반응과 조건
N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ 는 발열 반응이고 기체 분자 수가 4에서 2로 줄어요. 르샤틀리에 원리에 따르면 낮은 온도와 높은 압력이 수득률에 유리해요. 하지만 온도가 낮으면 반응이 너무 느리기 때문에 약 400~500°C에서 철 촉매(산화칼륨·산화알루미늄 조촉매)를 쓰는 타협 조건을 사용해요. 반응하지 않은 기체는 순환시켜 다시 반응시켜요.
촉매의 역할
촉매는 평형 위치를 바꾸지 않고 활성화 에너지를 낮춰 평형에 빨리 도달하게 해요. 질소 분자는 철 표면에 흡착된 뒤 해리되는데, 게르하르트 에르틀은 이 표면 반응 메커니즘 연구로 2007년 노벨 화학상을 받았어요.
역사와 의의
- 프리츠 하버가 1909년 실험실에서 합성에 성공했고, BASF의 카를 보슈가 1913년 공업화했어요.
- 합성 질소 비료가 세계 인구의 약 절반을 먹여 살린다는 추정이 있어요(Erisman 외, 2008).
- 같은 기술이 질산 제조를 통해 1차 세계대전 폭약 생산에도 쓰였어요. 이 점은 과학자의 사회적 책임 논의에서 자주 다뤄져요.
환경 문제
수소를 주로 천연가스에서 얻기 때문에 전 세계 에너지와 이산화탄소 배출의 상당 부분을 차지하고, 과다한 질소 비료는 수질 오염과 아산화질소 배출을 일으켜요. 재생에너지 수전해로 얻은 그린 수소를 쓰는 연구가 진행 중이에요.
캠퍼스다운 자료실에는 이 이론을 다룬 자료도 있어요: 「하버에 대하여: 1915년부터 1918년까지 일기 형식으로 쓴 독가스 개발과 과학자의 책임」.
이 이론을 다룬 레포트·발표 자료는 캠퍼스다운 자료실의 '하버-보슈 공정' 레포트 검색에서 찾아볼 수 있어요.
참고문헌
- Smil, V. (2001). Enriching the Earth: Fritz Haber, Carl Bosch, and the Transformation of World Food Production. MIT Press.
- Erisman, J. W., Sutton, M. A., Galloway, J., Klimont, Z., & Winiwarter, W. (2008). How a century of ammonia synthesis changed the world. Nature Geoscience, 1, 636-639.
- Ertl, G. (2008). Reactions at surfaces: From atoms to complexity (Nobel Lecture). Angewandte Chemie International Edition, 47(19), 3524-3535.
- Atkins, P., & de Paula, J. (2014). Physical Chemistry (10th ed.). Oxford University Press.