화학과 우리 사회

1900년 무렵 세계 인구는 약 16억 명이었고, 과학자들은 머지않아 곡식이 모자랄 것이라 걱정했다. 지금 세계 인구는 80억 명에 이르는데, 그 절반 가까이는 공기 속 질소로 만든 비료 덕분에 먹고산다고 한다. 공기가 어떻게 식량이 될 수 있을까?

연도

1.1.1질소는 많은데 쓸 수 없다

식물은 단백질과 DNA를 만들기 위해 질소가 꼭 필요하다. 공기의 약 78%가 질소 기체 \(\text{N}_2\)이니 질소는 넘쳐 나는 셈이다. 그런데 \(\text{N}_2\)의 두 질소 원자는 삼중 결합으로 아주 단단히 묶여 있어, 대부분의 생물은 이를 직접 쓰지 못한다. 식물은 흙 속의 암모늄 이온이나 질산 이온 같은 화합물 형태로만 질소를 받아들인다.

그래서 20세기 초까지 농부들은 퇴비나 남아메리카에서 캐 온 초석(질산 나트륨)에 기댔고, 이 자원은 곧 바닥날 것으로 보였다. 공기 속 질소를 화합물로 바꾸는 방법이 절실했다.

1.1.2하버-보슈법

1909년 하버는 질소와 수소를 높은 압력과 온도에서 철 촉매 위로 지나게 하여 암모니아를 만드는 데 성공했고, 보슈는 이를 공장 규모로 키웠다. 반응식은 다음과 같이 쓴다.

암모니아는 그대로 또는 질산 암모늄, 요소 같은 비료로 바뀌어 밭에 뿌려진다. 그림 1의 슬라이더로 연도를 옮겨 보면, 1960년 무렵부터 비료 사용량이 크게 늘고 같은 시기 인구도 가파르게 늘어난다. 두 그래프가 함께 움직였다고 해서 하나가 다른 하나의 유일한 원인이라고 할 수는 없지만, 늘어난 곡식 생산의 상당 부분이 합성 비료에서 왔다는 데에는 많은 연구가 동의한다.¹

1.1.3예제 풀이

계수의 비가 \(1 : 3 : 2\)이므로 수소 분자는 \(600 \times 3 = 1800\)개가 필요하고, 암모니아 분자는 \(600 \times 2 = 1200\)개 생긴다.

반응 전 질소 원자는 \(600 \times 2 = 1200\)개, 수소 원자는 \(1800 \times 2 = 3600\)개이다. 반응 뒤 암모니아 1200개에는 질소 원자 1200개, 수소 원자 \(1200 \times 3 = 3600\)개가 들어 있다. 원자는 새로 생기거나 사라지지 않고 짝만 바꾼다. 반응식의 계수는 바로 이 원자 수를 맞추는 값이다.

하버-보슈법은 해결과 함께 대가도 남겼다. 수소를 얻기 위해 천연가스를 써서 많은 이산화 탄소가 나오고, 밭에 넘치게 뿌린 질소 비료는 강과 바다로 흘러 녹조를 일으킨다. 같은 기술로 만든 질산은 전쟁에서 폭약의 원료가 되기도 했다. 아래 탐구 카드에서 하버-보슈법의 영향과 시약의 안전 표시, 녹색 화학을 직접 살펴보자.

1. 오늘날 우리 몸속 질소 원자의 절반 가까이는 하버-보슈법 공장을 한 번 거쳐 온 것으로 추정된다. 이 공정에는 전 세계 에너지 사용량의 1~2%가 쓰인다.