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변종철의 재미있는 과학이야기
[변종철의 재미있는 과학이야기](15)암모니아와 화학 무기의 아버지 인생①
입력 : 2012. 04.28. 00:00:00
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▲콩밭에 암모니아를 뿌려주고 있는 모습.

식물의 성장에 질소 화합물이 필수적이었고, 한 때는 비료가 토양을 비옥하게 만드는 주요한 재료로 인식했다. 19세기에 유럽의 인구는 급격히 증가하였으며, 따라서 식량의 증산이 절실히 요구되었다.

그 당시의 해결책은 칠레에 매장되어 있는 질산 나트륨(sodium nitrate, NaNO3, 칠레 초석)에서 찾았다. 이 물질이 엄청난 양으로 채굴되었고 Cape Horn에서 선적되어 유럽으로 보내졌다. 질산 나트륨 덕분에 유럽은 기아를 면했으며, 칠레는 부유한 나라가 되었다.

그러나 질산 나트륨의 매장량은 한계가 있기 때문에 언젠가는 고갈이 될 것이다. 그래서 화학자들은 무한히 존재하는 반응성이 낮은 질소 기체로부터 질소 화합물을 합성하는 방법에 대해 연구하게 되었다.

1908년에 프리츠 하버(Fritz Haber, 1868. 12. 09 ~ 1934. 1. 29)는 '고온·고압의 조건과 촉매하에서 질소와 수소 기체로부터 암모니아를 합성할 수 있다'는 것을 발견했다. 이후 수 년간에 걸쳐 각고의 노력 끝에 효율적인 반응조건이 탄생했다. 그래서 과학자와 화학회사에 의해 암모니아 합성 공장이 완공된 시기는 1차 세계대전(1914. 07. 28 ~1918. 11. 11)이 발발하던 때였다.

그 누구가 이 공정에 의해 합성된 것이 수 백만명을 죽이는 물질로 둔갑하리라고 생각했을까? 그는 고형 폭약을 완성하여 다이너마이트(dynamite)라고 칭한 알프레드 노벨(Alfred Bernhard Nobel, 1833. 10. 21 ~ 1896. 12. 10)과 함께 과학의 양면성을 보여주고 있는 과학자이다.

연합군에 의해 독일은 봉쇄되었고 칠레 초석의 공급도 끊어졌지만 생산된 암모니아는 식량 생산보다는 폭약의 합성에 사용되었다. 이 공정이 없었더라면 독일과 오스트리아-헝가리 군대는 폭약의 부족으로 1918년 이전에 이미 항복했을 것이다.

이런 우여곡절을 뒤로 하고 태어난 암모니아는 현재도 중요한 질소 화합물이다. 이 화합물은 무색의 특유한 자극성 또는 찌르는 듯한 냄새를 가진 기체다. 암모니아는 쉽게 액화되며 이것은 질소 비료로 쓰인다.

물론, 황산 암모늄{(NH4)2SO4}과 질산 암모늄(NH4NO3)같은 염도 비료로 사용된다. 다량의 암모니아는 요소로 변환시켜 비료, 가축의 사료 영양제, 그리고 urea-formaldehyde 플라스틱 제조에 이용된다. 또한 이 암모니아는 대부분의 기타 질소 화합물을 만드는 출발물로 쓰인다.

그런데 농가에서 토양을 관리할 때 화학반응과 화합물의 성질에 대해 생각하면 유익할 수 있다. 암모늄계통의 비료와 수산화 칼슘{소석회, Ca(OH)2}을 동시에 사용하면 효과적인 토양 관리법이 되지 못한다. 물론 수산화 칼슘은 토양의 산성을 중화시키 위해 이용한다. 두 물질을 동시에 토양에 뿌리면 암모늄계통의 비료와 수산화 칼슘이 반응하여 수산화 암모늄이 생성돤다. 이후에 이 수산화 암모늄은 암모니아 기체로 날아가버린다.

석회석(주성분 : 탄산 칼슘)을 열분해시키면 생석회가 생성되며, 이 물질에물을 가하면 소석회가 된다. 이 소석회는 옛적에 운동장에 선을 긋고, 석회벽에 사용하는 흰색 가루이다. 탄산 칼슘은 분필, 대리석, 계란껍질, 진주 등의 주요 구성 성분으로 자신의 역할을 수행하고 있다.

<제주대학교 화학과 교수>

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