이되어버린다.만들어진혼합물로부터목적하는물질을분리,정제하는데에도숱한에너지를소비한다.따라서목적하는물질을높은수율로만드는일(촉매선택성의향상),그것을위한반응속도를크게해서(촉매활성의향상)대량생산이가능하게하는일,일단반응탑에채워넣은촉매가가능한한계속해서장기간사용될것(촉매의수명연장)등이자원절약,에너지절약시대의촉매로서필수적인조건이다.또대부분의촉매반응은선택성과활성(活性)을높이는데에400~500℃의높은온도와수백기압의높은압력아래서행해지기때문에대기의온도와압력아래서반응이진행될만한촉매를발견한다는것은가열과압축을위한에너지와그것에필요한장치를생략할수있다는뜻이므로그자체가막대한에너지절약이된다._71쪽