触媒 | Growth Arts

概要

触媒（catalyst）とは、化学反応の速度を変化させながら、反応の前後で自身は消費されない物質を指す。反応そのものに参加しつつ、消耗しない——この非対称性が触媒の本質である。

触媒という語はスウェーデンの化学者イェンス・ヤコブ・ベルセリウスが1835年に命名した。ギリシャ語の katalysis（溶解・解除）に由来する。それ以前から触媒的な現象は観察されていたが、概念として整理されたのは19世紀に入ってからである。

現代化学工業の製品の80〜90%は、製造工程のどこかで触媒を使用しているとされる。空気から窒素肥料を合成するハーバー・ボッシュ法、石油精製のクラッキング、自動車の排気浄化——いずれも触媒なしには成立しない。

化学反応が自然に進行するかどうかは、反応物が「エネルギーの山」を越えられるかどうかで決まる。この山の高さを活性化エネルギーと呼ぶ。触媒はこのエネルギー障壁を下げることで、常温・常圧では起こりにくい反応を現実的な速度で進める。

触媒は反応物と一時的に結合し、より低いエネルギー経路（別の反応経路）を提供する。反応が完了すると触媒は元の状態に戻り、再び次の反応に使われる。この再生可能性が、触媒を触媒たらしめる核心である。

反応速度の変化のみを担う触媒と、反応の平衡位置を変える操作は別物である点に注意が必要だ。触媒はあくまで「速さ」を変えるのであって、熱力学的に不可能な反応を可能にするわけではない。

触媒は大きく均一系触媒と不均一系触媒に分類される。

均一系触媒は反応物と同じ相（気体中に気体、溶液中に溶液）で作用する。酸・塩基触媒反応や、有機合成で用いる遷移金属錯体触媒がその例である。

不均一系触媒は固体触媒が気体または液体の反応物に作用する形態で、工業的利用の大半を占める。白金・パラジウム・ロジウムを担持した三元触媒は自動車排気ガスの CO、炭化水素、窒素酸化物を同時に処理する。鉄系触媒はハーバー・ボッシュ法における窒素固定を支える。

生体内には酵素という精巧な触媒システムが存在する。タンパク質を基本構造とする酵素は、特定の基質にのみ作用する高い選択性を持ち、体温・中性付近という温和な条件下で複雑な化学反応を制御する。消化・代謝・DNA複製のすべてが酵素触媒の連鎖である。