재료붕이의 자연과학 도전기
재료붕이의 Heterogeneous Kinetics(1): Adsorption(1) 본문
촉매반응에 대해 공부를 해보자.
재료붕이들 하위~!!
갑작스럽게 촉매반응에 대해서 포스팅을 해볼까 해,
요즘엔 정말 바빠서, 얼마나 쓸 수 있을지 모르겠지만 ㅎㅎ 시간이 나는 대로 써보려고 해. 같이 공부하자!
촉매반응에 대해 적자면 아주아주아주 쓸 말이 많지만
오늘은 그 중에서도 아주 기본인 Adsorption에 대해 알아보자!
촉매반응은 크게보면 세단계로 나눌 수 있어!
1. 붙는다.
2. 반응한다.
3. 떨어진다.
이 세 단계는 대체로 모든 촉매반응에서 공통되는 특징이야!
디테일에 대해서는 이런저런 할 말이 너무너무많지만 일단은 Adsorption만 생각을 해보자! ㅎㅎ
Adsorption
간단히 얘기하면, 촉매에 반응물이 뙇!하고 붙는거야!
아래 그림을 보면 바로 이해가 될거야!
짜잘한 숫자들은 무시해, 논문 내용 자체는 지금 중요하지 않으니까 ㅎㅎ
촉매반응이 일어나려면 이렇게 촉매 표면에 반응물이 붙어야해
그러면 이런 adsorption이 왜 일어나는지, 어떤 원리인지 알아보자!
Adsorption은 크게 두 종류로 나눌 수 있어!
여기서 adsorbate는 촉매에 '붙는 물질'이라는 뜻이야.
1. Physisorption ===> 촉매와 adsorbate간의 Van der Waals 힘에 따른 adsorption
2. Chemisorption ===> 촉매와 adsorbate의 화학 결합에 따른 adsorption
Physisorption부터 얘기를 해보자.
Physisorption
모든 촉매, 반응물, 생성물들은 기본적으로 원자로 이루어져 있으니까 전자를 가져. 이건 중학교 물리나 화학시간에도 배울 수 있는거지?
물리시간에 배우려나?
@========뻘글===========
갑자기 옛날 생각이 나네 ㅋㅋ
내가 중학교 때 이런저런 밴드 활동을 하느라 수업을 가끔 빼먹었거든
학교 밴드부였으니까 합법적으로 말이지 ㅎㅎ
근데, 물리시험을 보는데 내가 모르는 단어가 나오는거야 '전하'라고 하는 단어였어 ㅋㅋㅋ
아니 전하라니 ㅋㅋㅋ 사극도 아니고 이게 머냐구ㅋㅋㅋ
그래서 물리선생님이 오실 때 까지 기다렸다가, 선생님이 오셨을 때
'선생님, 오타가 난 것 같습니다. 요 문제에 이거, 전자 아닙니까?' 하고 당당하게 말했고
선생님은 한숨을 푹 쉬시더니 '이녀석아 그건 오타가 아니다.' 라고 말을 하셨어.
알고보니 내가 수업을 빠졌을 때 진도가 나간 부분이었더라고 ㅋㅋ
진짜 무서운 선생님이었는데 겁도 없었지 ㅋㅋ
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기본적으로 원자 주위에 전자가 있다는걸 중학교(?) 또는 고등학교에서 배우지?
그런데 이 전자가 아주 멈춰있는게 아니라서, 주위 상황에 따라 한쪽으로 치우치기도 해.
그렇게되면 이 치우친 전자 때문에, 전자가 치우친 쪽으로는 (-) 부분전하가, 반대쪽으로는 (+)부분전하가 띄어지겠지
여기까진 쉽게 이해가 되지?
이런 상황에서 다른 원자 하나가 부분전하를 띄고있는 원자 옆에 있다고 생각해보자.
얘도 전자를 가지고있는데, 이 전자가 주위 상황 떄문에 한쪽으로 치우쳐지는거야.
위에서는 어떤 주위 상황인지 얘기하지 않았지만, 이번엔 설명할 수 있어.
왜냐면 옆의 공간에 전하가 분포해있거든!
(+)전하가 옆에 있다면 전자가 그쪽으로 치우칠거구, vice versa하겠지!
이렇게 생긴 dipole moment를 induced dipole 이라고 해
그리고 이런 dipole moment에 의한 전기적인 힘을 Van der Waals force라고 해. (이제 vdw라고 줄여서 할게)
아무튼, Physisorption은 이 vdw힘에 의해 생기는 adsorption이야.
그러니까, 분자 안에서 전자가 크게 바뀌거나 하는건 아니고,
촉매 표면에 다른 분자가 와서 잠깐 기대있는 정도..? 벽에 손짚고 서있는 정도..?
여기서 핵심 개념 나간다!
adsorption energy라는 개념이야.
자 너희들 그냥 서있는것 보다, 위에서 말한 것 처럼 잠깐 기대이거나, 벽에 손을 짚고있으면 좀 더 편하지?
좀 더 몸을 가누는데 에너지가 덜들잖아 ㅎㅎ
우리가 다루는 system(표면-분자)도, 분자가 표면에 붙으면 에너지가 작아져.
사실 꼭 작아지는건 아니고... 커질수도 있긴 한데...
안작아지면 잘 안붙겠지 ㅋㅋㅋ 불편한데 왜 붙겠어? ㅎㅎ
(안붙는 계도 많아!)
암튼 작아진다고 하자고. 여기서는!
그래서, (surface와 adsorbate가 붙어있는 상태의 에너지) - [(surface 달랑 있을 때의 에너지) + (adsorbate 달랑 있을 때의 에너지)] 를 정의하기를 adsorption energy라고 해
쉽게 생각하면, adsorption energy가 많이 작으면, system 에너지가 많이 작아지는구나! 많이 편해지는구나! 생각하면 돼!
물체끼리 직접 결합하거나 하는게 아니기 때문에, system의 에너지가 많이 작아지지는 않아.
adsorption energy는 대체로 -0.1eV정도? 된다고 해
Chemisorption
마찬가지로 모든 촉매, 반응물, 생성물들은 전자를 가져.
이번엔 다른 얘기를 해보자
이 전자라는게 아주 재밌는 녀석이어서, 입자이면서 동시에 파동이기도 해.
좀 더 들어가면 운동량을 갖는 모든 물질을 파동으로 생각하는 아주 재밌는 아이디어도 있는데,
지금 다룰건 아닌 것 같으니까 다음에 해보자 ㅎㅎ
자, 전자가 wave라고 했지?
이 wave가 분자 주위에서 어떤 모양을 가져! 동그란 모양이기도 하고, 아령모양이기도 하고. 우린 이걸 orbital이라고 하지 ㅎㅎ. 진짜 이상한 모양도 많아, 수학적으로 풀면 해가 그렇게 나온다는데 그게 대체로 맞는것도 참 신기해.
아무튼, chemisorption은 촉매에 있는 전자랑 adsorbate에 있는 전자랑 화학결합을 하는거야!
그니까, 이 전자라는 놈들 끼리 overlap이 되면서 전자의 모양도 바뀌고 에너지도 좀 바뀌고 응? 그런거지 ㅎㅎ
아까 Physisorption은 전자끼리 약하게 상호작용 하는거라고 했잖아, 여긴 달라! 강해!
그래서 에너지도 많이 작아져 ㅎㅎ
아까는 잠깐 기대있는다면, 여긴 푹 안겨있는 느낌이랄까
심리적 안정감이 엄청나겠지?
adsorption energy의 절댓값은 위에서와 달리 대체로 좀 크고, 화학결합 모양이나 에너지에 따라 크기도 천차만별이야.
기체 수소분자의 경우 Cu(111)위에서 -2.6eV정도 갖는다고 해
글을 쓰다보니까 생각보다 엄청 길어지네,
Associative, dissociative같은 할말도 많은데 나중에 시간이 있을떄 돌아와서 글을 마무리하도록 할게 ㅎㅎ 그럼 20000!