암모니아 합성 연구과정과 역사

암모니아 합성 연구과정과 역사

암모니아 합성 연구과정과 역사

천연자원은 재생되는데 긴 시간이 걸립니다. 예를 들어서 숯을 만들기 위해서 아름드리나무를 잘라서 썼다고 가정해봅시다. 실제로 나무를 자르고 숯을 만들고 숯을 태우는 데는 불과 며칠 몇 주일이면 다 태워버리죠. 근데 그와 같은 아름드리나무가 다시 자라기 위해서는 적어도 수백 년이라는 긴 세월을 기다려야만 합니다. 구아노도 마찬가지입니다. 구아노로 이루어져 있는 커다란 산을 파내서 유럽으로 수출을 하고 이렇게 수입된 구아노를 밭에 뿌려서 식량을 증산하는 것은 불과 수년이면 다 끝나버리죠. 그런데 구아노를 다 쓰고 나면 다시 구아노가 쌓이기 위해서는 적어도 수천 년, 수만 년이라는 긴 세월을 기다려야만 합니다. 다시 말해서 천연자원은 무한정 공급되지 않습니다. 언젠가는 반드시 고갈되는 것이 천연자원이죠. 천연자원이 고갈되고 나면 이 천연자원을 대체할 새로운 물질을 만들어 내야 합니다. 그러기 위해서는 이 천연자원을 대체할 물질을 만드는데 필요한 흔하고 값싼 물질이 있어야겠죠. 이처럼 흔하고 값싼 물질로부터 화학반응을 통해서 천연자원을 대체할 유용한 물질을 만들어내기 위해서는, 화학반응을 실현하기 위한 화학적 지식을 적용해야만 할 것입니다.

화학반응 실험을 통한 천연자원 대체

구아노가 고갈되고 초석마저도 고갈되기 시작하면서 바로 이와 같은 생각을 한 화학자가 있었습니다. 그는 독일의 칼스루에라는 대학에서 화학 교수로 재직하고 있었던 프리츠 하버였습니다. 프리츠 하버는 고갈되는 구아노와 초석을 대신할 물질을 찾기 시작했습니다. 그는 공기의 대부분이 질소로 이루어져 있다는 사실에 주목하게 됩니다. 공기의 4/5, 즉 78%가 질소였던 것이죠. 공기는 78%가 질소고 21%가 산소 1%가 아르곤입니다. 공기의 대부분이 분자 상태의 질소로 이루어져 있는 것이죠. 하지만 이 질소는 분자 상태로는 우리 식물과 동물이 흡수할 수가 없죠. 그래서 하버는 이 공기 중에 아주 흔하게 존재하는 거의 공짜나 다름없는 분자 상태의 질소를 식물이나 동물이 흡수할 수 있는 형태로 바꾸어 주면 되지 않겠는가, 하는 생각을 하게 됩니다. 화학반응을 생각한 것이죠. 그가 생각한 물질은 다름 아닌 암모니아였습니다. 그래서 그는 암모니아 합성을 구상하게 되죠. 암모니아 합성을 실현하기 위해서는 무엇이 필요할까요?

암모니아 합성을 위해 필요한 것

화학적 지식이 필요합니다. 화학적 지식을 적용해서 암모니아 합성을 실현해야 되는 것이죠. 그래서 물질이라는 관점에서 암모니아 합성을 들여다보게 됩니다, 과연 어떤 원소가 관여하는지 일단 보게 되겠죠? 암모니아라는 물질을 보면 굉장히 단순한 물질입니다. 질소라는 원자와 수소라는 원자, 단 두 가지 종류로만 이루어져 있는 물질입니다. 암모니아를 합성하기 위한 질소를 공급하기 위해서 분자 상태의 질소를 공기로부터 가져옵니다. 이어서 수소를 공급하기 위해 수소 기체가 필요하겠죠. 이들을 가지고 다음과 같이 화학반응식을 썼습니다. 질소 분자가 세 개의 수소 분자를 만나서 반응이 일어나면 두 개의 암모니아 분자를 만듭니다. 이와 같은 화학반응식을 무엇으로 썼습니까? 주기율표를 자판으로 삼아서 화학 언어로 화학반응식을 쓴 것이죠. 에너지라는 관점에서 암모니아 합성을 들여다보도록 하겠습니다.

암모니아 합성 중 일어나는 화학적 반응

우선 화학자는 이 반응이 과연 발열반응인가 아니면 흡열 반응인가에 관심을 갖게 됩니다. 반응이 발열반응인지 흡열 반응인지에 관심을 갖게 되는 이유는 발열반응인지 흡열 반응인지에 따라서 이 반응의 자발성이 좌우되기 때문입니다. 반응의 자발성을 이해하기 위해서 이 자동차를 예로 들어보죠. 이 자동차를 언덕 위로 올려놓기 위해서는 어떻게 해야 할까요? 에너지를 투입해야 되겠죠? 그냥은 올라가지 앉고, 뒤에서 밀던지 앞에서 끌어줘야 됩니다. 이처럼 밀고 끄는 과정에서 우리는 에너지를 투입하게 되고, 투입한 에너지는 이 자동차가 언덕을 올라가는 과정에서 가져가게 됩니다. 즉 자기가 흡수하게 되는 것이죠. 이와 같은 반응은 결코 자발적으로 일어나지 않습니다. 그래서 이와 같은 반응을 비자발적 반응이라고 합니다. 영어로는 non-spontaneous reaction이라고 하죠. 이와 같은 반응은 억지로 일어나는 반응입니다. 저절로 일어나지 않고 뒤에서 밀거나 앞에서 끌어야만 하는 반응이고 그 과정에서 올라간 만큼의 에너지 차이에 해당하는 열을 흡수하게 됩니다. 일정 압력 조건에서, 즉 1 기압에서 관찰되는 열량을 우리는 엔탈피라는 용어를 사용해서 표현합니다. H라는 대문자를 사용해서 기술을 하죠. 예에서 본 것과 같이 열을 흡수하는 흡열 반응일 경우에는 에너지 차이에 해당하는 만큼의 열을 흡수를 하게 되는데, 그 열량을 ΔH로 표시하게 됩니다. 이번에는 반대로 언덕을 굴러 내려가는 자동차를 가정해보죠. 이 자동차는 어떻게 해야만 언덕을 굴러 내려갈까요? 밀어야 될까요? 당겨야 될까요? 그럴 필요가 없죠. 그냥 내버려 둬도 이 자동차는 저절로 언덕을 굴러 내려가게 됩니다. 이와 같은 반응을 자발적으로 일어나는 반응, spontaneous reaction이라고 합니다. 쉽게 일어나는 반응입니다. 그리고 이와 같은 반응은 언덕을 굴러 내려가는 과정에서 이 언덕의 높이 차이에 해당되는 만큼의 에너지를 바깥으로 발산하게 됩니다. 그래서 이와 같은 반응을 발열반응이라고 말합니다. 발열반응의 경우 밖으로 열을 발산하기 때문에 실제로 이 반응이 일어나고 나면 그 주변은 따뜻해집니다. 하버가 암모니아 합성을 연구하던 당시, 앞에서 소개했던 것처럼, 미국의 화학자인 깁스에 의해서 화학 열역학이라는 이론이 이미 정립되어 있었습니다. 화학 열역학을 적용해서 암모니아 합성 반응이 발열반응인지 흡열 반응인지를 조사해보면, 발열반응이라는 결과가 나옵니다. 따라서 암모니아가 합성되는 반응은 자발적으로 일어나는 반응일 것으로 예상됩니다. 실현될 가능성이 굉장히 높은 것입니다.