어떤 물질에 의해 화학반응의 속도는 가속되지만 그 물질 자체는 화학적인 변화를 일으키지 않는 물질. 예컨대 고온에서 질소와 수소가 반응해 암모니아가 생성될 때 철의 분말을 넣으면 반응의 속도가 훨씬 빨라지지만, 철 자체는 변화를 받지 않고 남는다.

또한 아세트산메틸의 수용액에 염산 등의 산을 가하면 그 수소이온(H⁺)에 의해 아세트산과 메탄올(메틸알코올)로의 가수분해가 촉진되지만, H⁺ 그 자체는 변화하지 않고 첨가한 양만큼 남는다.

이런 경우 철이나 H⁺은 촉매이고, 이러한 작용을 촉매작용, 촉매에 의해 일어나는 반응을 촉매반응이라고 한다.

〔촉매 연구의 역사〕 1836년 스웨덴의 화학자 J. J. 베르셀리우스가 촉매작용에 주목, 촉매라는 말을 썼으며, 1901년에 독일의 F. W. 오스트발트가 촉매의 정의를 내렸다.

20세기초에 공업용으로 실용화할 수 있는 활성인 암모니아 합성용 촉매를 찾아내기 위해 약 2만종이나 되는 촉매를 제조 · 시험해 현재의 철-산화칼륨-산화알루미늄계의 촉매를 만들어냈다.

촉매작용의 본성을 밝히기 위해 지금까지 얻어진 실험결과를 종합해 도출한 경험법칙으로는 촉매활성과 전자(電子)상태의 관계(금속, 산화물 및 금속착물의 촉매에 대해), 반응에 관여하는 물질의 화학흡착능(吸着能)의 크기에 따른 각종 금속의 순서, 촉매활성과 촉매 표면의 기하하적 구조와의 관계 등이 알려져 있다.

〔정(正)촉매와 역(逆)촉매〕 보동의 촉매는 반응속도를 빠르게 하지만(정촉매), 반대로 반응속도를 감소시키는 것(역촉매)도 있다.

〔균일 및 불균일 촉매반응〕 반응의 기구(機構)로서 예컨대 앞서 서술한 아세트산메틸의 가수분해에서는 반응물이나 촉매도 같은 하나의 용액상(相) 속에 있으므로 균일촉매반응이라 한다.

[그림 1]과 같이 반응에 H⁺이 첨가되고 마지막에는 H⁺이 재생되는 것으로 생각된다.

이 밖에 수산화이온(OH^- )이 촉매로서 작용하는 반응도 있는데, 이것들을 묶어 산염기 촉매반응이라고 한다.

반응물이 기체 또는 액체이고 촉매가 고체인 경우를 불균일촉매반응이라고 하는데, 화학공업, 각종 장치 또는 연구실에서 사용되는 촉매반응의 대부분이 이것이다.

암모니아합성반응의 경우는 반응하는 질소와 수소는 기체이고 촉매인 철은 고체여서 서로 다른 상(相) 사이의 불균일촉매 반응이다.

반응의 종류에는 산화 · 수소화 · 이성질체화(異性質體化) · 중합 · 크래킹 등이 있다.

또한 그것에 사용되는촉매도 금속 · 금속산화물 및 금속의 각종 염 · 착물 등 다양하다〈표〉.

같은 반응물이라도 사용하는 촉매 또는 반응조건에 따라 생성물이 다르다.

즉, 촉매는 선택성을 가진다[그림 2].

모든 효소는 각각 한 종류의 반응만을 촉진하므로 매우 선택성이 높은 촉매라고 할 수 있다.

불균일촉매반응은 촉매와 반응물이 접하는 장소, 즉 촉매의 표면상에서 진행한다.

따라서 촉매의 유효성 · 활성은 촉매의 표면적의 크기와 단위표면적당의 활성〔비(比)활성〕에 따른다.

촉매의 표면적을 증대시키기 위해서는 촉매를 잘게 부수거나, 다공질(多孔質)의 것으로 만들거나, 또는 각종의 운반체(지지물) 위에 미립자로 해서 얹는다.

〔불균일 촉매작용의 기구〕 촉매의 작용은 열역학적으로 불가능한 반응을 일으키는 것이 아니고 가능한 반응의 속도를 증가시킬 뿐이다.

예컨대 그 가속의 과정을 [그림 3]에서 보변, A+B→C의 반응인 경우, ① 촉매가 없을 때와 ② 촉매가 있을 때의 반응진행에 따르는 계의 에너지 변화가 나타나 있다.

①에서는 좌측의 A+B의 계에 외부로부터 어떤 방법(가열 등)으로 E(활성화 에너지라고 한다)만큼의 에너지가 공급되면 에너지의 극대(활성화 상태)를 넘어 우측의 C로 변화할 수 있다.

이 반응의 속도는 전체의 A+B 증 이 극대를 넘어서 진행하는 A+B의 비월이것은 e^-E/RT에 비례한다)에 따라 결정된다.

②에서는 A(또는 B)가 촉매 K와 결합해 AK(또는 BK)가 생기고, 여기에 다시 B(또는 A)가 반응해 ABK의 활성화상태(활성화물) (AB)^*K를 생성하며, 이어 생성물 C가 생기고 촉매 K가 재생한다.

이 과정에서의 에너지 극대(E’)는 E에 비해 훨씬 더 작으므로 반응의 속도는 매우 커진다.

이와 같이 촉매는 활성화 에너지를 낮추는 역할을 한다.

[그림 3]에서도 알 수 있듯이, 촉매는 반응속도를 정방향으로도 역방향으로도 같은 배율만큼만 증가시킨다.

〔조(助)촉매와 촉매독(毒)〕 촉매의 비활성은 촉매로서 작용하는 금속이나 금속산화물 등에 고유한 것이기는 하지만, 이것에 다른 금속이나 금속산화물(그것들 자체는 활성을 갖지 않는다)을 첨가하면 훨씬 활성화되는 경우가 있다.

이 첨가물을 조촉매 또는 촉진제라고 한다.

암모니아를 합성할 때 쓰이는 철 촉매에는 조촉매로서 산화칼륨이나 산화알루미늄이 사용된다.

촉매작용은 반응계 속에 어떤미량의 불순물이 존재하면 활성이 저하 또는 상실된다.

이것을 촉매독, 이 현상을 피독(被毒)이라고 한다.

일단 피독한 촉매는 이 독을 반응계(反應系)에서 제거함으로써 그 활성이 회복되는 경우(일시 피독)와 회복되지 않는 경우(영구 피독)가 있다.

〔촉매의 중요성〕 촉매가 화학공업에서 수행하는 역할은 점점 중요시되고 있다.

그 배경에는 대기오염 등의 환경문제가 있다.

대기오염에는 황산화물 외에 자동차의 배출가스 등에 함유된 질소산화물이 관여 하는데, 이것을 제거하기 위해 코젤라이트 운반체에 활성 산화알루미늄-백금-팔라듐(또는 로듐)을 함유하는 촉매가 개발되었다.

공장 등에서 배출되는 질소산화물은 산화티탄 담지 산화바나듐 촉매 등을 사용해 암모니아와 반응시켜 질소와 물로 바꾼다.

이러한 연구 · 개발에서 축적된 지식은 다른 분야에도 응용되어 탈취(脫臭), 각종 센서등에도 이용되고 있다.

이 밖에 태양열의 고효율 이용을 목표로 한 광(光)촉매나 석탄의 가스화 · 액화 등에 사용하는 산화촉매의 개발 등 에너지 분야에도 촉매는 깊은 관련이 있다.