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악티늄족 추출
또다른 추출 방법으로는, 온도가 140°C일 때 농도가 45%인 수산화나트륨 용액에서 분해된다. 금속 수산화물이 먼저 추출되며, 80°C에서 걸러진다. 물에 씻겨지고 농축된 염산에 담그면 용해된다. 다음으로, 산성 용액은 수산화물과 만나면 중화되는데, (pH = 5.8) 이 결과물이 수산화토륨 침전물이다. (Th(OH)4) 이 물질은 ~3%의 수산화물 희토류와 섞여 있다. 대부분의 수산화물 희토류는 용액에 남아있다. 수산화토륨은 무기물 산에 용해되고 이 과정에서 희토류 원소와 분리된다. 효율적인 방법은 수산화토륨을 질산에 담가 용해시키는 방법이다. 왜냐하면 결과로 나온 수용액이 유기용제와 추출을 이용해서 정제할 수 있기 때문이다.
Th(OH)4 + 4 HNO3 → Th(NO3)4 + 4 H2O
금속 토륨은 무수 산화물에서 분리되며, 염화물 또는 플루오린화물은 비활성 기체 속에서 칼슘에 반응한다.
ThO2 + 2 Ca → 2 CaO + Th
악티늄족 추출
가끔 토륨은 전기분해로 추출될 때가 있는데, 그 방법은 염화나트륨과 염화칼슘, 그리고 플루오린화토륨을 넣고 700–800°C의 온도인 흑연 도가니에서 전기분해하면 추출되기도 한다. 매우 순수한 토륨은 아이오딘화토륨에서 결정바 공정을 이용해서 추출할 수 있다.
우라늄은 우라늄 광석에서 여러 가지 방법으로 추출할 수 있는데, 그 중 한가지 방법은 광석을 용해시키고 용해가 된 광석을 질산과 반응시켜 우라늄을 획득하는 것이다. 등유같은 유기적 물질로 모습이 변할 때는 인산트리부틸(TBP)으로 처리한다. (UO2(NO3)2(TBP)2) 여기에 NH4나 (2U2O7) 과산화수소와 반응시키면 (UO4·2H2O) 용해되지 않은 불순물들이 걸러지고 우라늄이 추출된다.
악티늄족 추출
여러 원소를 포함하고 있는 돌로마이트나 마그네사이트 등의 우라늄 광석일 경우, 산성 물질을 더 많이 필요로 한다. 이 경우에는, 탄산염을 이용한 방법이 우라늄 추출에 주로 쓰인다. 이 방법의 가장 중요한 요소는 탄산나트륨의 수용액인데, 이것은 우라늄을 복합적인 [UO2(CO3)3]4−로 전환시킨다. 이것은 수산화 이온이 적은 수용액 중 안정적인 수용액에 속한다. 탄산나트륨을 이용한 방법의 장점은 화합물의 부식성이 낮고(질산염과 비교했을 때) 가장 좋은 점인 수용액에서 우라늄이 아닌 광석을 침전시킨다는 것이다. 단점은 4가의 우라늄 화합물이 침전이 잘 된다는 것이다. 그러므로, 우라늄 광석은 높은 온도와 낮은 산소 압력일 때에는 탄산나트륨으로 처리하는 것이 효과적이다.
2 UO2 + O2 + 6 CO2−3 → 2 [UO2(CO3)3]4−
이 화학식은 용해 방법 중 가장 좋은 방법인 탄산우라늄 공정 과정에서 탄산염과 중탄산염의 혼합물을 넣는 이유를 설명한다. pH가 높을 때에는, 중우라늄산염의 침전물이 나타난다. 이것은 니켈이 들어있는 물에 녹지 않는 사우라늄산염의 탄성 한도를 이용하여 수소로 처리할 수 있다.(마지막 문장 오역 가능성 있음)
악티늄족 추출
또다른 분리 방법은 고분자전해질의 고분자 수지를 사용하는 것이다. 합성 수지에서의 이온 교환 과정이 우라늄을 분리하는 것이다. 합성 수지에서의 우라늄은 질산암모늄이나 질산 용액으로 (질산우라닐을 획득하고) 정제할 수 있다. (UO2(NO3)2·6H2O) UO2과 수소가 함께 존재한 채로 가열되었을 때, UO3으로 바뀐다.
UO3 + H2 → UO2 + H2O
마그네슘 금속과 우라늄 금속의 반응 후 수득률에 의거할 때, 플루오린산과 이산화우라늄이 만났을 때 반응하여 사플루오린화우라늄이 만들어진다.
4 HF + UO2 → UF4 + 2 H2O
플루토늄을 추출할 때는, 중성자를 조사한 우라늄을 질산에 용해시키고, 시제(試劑)(FeSO4이나, H2O2)를 소모하여 결과적으로 나오는 용액을 증가시킨다. 우라늄이 질산우라닐의 형태로 남아있을 때에는, 플루토늄의 산화 상태를 +6부터 +4까지 바꾼다(UO2(NO3)2). 용액은 시제를 소모하고 난 후 탄산암모늄으로 pH 8까지 중화시켜서 Pu4+ 화합물의 침전물을 생성할 수 있다.
또다른 방법으로는, Pu4+과UO2+2는 인산트리부틸로 추출할 수 있으며, 추출한 후 하이드라진과 반응시켜서 정제된 플루토늄을 얻을 수 있다.
악티늄의 분리 방법 중 가장 많이 쓰이고 있는 분리 방법은 악티늄과 성질이 비슷한 란타넘과 비슷한 방법으로 분리한다. 또한 악티늄은 라듐 동위 원소와 핵반응을 일으켜 합성을 하거나 이온 교환 과정을 거쳐서 분리할 수도 있다.
악티늄족 성질
악티늄족은 란타넘족과 비슷한 성질을 갖고 있다. 6d와 7s 전자껍질은 악티늄과 토륨이 존재하고, 5f 껍질은 악티늄과 토륨보다 더 큰 수의 악티늄족에 존재한다. 4f 껍질은 란타넘족에 존재한다. 악티늄족이 5f전자라는 것을 이용한 첫 실험이 1940년 맥밀런과 아벨슨이 한 실험이다. 란타넘족과 악티늄족의 이온 반지름이 원자 번호와 함께 지속적으로 감소한다(쌓음 원리를 참조하자).
악티늄족 성질
악티늄족은 전형적인 금속이다. 모든 광물이 부드럽고 은빛을 띈다.(그러나 공기 중에서는 변색된다) 각각 큰 밀도와 가소성이 존재한다. 일부는 칼로 자를 수도 있다. 비저항은 15에서 150 사이의 µOhm·cm이다. 토륨의 경도는 마치 부드러운 강철과 비슷하다. 강하게 가열된 순수한 토륨은 종이처럼 굴릴 수 있거나 철사로 만들 수도 있다. 토륨은 밀도가 우라늄과 플루토늄의 절반 정도 된다. 그러나 우라늄과 플루토늄보다 단단하다. 모든 악티늄족은 방사성 원소이며, 상자성을 띄고, 이례적인 경우에는, 여러 결정질 상을 가지고 있다. 플루토늄은 7개, 그리고 우라늄, 넵투늄 그리고 캘리포늄은 3개이다. 프로탁티늄, 우라늄, 넵투늄, 그리고 플루토늄의 결정 구조는 란타넘족과 비슷하게 깨끗하지 않은 상사형이고 3d의 형태를 가지고 있어 전이 금속과 비슷하다.
악티늄족 성질
모든 악티늄족은 자연 발화하며(특히 완전히 분열되었을 때), 공기와 접촉할 시 자연적으로 불이 붙는다. 악티늄족의 녹는점은 f-전자의 숫자의 상관성이 잘 보이지 않는다. 드물게 낮은 녹는점을 가진 넵투늄과 플루토늄은 (~640 °C) 5f와 6d의 궤도 함수와 방향성 결합의 위치에 의한 혼성(混成)에 의해 낮은 녹는점이 나온다고 설명되었다.
란타넘족과 같이, 모든 악티늄족은 할로겐과 칼코겐에 큰 화학적 반응을 보인다. 그러나, 악티늄족이 좀 더 강하게 나타난다. 악티늄족은 적은 수의 5f-전자껍질을 가진 족으로, 혼성되기 쉽다. 이것은 7s, 6d 전자껍질과, 5f의 전자 에너지와 유사성을 가지고 있는 것을 설명하는 것이다. 대부분의 악티늄족들이 원자가 형태에서 더 큰 다양성을 보인다. 그리고 그 중 가장 안정한 것은, 우라늄 +6가, 프로탁티늄과 넵투늄 +5가, 토륨과 플루토늄 +4가, 그리고 악티늄 외의 원소 +3가가 있다.
악티늄족 성질
화학적으로, 악티늄은 란타넘과 비슷한 성질을 띈다. 이것은 비슷한 크기의 이온 반지름과 전자 구조로 알 수 있다. 란타넘과 같이, 악티늄도 +3까지의 산화 상태를 가지고 있다. 그러나 악티늄은 반응이 덜하고 더욱 확연한 염기성을 가지고 있다. 악티늄족의 3+ 산화 상태 중 가장 산성이 적은 것은 Ac3+이다. 가수분해가 약한 성질을 가지고 있다.
토륨은 화학적으로 볼 때 더욱 반응적이다. 그로 인해 6d와 5f 껍질에서의 전자가 부족한 편이며, 4+ 이상의 토륨 화합물은 무색을 띈다. pH가 3보다 낮을 때, 염기성 토륨 용액은 양이온의 성질이 가장 크게 나타난다([Th(H2O)8]4+). Th4+ 이온은 비교적 큰 편이며, 배위수에 따라 0.95부터 1.14 Å 사이의 반지름을 가진다. 결과적으로, 염기성 토륨은 약한 가수분해 성질을 가지고 있다. 염기성 토륨의 독특한 성질은 물 뿐만이 아닌 액체에서의 가용성이 크다는 것이지만, 유기적 극성 용액의 성질도 가진다.
악티늄족 성질
프로트악티늄은 2+ 이상의 성질을 보인다. +5 화합물이 가장 안정적이며, 프로트악티늄(V)의 +4 화합물은 쉽게 산화된다. 그러므로 용액에서의 +4 프로트악티늄은 수소 대기에서 강한 환원제에 의해 얻을 수 있다. +4 프로트악티늄은 화학적으로 우라늄(IV)과 토륨(IV)과 비슷한 성질을 가진다. 프로트악티늄(IV)의 플루오린산염, 인산염, 차인산염, 아이오딘산염 그리고 페닐아르손산염은 불용성이고 산을 중화시킨다. 프로트악티늄은 가용성이 있는 탄산염의 형태로 변한다. 5+의 성질을 가지고 있는 프로트악티늄의 가수분해성 성질은 탄탈럼(V)과 나이오븀(V)과 비슷하다. 프로트악티늄의 복합적 성질은 프로트악티늄의 5f 껍질을 채우는 결과가 나온다.
악티늄족 성질
우라늄은 3+에서 6+까지의 성질을 보인다. 이 중에서는 6+이 제일 안정하다. 6+의 상태에서, 우라늄은 6족 원소와 비슷한 성질을 가진다. 많은 양의 우라늄(IV)과 우라늄(VI)의 화합물은 비화학적 화합물이다. 특징 중 하나는, 다양한 구조를 가지고 있다. 예시로, 사실상으로 이산화우라늄의 화학식은 UO2+x이다. 상황에 따라 'x'가 −0.4와 0.32로 달라진다. 우라늄(VI) 화합물은 약한 산화제의 반응을 가진다. 대부분의 화합물은 선형 우라닐족을 포함하고 있다. (UO2+2). 4에서 6 사이의 리간드는 우라닐족을 수직 적도면에 수용할 수 있다. 우라닐족은 산소-전자 주개와 질소-전자 주개와 함께 굳은 산의 역할을 하며 강하고 복합적인 모습을 한다. NpO2+2과 PuO2+2 역시 넵투늄과 플루토늄의 6+ 상태이다. 우라늄(IV) 화합물은 환원적인 성질을 보이며, 특징 중 하나는, 대기 중의 산소에 의해 잘 산화된다는 것이다. 우라늄(III)은 매우 강한 환원물이다. 그래서 d-껍질로 존재하고, 우라늄 (또한 많은 악티늄족)은 유기 금속 화합물이다. 대표적으로 UIII(C5H5)3과 UIV(C5H5)4이 존재한다.
악티늄족 성질
넵투늄은 3+에서 7+의 성질을 보인다. 이것은 동시에 용액에서 관찰할 수 있다. 용액에서 가장 안정한 성질은 +5이다. 하지만 고체 넵투늄 화합물에서는 +4 성질이 가장 안정하다. 넵투늄 금속은 매우 반응이 크다. 넵투늄의 이온은 가수분해하기 쉽고 배위 화합물을 형성한다.
플루토늄 역시 원자가에서 3+에서 7+ 상태가 존재하며, 그러므로 우라늄과 넵투늄과 화학적으로 비슷한 성질을 띄고 있다. 이것은 매우 반응적이며, 대기에서 산화 피막을 만든다. 플루토늄은 25–50°C까지 떨어진 온도에서 수소와 반응한다. 또한 이것은 할로겐화물과 금속간화합물의 형태도 띈다. 다른 산화 상태의 플루토늄 이온의 가수분해 반응은 상당히 다양하다. 플루토늄(V)은 중합 반응을 일으킬 수 있다.
악티늄족의 화합물 중 가장 다양한 것은 아메리슘이다. 이것은 2+에서 6+까지의 성질을 가진다. 2+의 아메리슘은 오직 건조한 화합물과 비수용액에서 얻을 수 있다.(아세토나이트릴) 산화 상태가 +3, +5 그리고 +6인 것은 전형적인 수용액에서 발견되지만, 고체 상태에도 들어있다. 4+의 아메리슘은 복합적인 수용액 또는 안정적인 고체 화합물의 형태를 가진다 (이산화, 플루오린화 그리고 수산화). 알칼리성 아메리슘은 6+의 산화 상태로 산화할 수 있다고 보고되었지만, 이 자료들은 잘못되었다고 입증되었다. 수용액에서의 아메리슘의 가장 안전한 원자가는 3+이고, 고체 화합물에서는 3+ 또는 4+이다.
로렌슘까지의 원소 (예외적으로 노벨륨)는 3+이 가장 안정하다. 퀴륨은 고체 화합물로 4+가 가능하고(플루오린화, 이산화), 버클륨은, 3+의 성질을 따라가지만, 4+의 성질도 보인다. 3+의 성질이 안정하지만, 고체 플루오린화물, 고체 이산화물에서는 4+의 성질도 보인다. 수용액에서의 Bk4+의 안정성은 Ce4+의 성질과 비슷하다. 캘리포늄, 아인슈타이늄, 페르뮴에서는 오직 3+의 성질만 발견되었다. 2+의 성질은 멘델레븀과 노벨륨에서 발견되었으며, 노벨륨은 2+의 성질이 3+의 성질보다 더 안정하다는 것이 입증되었다. 로렌슘에서는 수용액, 고체 화합물 둘 다 3+의 성질이 가장 안정하다는 것을 보여주었다.
우라늄부터 아메리슘까지의 An4+ 이온의 환원 능력을 더 늘리기 위해 쓰이는 산화 환원 전위는 () 우라늄에서는 -0.32 V부터 0.34 V(넵투늄) 그리고 1.04 V (플루토늄)을 거쳐 1.34 V (아메리슘)까지 늘어난다. 모든 악티늄족 이온은 검은색의 염기성을 띄는 AnH3 수소화물의 형태이다. 또한 악티늄족은 탄화물도 만들어낸다. 탄화물을 만들어내는 일반적인 방식은 AnC 또는 AnC2 (우라늄일때는 U2C3)이 가능하다. 황화물 역시 An2S3과 AnS2로 만들어낼 수 있다.
악티늄족 화합물
An – 악티늄족 **동위원소에 따라서 결정된다.
어떤 악티늄족들은 An2O3, AnO2, An2O5 and AnO3처럼 산화 형태로 존재할 수 있다. 모든 악티늄족, 그리고 악티늄족의 산화물(AnO3)은 양쪽성을 가지고 있고, An2O3, AnO2 그리고 An2O5는 염기성을 나타낸다. 염기성을 나타내는 악티늄족의 산화물은 물에 큰 반응을 한다.
An2O3 + 3 H2O → 2 An(OH)3
이 염기성 물질은 물속에서 잘 녹지 않고, 이 물질들의 활동은 희토류 원소의 수산화물과 비슷하다. 가장 강한 염기성을 나타내는 화합물의 원소는 악티늄이다. 악티늄의 모든 화합물의 색은 무색이지만, 황화 악티늄은 검은색으로 예외다 (Ac2S3). 4+ 이산화 악티늄족의 결정 형태는 입방정계이며, 플루오린화 칼슘과 같다.
토륨이 산화할 때는 오직 이산화 형태로만 산화가 가능하다.
악티늄족 화합물
이산화토륨은 산화된 화합물 중에서 가장 높은 녹는점을 가진 내화 금속이다(3390 °C). 텅스텐에 0.8–1%의 ThO2을 넣으면 텅스텐의 구조가 안정되며, 그로 인해 필라멘트의 역학적 안정성이 더 나아져 진동에도 더 잘 버틸 수 있게 된다. ThO2를 산성 물질로 용해시킬 때, 온도가 500–600 °C까지 올라간다. 600 °C 이상까지 가열하면 ThO2의 다른 형태를 생산하는데, 이것은 산성 물질에 매우 큰 저항을 일으킨다. 소량의 플루오린화 이온은 촉매 작용을 하여 이산화토륨이 산성 물질에 용해되게 한다.
프로트악티늄의 산화물은 2개가 발견되었다(PaO2 (흑색) 그리고 Pa2O5 (백색)). 전자는 ThO2와 동형이며, 후자는 획득하기 쉽다. 전자와 후자 모두 염기성이며, Pa(OH)5는 약한 가용성을 가진 염기물이다.
악티늄족 화합물
우라늄을 특정 염기물로 분해할 때(예시로 UO2(NO3)·6H2O로 공기 중에서 400 °C로 분해하였을 때), 주황색이나 황색인 UO3을 만든다. 이 산화물은 양쪽성을 가지고 있고 여러 수산화물의 형태를 하고 있으며, UO2(OH)2형태일 때 가장 안정하다.
우라늄(VI) 산화물과 수소의 반응은 이산화우라늄을 만들고, 이것은 ThO2와 성질이 비슷하다. 이 산화물은 또한 염기성 물질이고 수산화우라늄(U(OH)4)과 일치한다.
플루토늄, 넵투늄, 아메리슘은 각각 두 개의 염기성 산화물의 형태로 변한다. (An2O3와 AnO2). 삼산화넵투늄은 불안정하다. 그러므로, 현재로써는 오직 Np3O8만 획득할 수 있는 것이다. 그러나, 화학식이 AnO2와 An2O3인 넵투늄과 플루토늄의 산화물은 특징이 잘 나타난다.
*An – 악티늄족 **동위원소에 따라서 표기함.
악티늄족 화합물
악티늄족은 염과 할로겐과 큰 반응을 일으킨다. 공식은 MX3과 MX4 (X = 할로겐)이다. 첫 버클륨 화합물은, BkCl3이다. 이 물질은 1962년에 3나노그램 정도 합성되었다. 희토류 원소의 할로겐 화합물 같은 것으로는, 악티늄족 염화물, 브로민화물, 그리고 아이오딘화물은 수용성이고, 플루오린화물은 비수용성이다. 우라늄은 주로 육플루오린화를 하는데, 56.5 °C가 되면 승화를 한다. 이 물질의 휘발성은, 기체 원심 분리기 또는 가스확산법으로 우라늄 동위원소로 분리할 수 있다. 육플루오린화 악티늄족은 무수물의 성질을 가지고 있다. 그것들은 수분에 매우 민감하며 가수분해를 한다.(AnO2F2) 오염화우라늄과 흑색 육염화우라늄은 인공 합성했지만, 둘 다 불안정하다.
산성에서의 악티늄족은 염을 생성하고, 만약 산성 물질이 산화되지 않는다면 악티늄족 염은 낮은 원자가 상태를 가진다:
U + 2 H2SO4 → U (SO4)2 + 2 H2
2 Pu + 6 HCl → 2 PuCl3 + 3 H2
그러나, 이 반응에서는 무한한 수소가 있으면 금속에 반응을 하고 수소화물의 형태를 하게 된다. 우라늄은 토륨보다 산과 물에 더 잘 반응한다.
악티늄족 화합물
악티늄족 염은 수산화물을 산으로 용해하는 과정에서도 얻을 수 있다. 악티늄족의 질산염, 염화물, 황산염 그리고 과염소산염은 가용성이 있다. 수용액에서 결정을 만들 때, 악티늄족 염은 수소화물의 형태를 한다(Th(NO3)4·6H2O Th(SO4)2·9H2O 그리고 Pu2(SO4)3·7H2O). 높은 원자가를 지닌 악티늄족 염들은 쉽게 가수분해된다. 그래서, 토륨의 무색 황산염, 염화물, 과염소산염 그리고 질산염은 Th(OH)2SO4 and Th(OH)3NO3의 화학식을 가진 염기성 염으로 형태를 바꾼다. 악티늄족의 3+와 4+의 가용성과 불용성은 란타넘족 염과 비슷하다. 그래서 악티늄족의 인산염, 플루오린화염, 옥살산염, 아인오딘화염 그리고 탄산염은 물에 약한 가용성을 가진다; 악티늄족 염은 수소화물 같은 침전물이 생긴다. (ThF4·3H2O 그리고 Th(CrO4)2·3H2O)
(AnO22+-의 양이온을 제외하고)산화 상태가 6+인 악티늄족은, [AnO4]2−와 [An2O7]2− 그리고 다른 복합적 음이온의 형태를 한다. 예시적으로, 우라늄, 넵투늄 그리고 플루토늄은 form salts of the Na2UO4 (우라늄산염) 그리고 (NH4)2U2O7 (중우라늄산염) 종류의 형태의 염을 가진다. 란타넘족과 비교하면, 악티늄족이 더 쉽게 배위 화합물의 형태를 가지고, 이 능력은 악티늄족의 원자가를 늘린다. 3+의 악티늄족은 플루오린화 배위 화합물의 형태를 가지지 않는 반면, 4+의 토륨은 복잡한 K2ThF6, KThF5, 그리고 K5ThF9의 형태를 한다. 또한 토륨은 황산염과 (예시로 Na2SO4·Th (SO4)2·5H2O), 질산염 그리고 티오시안산염의 형태도 가진다. 토륨의 배위수가 12일 때 일반적인 화학식이 An2Th(NO3)6·nH2O인 염은 배위 화합물로 존재한다. 이것은 악티늄족의 5+와 6+의 복합적 화합물 염보다 더욱 생산하기 쉽다. 악티늄족에서 가장 안정한 배위 화합물은 반응로에서 디케톤과 반응하여 만들어지는 토륨 5+와 우라늄 5+이다. 또한, 아세틸아세톤과도 합성하여 생산이 가능하다.
악티늄족 적용
악티늄족이 일상생활에 적용되는 예로는, 연기 감지기 (아메리슘), 그리고 가스 맨틀 (토륨)이 있다. 또 악티늄족은 주로 핵 무기나 핵 반응기에서 연료로 쓰인다. 앞에서 말한 연기 감지기와 가스 맨틀은 악티늄족이 스스로 핵연쇄 반응을 한다는 전제 하에 악티늄족이 핵반응을 하면서 막대한 에너지를 방출하는 것을 활용한 대표적인 예이다.
원자력 발전에 가장 필요하면서 가장 중요한 것은 바로 우라늄-235이다. 이것은 열중성자로에도 쓰이며, 우라늄-235는 자연적으로는 0.72%밖에 존재하지 않는다. 이 동위원소는 많은 에너지를 배출하면서 강한 힘으로 열중성자를 흡수한다. 1g의 우라늄-235가 한 번 핵분열을 했을 시의 에너지는 1일에 1MW(메가와트)로 변환된다. 중요한 것은, 235U은 235U가 흡수한 중성자보다 더 많은 양의 중성자를 발사한다는 것이다. 임계 질량에 도달하면, 235U는 스스로 핵연쇄 반응을 하게 된다. 일반적으로, 2-3개의 중성자와 함께 우라늄의 핵은 두 조각으로 나뉜다. 예시적으로:
악티늄족 적용
우라늄-235 말고도 원자력 발전에 많이 쓰이는 것은 토륨-232와 토륨 연료 사이클에서 나온 결과물인, 우라늄-233이 많이 쓰인다.
우라늄의 핵분열 반응 중 중성자 배출은 핵연쇄 반응에서만 중요한 것은 아니다. 중성자 배출은 더 무거운 악티늄족을 만드는 데도 중요한 역할을 한다. 우라늄-239는 β-붕괴를 거치면서 플루토늄-239로 변환된다. 우라늄-235와 같이 자발 핵분열을 할 수 있다. 세계에서 처음 만들어진 핵 반응로는 원자력 에너지를 위해서 만들어진 것이 아닌, 사실은 핵무기에 사용할 플루토늄-239를 만들기 위해서 만들어졌다.
전체 생산된 토륨의 절반은 발광하는 성질을 이용하여 가스 맨틀로 쓰인다. 토륨은 또한 여러 가지 금속이 섞인 합금을 만들 수도 있다. 합금은 마그네슘과 아연으로 만들 수 있다. Mg-Th 합금은 가볍고 단단하지만, 높은 녹는점과 유연성으로 인해 항공 산업과 미사일에 폭넓게 쓰이고 있다. 또한 토륨은 긴 평균 수명과 방출에 좋은 낮은 전위 장벽, 그리고 강한 전자 방출 성질을 가지고 있다. 토륨과 우라늄의 동위 원소들은 항성을 포함하여 과거의 시간대를 추측하는데 다양하게 쓰이고 있다. (연대 측정법을 참조하기)
악티늄족 적용
플루토늄은 대표적으로 핵 무기에 쓰인다. 이것은 플루토늄-239 동위 원소가 핵분열할 때까지의 짧은 시간과 핵분열의 위력을 이용한 것이다. 플루토늄을 기반으로 한 설계는 우라늄-235의 임계 질량을 ⅓로 줄일 수 있다. 맨해튼 계획 중에 평소보다 상당히 높은 밀도로 압축한 플루토늄의 폭발을 이용하기 위해 "팻 맨"과 같은 여러 플루토늄 폭탄이 만들어졌다. 이것은 반응을 시작하기 위함과 효율성을 높이기 위해 중앙 중성자 원과 조합되어 있다. 그러므로 TNT 기준 20킬로톤의 수율 핵실험을 하기 위해서는 오직 6.2kg의 플루토늄만 있으면 가능하다. (핵무기 설계를 참조하자.) 가설에 따르면, 적어도 4kg의 플루토늄만 있어도 핵무기를 만들 수 있는데, 이 양으로는 매우 복잡한 설계와 조립을 거친 하나의 폭탄을 만들 수도 있다.
악티늄족 적용
플루토늄-238은 어쩌면 핵반응로에서는 우라늄-235보다 더 효율적인 동위 원소가 될 수 있다. 왜냐하면 플루토늄-238은 우라늄-235보다 더욱 작은 임계 질량을 가지고 있지만 핵분열 연쇄 반응이 조종 막대에 의해 멈출 때까지 끊임없이 붕괴하여 많은 양의 열 에너지를 생산하기 때문이다.(0.56 W/g) 이것의 용도는 한정적인데, 왜냐하면 플루토늄-238의 높은 가격 때문이다.(1g당 약 1,100,000원) 이 동위 원소는 우주에서 인공 위성과 우주 정거장에서 열전퇴 기능과 물을 증류하는 기능에 쓰인다. 또한 갈릴레오와 아폴로 우주선 (예: 아폴로 14호)에서도 킬로그램 정도의 무게인 산화플루토늄-238로 히터를 작동시켰다; 또한 이 열은 열전퇴와 함께 전기로 바뀌기도 한다. 플루토늄-238의 붕괴에서는 거의 해롭지 않은 알파 입자를 방사하고, 감마선 조사를 동반하지 않는다. 그러므로, 이 동위 원소는(~160 mg) 원자력 심장페이스메이커의 에너지원에 사용된다. 원자력 심장페이스메이커에서의 에너지는 일반 배터리보다 5배 더 길다.
악티늄족 적용
악티늄-227은 중성자원에 사용된다. 이것의 높은 비에너지와(14.5 W/g) 열적으로 안정한 화합물의 상당량을 획득할 가능성은 오래 지속되는 열전 발전기를 원격 조정하기에 좋다.228Ac는 방사능을 화학적으로 연구할 때의 재료로 쓰이는데, 악티늄-228을 쓰는 이유는 이것이 높은 에너지를 가진 전자를(2.18MeV) 방사하고 이 전자가 쉽게 감지되기 때문이다. 228Ac-228Ra 혼합물은 산업과 약에서의 강렬한 감마선원에 폭넓게 사용된다.
내구성이 좋은 결정체를 가진 비활성 매질과 악티늄족을 첨가한 자체발광 금속의 발명은 악티늄족의 활용에서 새로운 방법으로 알려지고 있다. 알파 입자를 방사하는 방사성 핵종은 빛을 받는 일부 유리와 결정에 사용된다.(오역 있을 수 있음)
악티늄족 독성
방사성 물질은 인간의 건강에 피해를 주는데, 처음에는 전체적 피부 오염, 다음에는 방사성 동위원소가 흡수되어 체내 피폭이 일어나고, 마지막에는 β-입자와 γ-선에 의해 완전히 체외 피폭이 된다. 라듐과 초우라늄 원소와 함께 있을 경우, 악티늄은 특유의 α-선으로 인해 가장 위험한 방사성 독 중 하나다. 악티늄의 중요한 위험 요소는 해골 표면에 축적되고 잔류하여 뼈를 약하게 하는 것이다. 독의 시원기가 되면, 악티늄은 간에도 축적된다. 또다른 악티늄의 위험 요소는 악티늄이 배설되는 것보다 방사성 붕괴를 빨리 겪는다. 소화관에서 흡착되는 악티늄의 양은 라듐보다 훨씬 작다.(~0.05%)
프로트악티늄은 인체에서 콩팥과 뼈에 축적된다. 인체에서 프로트악티늄의 최대로 안정한 양은 0.03 µCi인데, 이것은 0.5μg의 231Pa에 해당하는 것이다. 에어로졸같이 대기 중에 존재하는 것으로 추정되는 이 동위원소는, 시안화수소(청산가리)의 2.5×10^8배의 독을 가지고 있다.
악티늄족 독성
음식이나 피(예: 상처 등) 또는 공기를 통하여 인체에 들어오는 플루토늄은, 주로 폐, 간 그리고 뼈에 축적된다. 그래서 다른 인체 기관에는 단지 10%만 축적된다. 플루토늄은 인체에 10년 이상 잔류한다. 체내에서의 플루토늄의 축적 시간이 긴 이유는 완전히 밝혀지지 않았지만, 플루토늄의 가용성이 매우 약해서 축적 시간이 긴 것으로 추측되고 있다. 플루토늄의 일부 동위 원소는 이온화된 α-선을 방출하는데, 이것이 주변의 세포들에 피해를 준다. 추측으로는 플루토늄의 평균 치사량은 (LD50)개에게 플루토늄이 들어있는 약물을 정맥에 주사하고 나서 30일이 지난 뒤 치사량을 확인해 보니 인체 1kg당 0.32mg인것으로 추측되었고, 70kg인 사람을 기준으로 치사량은 거의 22mg인것으로 추측되었다. (그러나, 호흡기가 플루토늄에 노출될 시 거의 4배 강력해진다.) 또다른 추측으로는 플루토늄은 라듐보다 50배 독이 약하다고 추측하였고, 그렇게 되면 체내에 허용되는 축적량은 5 µg 또는 0.3 µCi가 되는 것이다. 이 정도의 양은 현미경으로도 거의 보이지 않는다. 동물에게 실험하고 나서, 플루토늄의 최대 허용 수치는 0.65 µg 또는 0.04 µCi로 변경되었다. 또한 동물 실험은 플루토늄의 가장 위험한 노출 방법은 호흡기 노출이었다는 것이 밝혀졌는데, 호흡기에만 약 5-25%의 플루토늄이 호흡기에 남아있었다. 플루토늄 화합물이 잔류하는 양은 입자의 크기와 가용성에 따라 결정된다. 플루토늄은 폐나 림프계에 모이거나, 피에 흡수되어 간과 뼈로 이동하여 모인다. 음식을 통해서 흡수되는 경로는 많지 않은 경우다. 이때는 오직 0.05%의 가용성 플루토늄과 0.01%의 불용성 플루토늄만이 피에 흡수되고, 전체가 배설된다. 손상된 피부를 통해 플루토늄이 노출된 경우는 플루토늄의 거의 100%가 잔류한다.
악티늄족 독성
악티늄족을 핵 연료로 이용할 때는, 방사능원을 차단하거나 방사성 물질을 막을 수 있는 고급 광물(예로 들자면 큰 잠재적 이득이 있는 자체 발광 결정 등)을 사용해야 한다. 그러나, 악티늄족의 강한 방사능독으로 인해 자연에서의 이동과 악티늄족에 깊은 우려가 있기도 하다. 혼합산화물핵연료(MOX)에서 화학적으로 불안정한 형태를 가진 악티늄족의 사용과 방사능 원천을 차단하는 것으로는 현대 안전 기준에는 적절하지 않다. 현재 안정되고 내구성이 좋은 악티늄족과 관련된 물질을 제작하는 것에 도전하고 있다. 이것은 안전한 창고에 들어있어야 하고, 사용하고 나서 최종 처분할 수 있어야 한다. 악티늄족 고체 용액의 적용의 열쇠는 바로 내구성이 좋은 결정체의 상이다.
일반외과
일반외과(중국어: 一般外科)는 의학의 한 분야로, 넓은 의미로 수술을 시행하는 전문분야를 말한다. 현재에는 신경외과, 흉부외과, 정형외과, 성형외과, 산부인과, 비뇨기과, 이비인후과, 안과, 소아외과 등의 전문분야로 독립한 분야를 제외한 나머지 모든 분야를 말한다.
예전에는 "일반외과"로 불리던 분야가 "외과"로 개칭되어 현재에는 "외과"라고 말하면 소화기(상부위장관, 대장항문, 간담췌), 내분비(갑상선), 유방, 혈관, 이식, 외상, 소아 등을 다루는 전문분야를 말한다.
외과를 총괄하는 학술 단체로 대한외과학회가 있으며 분과 학회로 내분비외과학회, 위암학회, 간담췌학회, 대장항문학회, 유방암학회, 이식학회, 소아외과학회 등이 왕성한 활동을 하고 있다.
김소이 (1969년)
김소이(金素怡, 1969년 2월 23일 ~ )는 대한민국의 배우 겸 모델이다. 1988년 연극배우로 처음 데뷔하였고, 1991년 MBC 공채 20기 탤런트로 정식 데뷔하였다. 정형외과 의사(김태훈)와 2년간의 열애 끝에 1998년 결혼했으나 2006년 이혼했다.
미스코리아
미스코리아(Miss Korea)는 한국일보가 주최하고 1957년 제1회를 시작으로 대한민국에서 역사가 가장 오래된 미인 대회이다. 미스코리아 본선 선발은 우승자인 진(眞)은 1명, 2위인 선(善)은 2명, 미스코리아의 3위인 미(美)는 4명이 선발된다. 이렇게 선발된 본선 수상자는 미스 월드, 미스 유니버스 등 세계 미인대회에 대한민국을 대표하여 참가한다. 하지만 미스 월드는 2010년을 마지막으로, 미스 유니버스는 2015년을 마지막으로, 미스 인터내셔널과 미스 어스는 2024년을 마지막으로, 세계대회 참가권 재계약을 하지 않아 더 이상 참가하지 않는다.
2018년 글로벌 이앤비 (구 한국일보 이앤비)가 미스코리아를 인수했다.
미스코리아 역사
1930년대 이광수, 김동인과 함께 대중잡지 《삼천리(三千里)》를 발행하던 김동환은 경쟁지인 소파(小波) 방정환의 ‘별건곤’을 따라잡기 위해 지상 미인대회를 생각해냈다. 여성들의 상반신 사진을 응모 받아 최고 미인을 표지에 싣는 형태였다. 1949년에는 월간지 ‘신태양’이 ‘미스 대한’을 뽑았다. 응모자의 사진을 확대해 덕수궁 뜰에 진열해 놓고 일반인들에게 인기투표를 실시했다. 현재와 비슷한 형식의 미인대회는 1953년 중앙신문사 주최로 부산에서 본격적으로 개최됐고 1953년 대회 우승자는 강귀희였다.
1990년대 후반부터 제기된 성 상품화 및 외모지상주의에 대한 사회적 비판이 거세지면서, 2002년을 기점으로 미스코리아 대회는 지상파 방송에서 더 이상 중계되지 않게 되었다. 이로 인해 대회의 대중적 인지도는 점차 감소하게 되었다.
미스코리아 역사
2010년부터는 미스 월드 참가권을 계약하지 않았고 이어 2016년부터는 미스 유니버스에 참가권 역시 연장하지 않았다. 미스코리아의 역사가 깊은만큼 배출한 스타들이 이미 상당히 많고 한국 대중문화가 전세계적으로 인기를 끌고 있어 국제대회에 참가할 대한민국 대표를 뽑는 것보다는 자국 내의 엔터테이너를 선발하는 형식으로 탈바꿈 한 것으로 보여진다. 국제대회는 미스코리아 본선 수상자에 한해서 2024년까지 미스 인터내셔널과 미스 어스에 참가하고 있었지만 2025년부터는 참가권을 재계약하지 않았다.
2010년대 중후반부터 대중의 관심이 점차 감소하는 추세를 보였다.
미스코리아 사건
1993년 한국일보사 전 사업본부장 겸 상무 김중기가 4년동안 미스코리아 참가자 부모들과 미용실 업주들에게 거액의 돈을 받고 선발 과정에서 부정을 저지른 것이 밝혀졌다. 이로 인해 김중기와 미용실 업주 하종순, 박옥희가 구속되었다. 이 과정에서 뇌물 수수와 관련된 관련된 참가자 1990년 미스코리아 진 서정민과 1993년 미스코리아 엘칸토 윤수진, 자격조건 미달을 불법으로 서류를 위조해 참가한 1993년 미스코리아 선 허성수와 1993년 미스코리아 한국일보 이주미로 밝혀졌다. 허성수는 고등학교 중퇴라서 자격조건이 미달이었으나 허성수의 오빠인 허정훈이 졸업증서를 위조해 참가하게 했고, 이주미는 나이가 어려 자격조건이 미달이었지만 미용실 원장과 이주미의 어머니가 공모하여 미용실 종업원인 손수미의 주민등록증에 이주미의 사진을 붙여 참가서류를 위조했다. 당시 연예계에서 활동 중이던 서정민은 이 사건을 계기로 연예계에서 은퇴했다.
미스코리아 사건
1998년 미스코리아에 1차 통과자 15명 중 4명의 점수에 오류가 생겨 심사 결과를 반복하고 일주일 후 재심사를 통해 사건 무마를 위해 최종 5명에서 8명으로 확대 선발했다. 본선 당일 15명의 인터뷰 심사를 마치면 즉석에서 채점 결과가 컴퓨터로 집계되어 나오게 되는데 후보 4명의 점수가 3번(김수용) 심사위원의 점수가 입력되지 않은 채 평균 점수가 산출됐다. 28번 대전-충남 진 이재원, 33번 전남 진 차서원, 46번 대구 진 서혜진, 49번 서울 선 이은희 총 4명의 점수가 타 후보에 비해 터무니없이 낮았지만(평균 7점대, 다른 후보는 8-9점대)대회는 계속 진행됐고 시상까지 마쳤다. 대회 종료 후 탈락한 후보 가족의 항의가 이어졌고 주최측의 검토 결과 오류가 발견되어 심사 결과를 발표하지 않고 재심사를 결정했다. 한국일보사는 일주일 후 세종문화회관 소극장에서 본선 당시 최종결선 통과자 8명과 채점오류로 피해를 본 4명 등 총 12명만을 상대로 재심사를 열어 6번 충북 미 이정민, 21번 대구 선 이정희, 28번 대전-충남 진 이재원 총 3명을 구제하여 최종 8명을 선발해 채점 오류 파동을 잠재우려 했다. 이 컴퓨터 채점 공개제는 미스유니버스 채점 제도를 벤치마킹한 것으로 1998년 대회에 첫 도입했지만 뼈아픈 오류 파문으로 큰 오점을 남겼다. 이후 1999년 대회부터는 최고점과 최저점을 제외해 평균을 내는 올림픽 채점제가 도입되었다.
미스코리아 사건
2007년 미스코리아 경북 진 김주연은 미스코리아 미에 당선되었으나, 축구 선수 황재원과의 낙태 스캔들로 인해 논란이 되어 미스코리아 자격을 박탈당했다.
2008년 미스코리아 전북 진 김희경은 미스코리아 미에 당선되었으나, 미스코리아 출전 전에 찍었던 성인 화보가 논란이 되어 미스코리아 자격을 박탈당했다.
미스코리아는 진을 미스 유니버스에 출전시키는 반면 선을 미스 월드에 출전시켰던 점 때문에 미스 월드와 대립을 빚었다.
2011년 3월 16일 미스 월드 조직회 회장인 줄리아 몰리가 대한민국을 방한하여, 미스 월드 코리아 조직회 창설회에 참석하였다. 이에 따라 월드뷰티엔터프라이즈가 미스 월드 대한민국 출전권을 따냈다.
미스코리아 사건
그리하여 미스 월드 2011 대회부터 미스 월드 대한민국 참가자는 한국일보가 주최하는 미스코리아 대회가 아닌 미스 월드 코리아 대회에서 선발되었으나, 서로 간의 분쟁으로 2012년, 2013년 미스 월드 코리아 대회가 개최되지 못하는 등 분란을 빚었다.
2013년 5월 14일 서울중앙지법 민사42부는 미스 월드 코리아 주관사인 월드뷰티사가 "대회가 무산된 책임을 지고 47억여원을 배상하라"며 미스코리아 대회 주관사인 한국일보사를 상대로 낸 손해배상 청구소송에서 원고패소 판결한 원심을 확정하며 미스 월드 코리아 대회 무산에 대한 책임이 한국일보사에 없다고 판결했다.
촉매
촉매 작용(catalysis)은 촉매(catalyst, /ˈkætəlɪst/)라 불리는 첨가 물질로 인해 화학 반응의 속도가 증가하는 것이다. 촉매는 반응에 의해 소모되지 않으며 반응 후에도 변하지 않은 상태로 남는다. 반응이 빠르고 촉매가 빠르게 재활용되면 매우 소량의 촉매로도 충분한 경우가 많다. 혼합, 표면적, 온도는 반응 속도에 중요한 요소이다. 촉매는 일반적으로 하나 이상의 반응물과 반응하여 중간체를 형성하고, 이 중간체는 최종 반응 생성물을 생성하며 촉매를 재생한다.
속도 증가는 촉매가 반응이 비촉매 메커니즘보다 훨씬 빠를 수 있는 대체 메커니즘으로 발생하도록 허용하기 때문에 발생한다. 그러나 비촉매 메커니즘은 여전히 가능하므로 총 속도(촉매 + 비촉매)는 촉매의 존재 하에서만 증가할 수 있으며 결코 감소하지 않는다.
촉매
촉매 작용은 반응물과 동일한 상(보통 기체 또는 액체)에 성분이 분산되어 있는 균일 촉매 작용 또는 성분이 동일한 상에 있지 않은 불균일 촉매 작용으로 분류될 수 있다. 효소 및 기타 생체 촉매는 종종 세 번째 범주로 간주된다.
촉매 작용은 모든 종류의 화학공업에서 널리 사용된다. 상업적으로 생산되는 모든 화학 제품의 90%가 제조 과정의 어느 단계에서든 촉매를 포함하는 것으로 추정된다.
"촉매"라는 용어는 그리스어 καταλύειν에서 유래되었으며, "풀다" 또는 "해결하다"를 의미한다. 촉매 작용의 개념은 화학자 엘리자베스 풀하메가 산화-환원 실험에서의 새로운 연구를 바탕으로 고안했다.
촉매 일반 원리
예시로 과산화 수소가 물과 산소로 분해되는 것을 촉매가 가속화하는 효과를 들 수 있다.
2 H2O2 → 2 H2O + O2
이 반응은 반응 생성물이 시작 화합물보다 더 안정하기 때문에 진행되지만, 이 분해는 너무 느려서 과산화 수소 용액이 상업적으로 이용 가능하다. 이산화 망가니즈와 같은 촉매가 존재하면 이 반응은 훨씬 빠르게 진행된다. 이 효과는 산소의 발포를 통해 쉽게 볼 수 있다. 촉매는 반응에서 소모되지 않으며, 변하지 않은 상태로 회수하여 무기한 재사용할 수 있다. 따라서 이산화 망가니즈는 이 반응을 촉매한다고 말할 수 있다. 살아있는 유기체에서는 이 반응이 카탈레이스와 같은 효소(촉매 역할을 하는 단백질)에 의해 촉매된다.
또 다른 예는 촉매가 대기 오염과 일산화 탄소량을 줄이는 데 미치는 영향이다. 일산화 탄소를 바람직한 제품으로 전환하는 활성 및 선택적 촉매의 개발은 촉매의 가장 중요한 역할 중 하나이다. 일산화 탄소의 수소화를 위한 촉매를 사용하면 이 독성 가스를 제거하고 유용한 물질을 생산하는 데 도움이 된다.
촉매 일반 원리
촉매의 촉매 활성을 측정하는 SI 유도 단위는 캐탈이며, 이는 초당 몰(mole) 단위로 정량화된다. 촉매의 생산성은 전환수(TON)로, 촉매 활성은 시간 단위당 TON인 전환 빈도(TOF)로 설명할 수 있다. 생화학적 등가물은 효소 단위이다. 효소 촉매의 효율성에 대한 자세한 내용은 효소 문서를 참조한다.
일반적으로 화학 반응은 촉매가 존재할 때 더 빠르게 발생한다. 촉매는 비촉매 메커니즘보다 더 낮은 활성화 에너지를 갖는 대체 반응 과정(반응 경로)을 제공하기 때문이다. 촉매 메커니즘에서 촉매는 재생된다.
기체 상에서 발생하는 간단한 예로, 2 SO2 + O2 → 2 SO3 반응은 일산화 질소를 첨가하여 촉매될 수 있다. 이 반응은 두 단계로 발생한다.
2 NO + O2 → 2 NO2 (속도 결정 단계)
NO2 + SO2 → NO + SO3 (빠름)
NO 촉매는 재생된다. 전체 속도는 느린 단계의 속도이다.
v=2k1[NO]2[O2].
촉매 일반 원리
불균일 촉매의 한 예는 이산화 타이타늄(TiO2, 또는 티타니아) 표면에서 산소와 수소가 반응하여 물을 생성하는 것이다. 주사 터널링 현미경으로 분자들이 흡착 및 해리를 겪는 것을 보여주었다. 해리된 표면 결합 O 및 H 원자들은 함께 확산된다. 중간 반응 상태는 HO2, H2O2, 그리고 H3O2 및 반응 생성물(물 분자 이합체)이며, 그 후에 물 분자는 촉매 표면에서 탈착된다.
촉매는 비촉매 반응과 다른 경로를 가능하게 한다. 이 경로들은 더 낮은 활성화 에너지를 갖는다. 결과적으로, 더 많은 분자 충돌이 전이 상태에 도달하는 데 필요한 에너지를 갖게 된다. 따라서 촉매는 그렇지 않으면 운동학적 장벽에 의해 차단되거나 느려질 반응을 가능하게 할 수 있다. 촉매는 반응 속도나 선택성을 증가시키거나, 더 낮은 온도에서 반응을 가능하게 할 수 있다. 이 효과는 에너지 프로파일 다이어그램으로 설명될 수 있다.
촉매 일반 원리
촉매된 초등 반응에서 촉매는 반응의 범위를 변화시키지 않는다. 즉, 반응의 화학 평형에 영향을 미치지 않는다. 순방향 및 역방향 반응 속도의 비율은 영향을 받지 않는다(또한 열역학 참조). 열역학 제2법칙은 촉매가 반응의 화학 평형을 변화시키지 않는 이유를 설명한다. 평형을 이동시키는 촉매가 있다고 가정해 보자. 시스템에 촉매를 도입하면 새로운 평형으로 이동하여 에너지를 생산하는 반응이 발생할 것이다. 반응은 깁스 자유 에너지가 생성될 때만 자발적이며, 에너지 장벽이 없다면 촉매가 필요 없으므로 에너지 생산은 필수적인 결과이다. 그러면 촉매를 제거하는 것도 반응을 일으켜 에너지를 생산할 것이다. 즉, 첨가와 그 역과정인 제거 모두 에너지를 생산할 것이다. 따라서 평형을 변화시킬 수 있는 촉매는 영구 기관이 될 것이고, 이는 열역학 법칙에 모순된다. 따라서 촉매는 평형 상수를 변화시키지 않는다. (그러나 촉매는 후속 단계에서 반응하여 평형 농도를 변화시킬 수 있다. 이때 촉매는 반응이 진행됨에 따라 소모되므로 반응물 역할도 한다. 예를 들어 염기 촉매 가수분해의 경우, 생성된 카복실산은 즉시 염기 촉매와 반응하여 반응 평형이 가수분해 쪽으로 이동한다.)
촉매 일반 원리
촉매는 시작 물질을 안정화하는 것보다 전이 상태를 더 안정화시킨다. 촉매는 시작 물질과 전이 상태 사이의 에너지 차이를 줄여서 운동 장벽을 감소시킨다. 촉매는 시작 물질과 생성물 사이의 에너지 차이(열역학적 장벽) 또는 사용 가능한 에너지(열 또는 빛으로 환경에서 제공됨)를 변화시키지 않는다.
일부 소위 촉매는 실제로는 전구촉매로, 반응에서 촉매로 전환된다. 예를 들어, 윌킨슨 촉매 RhCl(PPh3)3는 실제 촉매 주기에 들어가기 전에 트리페닐포스핀 리간드 하나를 잃는다. 전구촉매는 저장하기 더 쉽지만 현장에서 쉽게 활성화된다. 이러한 사전 활성화 단계 때문에 많은 촉매 반응은 유도 기간을 포함한다.
협동 촉매 작용에서는 촉매 활성을 향상시키는 화학종을 보조 촉매 또는 촉진제라고 한다.
탠덤 촉매 작용에서는 두 개 이상의 서로 다른 촉매가 원-팟 반응으로 결합된다.
촉매 일반 원리
자기촉매에서는 촉매가 전체 반응의 생성물이며, 이 문서에서 다루는 다른 모든 유형의 촉매 작용과는 대조된다. 자기촉매의 가장 간단한 예는 A + B → 2 B 유형의 반응이며, 한 단계 또는 여러 단계로 이루어진다. 전체 반응은 단순히 A → B이므로 B는 생성물이다. 그러나 B가 반응물이기도 하므로 속도 방정식에 나타나 반응 속도에 영향을 미칠 수 있다. 반응이 진행됨에 따라 B의 농도가 증가하고 촉매로서 반응을 가속화할 수 있다. 실제로 반응은 자체적으로 가속화되거나 자기촉매된다. 예를 들어 아스피린과 같은 에스터가 카복실산과 알코올로 가수분해되는 것이다. 산 촉매가 추가되지 않은 경우, 카복실산 생성물이 가수분해를 촉매한다.
전환성 촉매 작용은 촉매가 일반적으로 외부 자극을 가하여 서로 다른 반응성을 가진 다른 기저 상태 사이에서 전환될 수 있는 촉매 작용 유형을 의미한다. 촉매를 가역적으로 전환하는 이 능력은 촉매 활성 및 선택성에 대한 시공간적 제어를 가능하게 한다. 촉매를 전환하는 데 사용되는 외부 자극에는 온도, pH, 빛, 전기장 또는 화학 물질의 첨가가 포함될 수 있다.
진정한 촉매는 희생 촉매와 함께 작동할 수 있다. 진정한 촉매는 초등 반응에서 소모되어 비활성화된 형태로 변한다. 희생 촉매는 진정한 촉매를 다른 주기를 위해 재생시킨다. 희생 촉매는 반응에서 소모되므로 실제로는 촉매가 아니라 시약이다. 예를 들어, 사산화 오스뮴(OsO4)은 이수산화 반응에 좋은 시약이지만, 독성이 매우 강하고 비싸다. 업존 이수산화 반응에서는 희생 촉매인 N-메틸모르폴린 N-산화물(NMMO)이 OsO4를 재생시키고, 촉매량의 OsO4만이 필요하다.
촉매 작용은 균일 촉매 작용 또는 불균일 촉매 작용으로 분류될 수 있다. 균일 촉매 작용은 구성 요소가 반응물 분자와 동일한 상(보통 기체 또는 액체)에 분산되어 있는 것이다. 불균일 촉매 작용은 반응 구성 요소가 동일한 상에 있지 않는 경우이다. 효소 및 기타 생체 촉매는 종종 세 번째 범주로 간주된다. 유사한 메커니즘 원리는 불균일 촉매 작용, 균일 촉매 작용 및 생체 촉매 작용에 적용된다.
촉매 불균일 촉매 작용
불균일 촉매는 반응물과 다른 상에서 작용한다. 대부분의 불균일 촉매는 액체 또는 기체 반응 혼합물에 있는 기질에 작용하는 고체이다. 중요한 불균일 촉매로는 제올라이트, 알루미나, 고차 산화물, 흑연 탄소, 전이 금속산화물, 수소화를 위한 라니 니켈과 같은 금속, 그리고 접촉 공정에 의한 이산화 황의 삼산화 황으로의 산화를 위한 산화 바나듐(V)이 있다.
표면에서의 반응에 대한 다양한 메커니즘은 흡착이 어떻게 일어나는지에 따라 알려져 있다(랭뮤어-힌셸우드, 엘리-리들, 그리고 마르스-반 크레벨렌 ). 고체의 총 표면적은 반응 속도에 중요한 영향을 미친다. 촉매 입자 크기가 작을수록 주어진 질량의 입자에 대한 표면적이 더 커진다.
불균일 촉매에는 활성 자리가 있는데, 이는 기질이 실제로 결합하는 원자 또는 결정면이다. 활성 자리는 원자이지만 종종 고체의 면(가장자리, 표면, 계단 등)으로 묘사된다. 불균일 촉매의 대부분의 부피뿐만 아니라 대부분의 표면도 촉매적으로 비활성일 수 있다. 활성 자리의 본질을 알아내는 것은 기술적으로 어렵다.
촉매 불균일 촉매 작용
예를 들어, 질소와 수소로부터 암모니아를 합성하는 하버법의 촉매는 종종 철로 묘사된다. 그러나 상세한 연구와 많은 최적화를 통해 철-칼륨-칼슘-산화 알루미늄의 혼합물로 된 촉매가 개발되었다. 반응하는 기체는 철 입자의 활성 자리에 흡착된다. 일단 물리적으로 흡착되면 반응물은 부분적으로 또는 완전히 해리되고 새로운 결합을 형성한다. 이러한 방식으로 질소의 특히 강한 삼중 결합이 깨지는데, 이는 높은 활성화 에너지 때문에 기체상에서는 극히 드문 일이다. 따라서 전체 반응의 활성화 에너지가 낮아지고 반응 속도가 증가한다. 불균일 촉매가 적용되는 또 다른 장소는 황산 생산을 위한 산화 바나듐(V)에 의한 이산화 황의 산화이다. 많은 불균일 촉매는 실제로 나노물질이다.
촉매 불균일 촉매 작용
불균일 촉매는 일반적으로 "지지체"에 "지지"되는데, 이는 촉매가 효과를 높이거나 비용을 최소화하는 두 번째 물질에 분산되어 있음을 의미한다. 지지체는 작은 촉매 입자의 응집 및 소결을 방지하거나 최소화하여 더 많은 표면적을 노출시키므로 촉매는 지지체에서 더 높은 비활성(그램당)을 갖는다. 때로는 지지체가 단순히 촉매가 표면적을 늘리기 위해 분산되는 표면에 불과하기도 한다. 더 자주, 지지체와 촉매는 상호 작용하여 촉매 반응에 영향을 미친다. 지지체는 또한 개별 촉매 분자가 화학적으로 결합할 수 있는 자리를 제공하여 나노입자 합성에 사용될 수 있다. 지지체는 높은 표면적을 가진 다공성 물질이며, 가장 일반적으로 알루미나, 제올라이트 또는 다양한 종류의 활성탄이다. 특수 지지체에는 이산화 규소, 이산화 타이타늄, 탄산 칼슘, 그리고 황산 바륨이 포함된다.
전기화학, 특히 연료전지 공학의 맥락에서, 연료전지를 구성하는 반쪽 반응의 속도를 향상시키기 위해 다양한 금속 함유 촉매가 사용된다. 일반적인 연료전지 전기 촉매 유형 중 하나는 약간 더 큰 탄소 입자에 지지된 백금나노입자를 기반으로 한다. 연료전지의 전극 중 하나와 접촉할 때, 이 백금은 산소 환원 속도를 물 또는 수산화물 또는 과산화 수소로 증가시킨다.
촉매 균일 촉매 작용
균일 촉매는 반응물과 동일한 상에서 작용한다. 일반적으로 균일 촉매는 기질과 함께 용매에 용해된다. 균일 촉매 작용의 한 예는 아세트산과 메탄올로부터 메틸 아세테이트가 형성되는 것과 같은 카복실산의 에스터화에 대한 H+의 영향이다. 균일 촉매를 필요로 하는 대량 공정에는 하이드로포르밀화, 하이드로실릴화, 하이드로시아노화가 포함된다. 무기화학자들에게 균일 촉매 작용은 종종 유기금속 촉매와 동의어이다. 그러나 많은 균일 촉매는 유기금속이 아니며, 예를 들어 코발트염은 p-자일렌의 테레프탈산으로의 산화를 촉매한다.
전이 금속이 때때로 촉매 연구에서 가장 많은 주목을 받지만, 금속이 없는 작은 유기 분자도 촉매 특성을 나타낼 수 있는데, 이는 많은 효소에 전이 금속이 없다는 사실에서 명백하다. 일반적으로 유기 촉매는 전이 금속(-이온) 기반 촉매보다 더 높은 부하량(반응물 단위량당 촉매량, 몰%로 표시)을 요구하지만, 이러한 촉매는 일반적으로 대량으로 상업적으로 이용 가능하여 비용을 절감하는 데 도움이 된다. 2000년대 초반에는 이러한 유기 촉매가 "새로운 세대"로 간주되었으며 전통적인 금속(-이온) 함유 촉매와 경쟁력이 있다.
촉매 균일 촉매 작용
유기 촉매는 수소 결합과 같은 비공유 상호 작용을 활용하여 금속이 없는 효소와 유사하게 작동하는 것으로 추정된다. 유기 촉매 분야는 공유(예: 프롤린, DMAP) 및 비공유(예: 티오우레아 유기촉매) 유기 촉매의 적용으로 나뉘며, 각각 선호되는 촉매-기질결합 및 상호 작용을 참조한다. 2021년 노벨 화학상은 벤자민 리스트와 데이비드 W.C. 맥밀런에게 "비대칭 유기 촉매의 개발"로 공동 수여되었다.
광촉매는 촉매가 빛을 받아 들뜬 상태를 생성하여 산화환원 반응을 유도하는 현상이다. 단일항 산소는 일반적으로 광촉매에 의해 생성된다. 광촉매는 염료감응형 태양전지의 구성 요소이다.
생물학에서 효소는 물질대사 및 이화작용에서 단백질 기반 촉매이다. 대부분의 생체 촉매는 효소이지만, 리보자임 및 합성 디옥시리보자임을 포함하여 단백질이 아닌 다른 생체 분자 클래스도 촉매 특성을 나타낸다.
촉매 균일 촉매 작용
생체 촉매는 균일 촉매와 불균일 촉매의 중간으로 볼 수 있지만, 엄밀히 말하면 수용성 효소는 균일 촉매이고 생체막 결합 효소는 불균일 촉매이다. 온도, pH, 효소, 기질, 생성물의 농도를 포함한 여러 요인이 효소(및 기타 촉매)의 활성에 영향을 미친다. 효소 반응에서 특히 중요한 시약은 물인데, 이는 많은 결합 형성 반응의 생성물이며 많은 결합 파괴 과정의 반응물이기도 하다.
생체 촉매에서 효소는 액상과당 및 아크릴아마이드를 포함한 많은 상품 화학 물질을 준비하는 데 사용된다.
화학 반응의 전이 상태와 유사한 안정적인 분자를 결합 대상으로 하는 일부 단일 클론 항체는 해당 화학 반응의 활성화 에너지를 낮춤으로써 약한 촉매로 기능할 수 있다. 이러한 촉매 항체는 때때로 "앱자임"이라고 불린다.