암모니아 합성의 두 얼굴

19세기에 들어와 유럽 인구가 폭발적으로 증가하자 농업은 마침내 한계를 보이기 시작했습니다. 그 한계란 ‘질소의 위기’였습니다.

질소는 식물이 생장하는 데 없어서는 안 될 원소입니다. 땅속의 질소화합물은 초석(질산칼륨)과 유기물질인데, 식물에 착취를 당한 뒤 보충되지 않자 농업 생산성이 급격히 떨어지기 시작했습니다. 다행히 19세기 말까지 질소비료의 문제는 자연 상태의 초석을 사용함으로써 어느 정도 해결될 수 있었습니다. 하지만 유럽 각국에서 칠레 초석을 앞다퉈 사가다 보니 그것도 남아날 리 없었습니다. 결국 초석을 대체할 질소화합물을 찾는 일은 19세기 말 화학자들에게 주어진 과제가 됐습니다.

질소화합물을 대량생산하는 길은 독일의 화학자 프리츠 하버(1868~1934)가 열었습니다. 그는 공기의 약 5분의 4를 차지하는 질소를 수소와 반응시켜 암모니아로 합성하는 방법을 개발했습니다.

식량난을 구한 물질, 인류를 죽음으로 몰아넣어

19세기 말 화학자들은 공기 중의 질소와 수소를 반응시켜 암모니아를 얻는 방법을 연구했지만, 아무리 노력해도 에너지 소모가 적은 경제성 있는 암모니아를 생산할 수 없었습니다. 암모니아만 생산할 수 있다면 그것을 산화시켜 질산을 만들고 다시 질산염을 만드는 것은 땅 짚고 헤엄치기였던 것입니다. 그런데 1905년 프리츠 하버가 1000℃에서 철을 촉매로 사용해 질소와 수소로부터 소량의 암모니아를 합성할 수 있다고 발표했습니다. 이어 촉매를 바꿔 500℃, 200기압에서 6~10%의 수율(화학적 방법으로 원자재에서 어떤 물질을 얻게 될 때, 기대했던 예상량과 실제로 얻은 양의 비율)로 암모니아를 합성해냈습니다.



그는 1913년에는 독일 바스프(BASF)사의 카를 보슈(1874~1940)와 협력해 하루 20t의 암모니아를 생산했습니다. 하버는 바스프사로부터 엄청난 기술료를 받아 졸지에 백만장자가 됐으며, 암모니아를 대량생산해 인류의 식량난을 막은 공로로 1918년 노벨 화학상을 받았습니다. 보슈도 1931년 노벨 화학상을 수상했습니다.

하버와 독일 화학자들이 암모니아 합성에 그토록 열을 올렸던 이유는 비단 농업 생산력을 높이는 비료를 만들기 위해서만은 아니었습니다. 당시 군사대국의 꿈을 키우던 독일에는 폭탄을 생산하기 위해 엄청난 양의 질산이 필요했기 때문입니다.

제1차 세계대전이 일어나자 하버의 진면목이 드러났습니다. 전쟁이 길어져 탄약 보급이 문제가 됐으나, 하버의 도움으로 질산을 생산하고 이를 이용해 탄약 원료인 니트로글리세린을 만들 수 있었던 것입니다.

하버는 화학병기부의 책임자로 일하면서 조국의 승리를 위해 독가스 개발에도 관여했습니다. 그가 개발한 염소가스는 1915년 4월22일 프랑스 이프르 전투에서 처음 사용됐습니다. 여기에 대해 세계의 비난이 거세지자 그는 ‘독가스도 폭탄과 다를 바 없다’며 이를 반박했습니다. 독가스는 신체적 상해가 아닌 정신적인 파탄을 주는 것이므로 오히려 낫다고 생각했던 것입니다. 그러나 이 때문에 화학자였던 그의 아내는 자살하고 말았습니다. 인류를 식량난에서 구한 하버가 다시 인류를 죽음으로 몰아넣은 것은 역사의 아이러니가 아닐 수 없습니다.

문제1) 질소를 암모니아로 고정하는 여러 가지 방법을 간단히 설명하시오.

해설) 질소(N2)는 매우 안정된 물질이라서 쉽게 고착시키기가 어렵다(N2는 지구 대기의 80%를 차지한다). 그럼에도 N2를 고착해야 하는 이유는 N2가 식물 생장에 직접적인 영향을 주기 때문이다. 예전에는 질소를 고착하는 (화학적) 방법을 몰라서 콩식물의 뿌리에 기생하는 박테리아를 이용한 질소의 토용고착화 방법을 사용했다. 그러다가 번개가 칠 때 N2가 고착된다는 사실을 발견하게 됐다. 이러한 발견으로 전기-아크법이 발명됐는데, 이는 전기 스파크로 고온(2000~3000℃)으로 올려주면 산화질소(NO)가 생성되는 것이다.

문제2) 르 샤틀리에의 원리를 설명하고 평행이동에 영향을 미치는 요인을 설명하시오.

해설) 르 샤틀리에의 원리는 평행 상태에 있는 화학반응의 조건(농도, 온도, 압력 등)을 변화시키면 그 변화를 감소시키는 쪽으로 스스로 반응이 진행돼 새로운 평형에 도달한다는 것이다. 물질의 농도를 증가하면 물질의 농도가 감소하는 방향으로, 물질의 농도를 감소시키면 농도가 증가하는 방향으로 평형이 이동된다. 온도를 높이면 흡열반응인 역반응이, 온도를 낮추면 발열반응인 정반응이 진행된다. 또한 압력을 높이면 기체 계수의 합이 작은 쪽으로의 역반응이, 압력을 낮추면 기체 계수 합이 큰 쪽으로의 정반응이 진행된다.

단, 촉매를 넣어주거나 제거해도 평형에는 아무런 영향을 미치지 않는다.