여러분은 지난 몇 세기 간
가장 훌륭한 발견이
무엇이라고 생각하나요?
컴퓨터?
자동차?
전기?
아니면 원자의 발견일까요?
저는 이 화학반응이라고 생각합니다.
질소 기체 분자가
3개의 수소 기체 분자와 합쳐져서
2개의 암모니아 기체 분자를 만드는 반응이지요.
이것은 하버법이라고 하는데
공기 속의 질소분자를
수소 분자와 묶거나
공기를 비료로 바꾸는 과정입니다.
이런 과정이 없다면,
농부들은 오직 40억 명 분의 식량만을
생산할 수 있습니다.
현재 지구의 인구는 70억 명이지요.
즉, 하버법이 없다면
30억 명이 넘는 사람이 굶게됩니다.
질산염의 형태로 있는 질소인 NO3는
식물의 생존에 꼭 필요한 영양분입니다.
작물들이 자랄 때 흙 속의 질소를 소비하면서,
땅 속의 질소를 제거합니다.
질소는 동물이 죽어서 썩는 것처럼
오랜 자연적 분해를 통해서
보충됩니다.
하지만 인간은 식물을
더욱 빨리 키우고 싶어하지요.
여기에 놀라운 것은
공기 중 78%가 질소로 이루어져있지만
식물은 공기로부터 질소를 얻을 수 없다는 것입니다.
왜냐하면 질소가 쉽게 부숴지지 않는
아주 강한 삼중결합을 하고있기 때문이지요.
하버가 한 일은 기본적으로
공기 속의 질소를 꺼내서
땅으로 보내는
방법을 알아낸 것입니다.
1908년 독일 화학자인 프리츠 하버는
공기 속에 있는 질소들을 가공하는
화학적 방법을 개발했습니다.
하버는 공기속에 있는 질소를
수소와 결합시켜서
암모니아를 형성하는
방법을 발견했습니다.
암모니아는 질산염으로 빨리 바뀌어서
땅 속에 뿌려질 수 있었습니다.
하지만 하버법이 세상의
식량 공급에 쓰이기 위해서는
쉽고 빠르게 많은 양의 암모니아를
만들 수 있는 방법이 필요했습니다.
어떻게 하버가 이 방법을 완성했는지
이해하기 위해서는
우리는 화학적 평형에 대해
알 필요가 있습니다.
화학적 평형은 밀봉된 용기에서
반응을 일으킬 때 나타납니다.
예를 들어, 밀봉된 용기에
수소와 질소를 넣고
반응하게 해봅시다.
실험을 시작할 때에는
질소와 수소가 많아서
암모니아의 형성 진행이
매우 빠릅니다.
하지만 수소와 질소가 반응하고
반응에 사용되면서
반응은 점점 느려집니다.
왜냐하면 용기 속의 질소와 수소가
적어졌기 때문이지요.
결국, 암모니아 분자들은
질소와 수소로 분해되어 돌아가는
지점에 도달하게 됩니다.
좀 더 지나면 암모니아를 만들고 부숴지는
두 종류의 반응이
같은 속도에 도달하게 됩니다.
이 속도가 같을때
우리는 반응이 평행점에 도달했다고 합니다.
이것은 보기에는 좋아보입니다.
하지만 여러분이 많은 양의 암모니아를
만들고 싶을때는 그렇지 않습니다.
하버는 암모니아가 다시 분해되는
과정을 원치 않았습니다.
하지만 여러분이 밀봉된 용기에서
분해되지 않도록 해도
결국은 일어나게 됩니다.
그래서 프랑스의 화학자인 앙리 르 샤틀리에가
이 문제를 해결할 수있는 방법을
발견했습니다.
그가 발견한 것은
평행상태에 있는 용기에
어떤 것, 즉 질소와 같은 것들을
더 넣어준다면
분자들은 다시 평행상태로 돌아가기위해
다시 반응을 하기 시작한다는 것 입니다.
르 샤틀리에는 또한
용기 속의 압력을 증가시키면
용기 속의 분자들은
원래의 압력으로 돌아가기위해서
다시 계속 반응을 하게 된다는 것을 발견했습니다.
마치 사람이 가득한 방에 있는 것과 비슷합니다.
분자가 많아지면 많아질수록
압력 또한 증가하게 되지요.
다시 반응식을 보게되면
우리는 왼편에서
4개의 분자가 있는걸 볼 수 있습니다.
그리고 오른편에는 2개만 있지요.
결국, 분자가 덜 북적거리고,
압력이 작은 방을 원하면
질소와 수소 분자들은
좀 더 작은 암모니아 분자가 되기 위해서
그들끼리 결합을 하기 시작합니다.
하버는 많은 양의 암모니아를
만드는 방법을 깨닫고
실제로 기계를 만들어
평행상태에 있는 반응에
압력을 증가시키면서
질소와 수소를 계속해서 투입하는
장치를 발명했습니다.
오늘날에 암모니아는 전세계적으로
가장 많이 생산되는 화합물 중 하나 입니다.
연간 약 1.31억 톤,
즉, 약 2900억 파운드의 암모니아가 생산됩니다.
1만 파운드 몸무게의
아프리카 코끼리가
3억 마리 있는 것과 같습니다.
80%의 암모니아는 비료 생산에 사용되고
나머지 20%는
산업용이나 가정용 청소용으로
혹은 다른 질산과 같은
질소 화합물을 만들기 위해 사용됩니다.
최근에 연구에서 밝혀진 바로는
비료에 들어있는 질소가
반 정도는 식물에게 흡수되지 않는다고 합니다.
결과적으로, 질소는 지구의
물과 대기에서
우리의 환경에 큰 손상을 입히는
변덕스러운 화합물인것 이죠.
물론, 하버가 처음 발명했을때
이런 문제까진 알지 못했겠지요.
그의 선구적인 발견을 따라서
과학자들은 위험한 결과를 만들지 않고
지금과 같은 수준의 식량생산을 할 수 있는
21세기의 새로운 하버법을 만들기 위해서
노력하고 있습니다.