노벨 화학상의 기록을 살펴보면 1916년부터 1917년까지는 수상이 없었던 것을 알 수 있는데, 이 기간 동안 유럽은 1차 세계대전을 겪고 있었기 때문에 1918년에 상이 수여되었습니다. , 화학상은 독일의 화학자 하버에게 수여되었습니다. 이는 과학자들 사이에서 논쟁을 불러일으켰고, 영국, 프랑스 및 기타 국가의 일부 과학자들은 허블이 이 영예를 받을 자격이 없다고 공개적으로 밝혔습니다. 왜 이런가요?
농업이 발달하면서 질소비료에 대한 수요가 급증하고 있다. 19세기 이전에는 농업에 필요한 질소비료의 공급원은 주로 거름, 종자박, 녹비 등 유기 부산물에서 나왔습니다. 1809년 칠레에서 대규모 질산나트륨 매장지가 발견되어 빠르게 개발되었습니다. 한편으로는 이러한 광물 자원이 제한적이며, 다른 한편으로는 군수 산업에서도 폭발물을 생산하기 위해 많은 양의 초석이 필요합니다. 따라서 질소 비료의 원천을 해결하려면 다른 방법을 찾아야 합니다.
일부 선견지명이 있는 화학자들은 다음과 같이 지적했습니다. 미래의 식량 문제를 고려할 때 미래 세대를 기아로부터 구하기 위해서는 과학자들이 대기 질소 고정을 달성할 수 있기를 희망해야 합니다. 따라서 공기 중의 풍부한 질소를 고정하여 사용 가능한 형태로 변환시키는 것은 20세기 초 많은 과학자들의 관심과 관심을 끌었던 주요 이슈가 되었다. Haber는 암모니아 합성 공정 조건에 대한 실험적, 이론적 연구에 참여하는 화학자 중 한 명입니다.
질소와 수소를 원료로 하는 암모니아의 산업적 생산은 한때 어려운 과제였다. 최초의 실험실 개발부터 산업생산까지 약 150년이 걸렸다. 1795년 누군가가 상압에서 암모니아를 합성하려고 했고, 나중에 누군가가 50기압에서 합성하려고 했으나 모두 실패했다. 19세기 후반에 물리화학이 크게 발전하면서 사람들은 질소와 수소로부터 암모니아를 합성하는 반응이 가역적이라는 것을 깨달았습니다. 압력이 증가하면 반응은 암모니아 생성 방향으로 진행됩니다. 온도가 증가하면 반응이 다음 방향으로 이동합니다. 그러나 온도가 너무 낮으면 반응 속도가 너무 느려져 반응에 중요한 영향을 미칩니다. 이는 실제로 암모니아 합성 실험에 대한 이론적 지침을 제공합니다. 당시 독일의 물리화학 권위자인 네른스트(Nernst)는 질소와 수소가 고압 조건에서 암모니아를 합성할 수 있음을 분명히 지적하고 몇 가지 실험 데이터를 제공했다. 프랑스의 화학자 르 샤터리는 최초로 고압에서 암모니아를 합성하는 실험을 시도했으나, 질소-수소 혼합물에 산소가 섞여 폭발을 일으켰기 때문에 이 위험한 실험을 포기했습니다. 물리, 화학 연구에 탄탄한 기초를 갖고 있던 하버는 이 어려운 문제를 극복하겠다는 결심을 굳혔습니다.
하버는 먼저 암모니아 합성을 위한 최적의 물리적, 화학적 조건을 탐색하기 위해 일련의 실험을 수행했습니다. 그는 실험에서 얻은 데이터 중 일부가 네른스트의 데이터와 달랐습니다. 그는 맹목적으로 권위를 따르지 않고 실험에 의존하여 테스트를 했고 마침내 네른스트의 계산이 틀렸다는 것을 확인했습니다. 영국 학생인 Rosenau의 도움으로 Haber는 고압 실험에 적합한 장비 세트와 암모니아 합성 공정을 성공적으로 설계했습니다. 이 공정은 다음과 같습니다. 뜨거운 코크스 위에 수증기를 불어넣으면 거의 다음과 같은 혼합물을 얻을 수 있습니다. 일산화탄소와 수소가 같은 양이다. 일산화탄소는 촉매 작용에 따라 수증기와 추가로 반응하여 이산화탄소와 수소를 얻습니다. 그런 다음 혼합 가스를 일정 압력 하에서 물에 용해시키고 이산화탄소를 흡수하여 더 순수한 수소를 생성합니다. 마찬가지로, 수증기는 적당량의 공기와 혼합되어 적열된 탄소를 통과하게 되며, 공기 중의 산소와 탄소는 일산화탄소와 이산화탄소를 생성하고 이를 흡수 및 제거함으로써 필요한 질소를 얻게 됩니다.
질소와 수소의 혼합 가스는 고온, 고압, 촉매 작용으로 암모니아를 합성한다. 그렇다면 어떤 고온, 고압 조건이 최적일까요? 어떤 종류의 촉매가 가장 좋나요? 이를 탐구하려면 여전히 많은 노력이 필요합니다. 인내와 지속적인 실험과 계산 끝에 허블은 마침내 1909년에 고무적인 결과를 얻었습니다. 이는 600℃의 고온, 200기압의 압력, 오스뮴을 촉매로 하는 조건에서 약 8의 수율로 합성암모니아를 얻을 수 있다는 것을 의미한다. 8의 전환율은 높지 않으며 이는 물론 생산의 경제적 이익에 영향을 미칩니다. 하버는 암모니아 합성 반응이 이산화황 산화 반응의 전환율이 거의 100인 황산 생산만큼 높은 전환율을 달성할 수 없다는 것을 알고 있었습니다.
무엇을 해야 할까요? 하버는 반응 가스가 고압에서 순환될 수 있고, 반응에 의해 생성된 암모니아가 이 사이클에서 지속적으로 분리된다면 이 공정이 가능하다고 믿습니다. 그래서 그는 원료 가스의 재활용 프로세스를 성공적으로 설계했습니다. 이것이 암모니아 합성을 위한 하버 과정이다.
실험실을 벗어나 산업 생산을 수행하려면 여전히 노력이 필요합니다. Haber는 자신이 설계한 프로세스에 대한 특허를 취득한 후 이를 당시 독일 최대 화학 회사인 Baden Aniline and Soda Ash Manufacturing Company에 넘겼습니다. 당초 회사는 아크법을 이용해 질소산화물을 생산한 뒤 암모니아를 합성할 계획이었다. 두 가지를 비교하자 회사는 즉각 당초 계획을 취소하고 화학 전문가 보쉬를 필두로 엔지니어링 및 기술 인력을 편성해 하버의 설계를 실행에 옮겼다.
우선 하버의 공정 흐름을 바탕으로 값싼 원료인 질소와 수소를 대량 생산할 수 있는 보다 합리적인 방법을 찾았다. 실험을 통해 그들은 오스뮴이 매우 좋은 촉매임에도 불구하고 공기와 접촉하면 쉽게 휘발성 사산화물로 전환되기 때문에 가공이 어렵다는 것을 깨달았습니다. 또한 이 희귀 금속의 매장량은 세계적으로 매우 적습니다. . 하버가 제안한 두 번째 촉매는 우라늄이었다. 우라늄은 가격이 비쌀 뿐만 아니라 미량의 산소와 물에도 민감합니다. 효율적이고 안정적인 촉매를 찾기 위해 2년 동안 무려 6,500번의 실험과 2,500가지의 다양한 조성을 테스트한 끝에 납과 마그네슘 촉진제가 포함된 철 촉매를 최종 선택했다. 적절한 고전압 장비를 개발하는 것도 프로세스의 핵심입니다. 당시 저탄소강은 200기압의 압력을 견딜 수 있었지만 탈탄과 수소에 의한 부식이 두려웠다. 보쉬는 여러 가지 방법을 고민한 끝에 저탄소강 반응관에 단철 층을 추가하기로 결정했습니다. 단철은 강도는 없지만 수소 부식을 두려워하지 않아 마침내 문제가 해결되었습니다.
하버의 암모니아 합성 아이디어는 1913년 마침내 실현되었고, 하루 생산량 30톤의 합성 암모니아 공장이 건설되어 가동에 들어갔다. 그 이후로 암모니아 합성은 화학 산업에서 빠르게 발전하고 매우 활발한 부분이 되었습니다. 합성 암모니아 생산 방법의 탄생은 고정된 질소를 얻을 수 있는 길을 열었을 뿐만 아니라, 더 중요한 것은 이 생산 공정의 실현이 전체 화학 공정의 발전에 중대한 영향을 미쳤다는 것입니다. 합성암모니아에 대한 연구는 올바른 이론지도에서 나오며, 합성암모니아 생산기술에 대한 연구와 시험은 과학이론의 발전을 촉진합니다. 합성암모니아의 공업적 생산이 실현되고 그 연구를 통한 화학이론의 발전이 촉진된다는 점에서 하버에게 노벨 화학상을 수여하기로 결정한 것은 옳았다. Harper가 이 상을 받은 것은 당연한 일입니다. 일부 영국과 프랑스 과학자들은 하버가 노벨상을 받을 자격이 없다고 생각합니다. 이유는 무엇입니까? 일부 사람들은 암모니아 산업이 확립되지 않으면 독일의 무기 보유량이 충분하지 않을 것이며 군대가 감히 제1차 세계 대전을 감히 시작할 수 없을 것이라고 믿었습니다. 합성 암모니아 산업에서는 암모니아를 질산염으로 산화시켜 화약을 생산할 수 있습니다. 그렇지 않으면 칠레산 초석에만 의존하여 화약을 확보할 수 없습니다. 물론, 과학자들은 부당한 전쟁에 사용되는 특정 과학적 발명품과 창조물에 대해 직접적인 책임을 지지 않습니다. 영국과 프랑스 과학계의 하버에 대한 비판은 1차 세계대전에서의 하버의 성과에 더 초점을 맞추었습니다.
1906년 하버는 카를스루에대학교 화학과 교수가 되었고, 1911년 베를린 근처 빌헬름 물리화학·전기화학연구소 소장으로 임명되었으며, 동시에 대학 교수로도 재직했다. 베를린의. 1914년 세계 대전이 발발했을 때, 국가 우월주의가 부추긴 맹목적인 애국적 열광은 하퍼를 옛 전쟁의 소용돌이에 깊이 개입시켰습니다. 그가 이끄는 실험실은 전쟁에 봉사하는 중요한 군사 기관이 되었습니다. 하버는 전쟁에 필요한 재료의 공급과 개발, 특히 전쟁 가스 개발을 맡았습니다. 그는 한때 독가스 공격이 전쟁을 끝내고 전쟁을 단축시키는 좋은 방법이라고 잘못 믿었기 때문에 전쟁 중 독일의 독가스 전쟁 과학 책임자를 역임했습니다.
하얼빈의 제안에 따라 독일군은 1915년 1월 염소가스를 담은 실린더를 진지 전면에 배치하고 바람을 이용하여 적진을 향해 염소가스를 불어넣었다. 첫 번째 현장 시험은 성공적이었습니다. 그해 4월 22일 독일군이 개시한 이프르 전투 당시 독일군은 전방 6㎞ 지점에서 5분 만에 180톤의 염소가스를 방출했다. 높은 사람은 불사조의 힘으로 땅을 따라 돌진하여 영국군과 프랑스군 진지를 향해 돌진하고(염소 가스는 공기보다 비중이 높아 아래층으로 가라앉아 땅을 따라 이동함) 참호에 들어가 머뭅니다. 거기.
이 독파로 인해 영국군과 프랑스군은 코와 목에 통증을 느꼈고, 일부는 질식사하기도 했다. 영국군과 프랑스군은 너무 겁에 질려 사방으로 도망쳤다. 약 15,000명의 영국군과 프랑스군이 중독된 것으로 추정됩니다. 이는 군사 역사상 처음으로 치명적인 독극물을 대규모로 사용하는 현대 화학전의 시작이었습니다. 이후 양측 모두 독가스를 사용했으며, 새로운 형태의 독가스도 개발됐다. 독일 당국도 독가스로 인한 사상자를 추정하지 못했다. 그러나 독가스와 화학전의 사용은 유럽 국가 국민들에 의해 만장일치로 비난되었다. 과학자들은 이러한 비인도적인 행동을 비판하기도 했습니다. 이를 고려하여 영국, 프랑스 등의 과학자들은 당연히 하버의 노벨 화학상 수상에 반대했습니다. 하버 역시 전쟁이 끝난 뒤 정신적으로 크게 흔들렸고, 전범으로 몰릴까 봐 6개월 정도 시골로 피신했다.