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촉매 삼총사- 백금(Pt), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd) - 목록

조회 : 18709 | 2012-03-12

마지노선
수소(H-H)가 산소(O=O)와 반응하여 물(H-O-H)이 되려면 언덕을 넘어야 한다. 즉, 반응물인 수소와 산소가 충돌할 때 H-H와 O=O의 결합이 끊어지고 새로운 H-O-H가 생긴다. 그 이유는 물이 더 안정하기 때문이다. 그렇다면 수소와 산소가 만나면 항상 물이 생길까? 이들이 충돌하더라도 결합이 깨지는 데 필요한 에너지가 부족하면 반응하지 않는다. 즉, 활성화 에너지가 필요한 것이다. 활성화 에너지란 반응물이 넘어야할 마지노선과도 같다. 예를 들어 성냥을 켜려면 활성화 에너지인 마찰열이 필요한 것이다. 그렇다면 마지노선을 쉽게 돌파할 수는 없을까? 그것은 촉매를 이용하는 것이다. 촉매란 소량으로 화학반응의 속도를 조절하는 물질이다. 즉, 촉매는 마지노선의 높이를 낮추는 지름길을 제공함으로서 반응이 빨리 일어나게 하면서도 자신은 소모되지 않는 물질이다. 촉매를 사용하면 반응에 필요한 온도를 낮출 수 있어 에너지를 절약할 수 있다. 또한 원하는 생성물만 선택적으로 만들 수 있는 장점이 있다.










촉매의 원리




마지노선
더 이상 허용할 수 없는 한계, 최후의 보루, 배수진이라는 의미의 마지노선은 제 1차 세계 대전 후 프랑스가 독일의 경계선에 구축한 750 Km의 요새를 말한다. 이 방책을 창안한 앙드레 마지노(1877~1932)의 이름에서 유래한다. 마지노선은 지형을 이용하여 완전한 지하설비와 대전차 방어시설을 갖춘 난공불락의 요새였다. 그러나 이 방어선은 프랑스와 벨기에의 국경에는 건설되지 않았다. 그래서 1940년 5월 독일군은 마지노선을 우회하여 벨기에를 침공하고, 행군을 계속했다. 그들은 솜 강을 건너 5월 12일 마지노선의 북쪽 끝의 스당을 공격했다. 독일군은 전차와 비행기로 마지노선 뒤쪽으로 우회함으로써 마지노선을 무너뜨렸던 것이다.










마지노선 유적




촉매의 활약
1800년대 초 탄광에서는 백금을 조명으로 사용한 적이 있다. 어떻게 금속이 빛을 낼까? 탄광에는 일산화탄소가 많았다. 즉 백금 표면에서 일산화탄소와 산소가 반응하면서 내는 빛을 조명에 사용했던 것이다. 백금이 촉매로 작용한 것이다. 촉매의 중요성은 암모니아 합성 과정에서 드러났다. 하버는 수소와 질소를 500 도에서 반응시켰으나 생기는 암모니아는 매우 적었다. 이에 그는 철 촉매를 이용한 합성법을 개발했던 것이다. 암모니아를 질산으로 만들 때에도 백금과 로듐 촉매가 사용된다. 어떻게 촉매가 지름길을 제공하는 것일까? 이 과정을 최초로 밝힌 사람은 하버 연구소의 에르틀(1936~)이었다. 그는 수소가 백금 표면에서 원자로 해리되면서 수소의 반응성이 커지는 것을 발견했다. 그는 금속 표면에서 일어나는 현상을 밝혀낸 공로로 노벨화학상을 받았다.










CO를 CO2로 산화시키는 저온 산화 촉매와 그 작용 / 위키백과(www.wikipedia.org) (CC) NASA Langley Research Center





이산화탄소의 생성도 같은 과정을 거친다. 일산화탄소와 산소가 백금 표면에서 각각의 결합이 끊어지면서 원자로 해리된다. 해리된 탄소와 산소가 재결합하여 이산화탄소가 생기는 것이다. 그러나 촉매에 반응물이 너무 강하게 붙어 있으면 오히려 반응속도가 느려지게 된다. 이러한 물질을 부촉매라 한다.










촉매를 사용하는 전형적인 예





촉매는 크게 촉매와 반응물의 상이 같은 균일계 촉매와 다른 불균일계 촉매로 나눈다. 예를 들어 반응물과 촉매가 모두 액체이면 균일계 촉매이며, 반응물은 액체, 촉매는 고체일 경우는 불균일계 촉매이다.




삼원 촉매 장치
자동차는 일상생활에서 발과 같은 역할을 하지만, 그에 따른 공해와 환경오염은 인류의 생존과 직결되는 심각한 문제다. 따라서 모든 자동차에는 반드시 삼원촉매장치를 부착하게 되어 있다. 세라믹으로 구성된 삼원촉매장치의 내부는 배기가스가 통하는 많은 구멍이 뚫려 있으며 그 벽에는 백금과 로듐, 팔라듐 촉매가 들어있는 것이다. 이러한 촉매들은 배기가스 중의 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 산화질소(NOX) 등을 분해한다. 즉, 일산화탄소와 탄화수소는 산소와의 반응으로 이산화탄소나 물로 배출되며 산화질소는 질소와 산소로 분해된다. 이 경우 자동차에서 배출되는 공해 물질의 98% 이상이 제거된다.










삼원 촉매 장치





삼원촉매에 사용하는 금속들은 귀금속들이기 때문에 그대로 사용하지 않고 알루미나 등에 코팅하여 쓴다. 이들은 온도가 550 도에 도달할 때 촉매로 작용하기 때문에 온도를 빨리 올리는 것이 중요하다. 삼원촉매장치를 보호하려면 반드시 무연 휘발유를 사용해야 한다. 자동차의 배기통에서 김이나 물이 흘러나오는 것을 흔히 볼 수 있다. 왜 그럴까? 특히 여름과는 달리 겨울에 많이 발생한다. 그것은 백금의 촉매 작용으로 생긴 뜨거운 김이 배출되면서 차가운 공기를 만났을 때 수증기가 되기 때문이다.




백금과 시스플라틴
암은 암세포가 100만 개쯤 되었을 때 발견되며 1조 개에 이르면 사망한다. 이러한 암은 완치가 어렵고, 언제 발생할지 예측할 수도 없다. 암은 크기가 작고 다른 곳으로 전이되지 않았다면 수술이나 X-선 혹은 방사선으로 치료할 수 있다. 그러나 전이되었거나 몸 전체에 퍼지면 항암제 등으로 치료하게 된다. 항암제는 암세포의 대사 경로에 개입해 암세포를 죽이거나, 성장을 막는다. 그러나 항암제는 정상 세포도 공격하기 때문에 구토, 발열, 탈모 등의 부작용이 나타난다. 항암제는 어떻게 개발되었을까? 1964년, 로젠버그(1926~2009)는 백금 전극 사이에 박테리아균을 놓고 전류를 통과시켰을 때 박테리아의 세포 분열이 멈추는 것을 발견하였다. 배지에 첨가된 염화암모늄과 백금의 반응으로 생긴 ‘시스플라틴’ 때문이었다. 곧이어 시스플라틴의 항암 효과가 입증되었다.










시스플라틴과 트란스플라틴





특이하게도 같은 화합물이지만, 염소 원자가 같은 쪽에 있는 시스플라틴과는 달리 반대쪽에 있는 트란스플라틴은 항암 효과가 없었다. 작은 차이가 전혀 다른 효과를 나타낸 것이다. 왜 그럴까? 시스플라틴의 두 개의 염소는 암세포의 이중나선에서 인접한 두 개의 구아닌으로 치환된다. 따라서 이중나선이 고정되어 나누어지지 않는다. 암세포의 분열이 중단된 것이다. 이처럼 시스플라틴은 암세포에 결합해 증식을 억제하는 것이다.










시스플라틴의 작용





국내에서 제조한 최초의 신약인 ‘선플라(1999)’는 시스플라틴으로 만든 항암제이다. 이것은 암환자들에게 태양처럼 밝은 희망을 준다는 뜻으로 선은 태양을, 플라는 백금이라는 뜻이다.




글리벡
2000년대에 암세포만 공격하는 항암제인 글리벡, 택솔 등이 개발되면서 소아백혈병과 림프종, 고환암 과 같은 암은 완치에 가깝게 치료할 수 있다. 글리벡은 필라델피아 염색체라는 비정상적인 염색체를 가진 백혈병 암세포에만 선택적으로 작용한다. 이 백혈병은 유전자의 9번과 22번 염색체가 서로 교차되어 있는 염색체 이상을 보인다. 이로 인해 단백질-타이로신 인산화 효소가 계속 만들어져 백혈구가 증식하는 백혈병에 걸린다. 글리벡은 이 효소의 작용을 중지시켜 백혈병을 치료한다.




팔라듐과 택솔
1992년, ‘침묵의 암’이라는 자궁암 치료제로 택솔이 개발되었다. 택솔은 태평양주목의 껍질에서 추출했지만, 한 사람을 치료하려면 수령이 100년 넘는 주목 세 그루가 필요했다. 뿐만 아니라 환경론자들의 반대에 부딪혔다. 미국 북서부에 자생하는 태평양주목은 올빼미들의 주요 서식처였던 것이다. 어떻게 할 것인가? 방법은 단 하나, 택솔을 합성하는 것이었다. 먼저 택솔의 구조가 결정되었다. 그리고 블록을 조립하듯이 간단한 분자에서 택솔을 합성하기 시작했다. 여기서 팔라듐 촉매는 특정한 위치에만 새로운 탄소-탄소 결합을 만드는 결정적인 방법을 제공함으로서 택솔의 합성에 크게 기여했던 것이다. 이 반응을 개발한 헤크(1931~), 에이이치(1935~), 아키라(1930~)는 2010년 노벨상을 수상하였다.










주목나무










택솔의 화학구조 / 위키백과(www.wikipedia.org) (CC) Itineranttrader





1802년, 울러스턴은 백금을 왕수에 녹인 후 산을 증발시키고, 시안화수은 용액을 첨가해서 얻은 침전을 가열하던 중 새로운 금속을 발견하였다. 이것은 같은 해 발견된 소행성 팔라스에서 팔라듐으로 명명되었다.




항암제와 머리카락?
항암제로 암을 치료하는 환자들은 대부분 탈모의 부작용을 겪는다. 그 이유는 무엇일까? 항암제는 계속 분열하는 세포를 암세포로 간주하고 공격한다. 따라서 이러한 기능은 암세포뿐만 아니라 계속 분열하는 정상 세포까지도 공격하게 되는 것이다. 머리카락도 역시 계속 자라기 때문에 항암제의 공격에 의해 탈모를 일으키게 된다.




주제!
물질 ,원소
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