탄소 화합물과 사회

식물이 자라려면 질소가 필요하다. 공기의 78%가 질소인데도 식물은 이를 직접 쓰지 못한다. 20세기 초까지 농부들은 남미의 새똥 퇴적물이나 초석을 캐어 비료로 썼고, 그것이 바닥나면 식량이 모자랄 것이라는 경고가 나왔다. 하버와 보슈는 공기 속 질소를 암모니아로 바꾸는 방법을 찾아 이 위기를 넘겼다. 이 화학 반응은 어떤 조건에서 일어나며, 오늘날 사회에 무엇을 남겼을까?

온도 (°C)

압력 (atm)

3.4.1하버–보슈 공정

질소 분자는 삼중 결합으로 매우 단단히 묶여 있어 잘 반응하지 않는다. \(\text{N}_2 + 3\text{H}_2 \rightleftharpoons 2\text{NH}_3\), \(\Delta H = -92\) kJ은 발열 반응이고 기체 분자 수가 4에서 2로 준다. 르샤틀리에 원리에 따르면 온도를 낮추고 압력을 높일수록 평형이 암모니아 쪽으로 이동한다.

그런데 온도를 낮추면 반응이 너무 느려진다. 그래서 공장에서는 철 촉매를 쓰고, 속도와 수득률을 함께 고려한 400~500 °C, 150~300 atm에서 반응시킨다. 그림 1에서 450 °C, 200 atm을 보면 평형 암모니아는 약 36%이다. 생긴 암모니아를 식혀 액체로 빼내고 남은 기체를 다시 돌려 반응시키면 결국 대부분을 암모니아로 바꿀 수 있다.¹

3.4.2탄소 화합물과 사회

암모니아로 만든 질소 비료는 세계 식량 생산을 몇 배로 늘렸다. 오늘날 세계 인구의 절반 가까이가 이 비료로 기른 곡식에 기대어 산다고 어림한다. 암모니아는 요소 비료, 나일론, 약품, 폭약의 원료이기도 하다. 한편 원료 수소는 주로 메테인에서 얻어 이산화 탄소를 많이 낸다. 플라스틱, 합성 섬유, 의약품처럼 탄소 화합물은 삶을 풍요롭게 했지만, 그 원료와 폐기물이 기후와 환경에 부담을 준다는 점을 함께 따져야 한다.

3.4.3예제 풀이

암모니아 1.0 t은 \(\dfrac{10^6}{17} \approx 5.88 \times 10^4\) mol이다. 반응식에 따라 질소는 그 절반인 \(2.94 \times 10^4\) mol, 곧 약 0.82 t이고, 수소는 1.5배인 \(8.82 \times 10^4\) mol, 곧 약 0.18 t이다.

수증기 개질에서 수소 4 mol마다 이산화 탄소 1 mol이 나오므로 \(\dfrac{8.82 \times 10^4}{4} \approx 2.2 \times 10^4\) mol, 곧 \(2.2 \times 10^4 \times 44 \approx 0.97\) t이다. 즉 원료만으로도 암모니아 1 t에 이산화 탄소 약 1 t이 나오고, 높은 온도와 압력을 만드는 에너지까지 더하면 더 많아진다. 그래서 재생 에너지로 물을 전기 분해해 얻은 수소로 암모니아를 만드는 방법이 연구되고 있다.

아래 탐구 카드에서 새로운 탄소 화합물이 사회를 어떻게 바꾸었는지, 공기로 비료를 만들고 석유로 옷을 만드는 과정을 살펴보자.

1. 그림 1의 값은 반응의 엔탈피와 엔트로피로 평형 상수를 구해 이상 기체로 계산한 어림값이다. 실제 공장 자료와는 몇 % 차이가 날 수 있다.