국가경제와 민생에 관련된 기술

——20세기 전반 화학비료의 발명과 응용. 농작물은 전적으로 비료에 달려있습니다." 그러나 20세기 이전에는 농작물에 필요한 질소비료의 공급원이 매우 제한적이었습니다.

19세기 초 칠레 사막지대에서 대규모 질산나트륨 광산이 발견돼 급속히 채굴됐다. 19세기 중반에는 질소비료로 사용됐다. 세계는 주로 칠레의 이 매장지에서 나왔습니다. 그러나 천연초석의 생산량이 극도로 제한되어 있어서 칠레의 광산은 채굴이 가능한 기간이 수십 년밖에 되지 않아 당시 세계적으로도 매우 희귀한 광산이었습니다. 희소성과 더불어 미국에서 유럽까지의 장거리도 중요한 단점입니다.

19세기 후반 유럽 각국에서 코크스 산업이 점차 성장하면서 사람들은 코크스의 부산물인 암모니아를 원료로 사용하면 황산암모늄을 만들어 사용할 수 있다는 사실도 발견했다. 이러한 방식으로 값싼 코크스 부산물은 점점 더 또 다른 질소 비료 공급원이 되고 있습니다. 그러나 아직 수요를 충족시키기에는 거리가 멀다. 당시 농업에 사용된 질소비료는 주로 인간과 동물의 거름, 땅콩 케이크, 콩 케이크, 냄새나는 생선, 썩은 새우, 동물 찌꺼기 등 유기 부산물에서 나왔습니다. 또한 뇌우 방전으로 인해 형성된 질소 산화물에서 극소량의 질소가 발생합니다.

농업 생산의 발전과 지구 인구의 지속적인 증가로 인해 천연 질소 화합물의 양은 점점 더 작물 성장의 요구를 충족시킬 수 없게 되었습니다. 전 세계 국가에서는 점점 더 많은 질소 화합물의 설립을 요구하고 있습니다. 질소 화합물 산업을 위한 대규모 생산 공장.

1898년 영국의 물리학자 크룩스는 인류에게 화학비료의 중요성을 처음으로 깨달았다. 그는 브리스톨에서 열린 영국과학협회에서 연설을 한 뒤 수많은 사실을 나열해 사람들에게 경고했다. : "인구 증가로 인해 땅이 좁아졌습니다. 이대로 가면 식량부족시대가 도래할 것입니다. 해결책은 새로운 질소비료를 찾는 것입니다."

(1) 대기로 질소 비료가 필요하다

새로운 질소 비료는 어디서 찾을 수 있을까? 과학자들은 자연스럽게 공기를 떠올렸다. 과학자들은 이미 지구 주위 공기의 상당 부분(약 79%)을 질소가 차지하고 있으며, 무궁무진하다고 할 수 있다는 사실을 알고 있습니다. 그러나 공기 중에 유리질소가 다량 존재함에도 불구하고 질소의 화학적 성질은 매우 비활성적이어서 직접적으로 활용하는 것은 여전히 ​​매우 어렵다. 과학자들은 자연의 정상적인 온도에서 유리질소는 콩과 식물에서 자라는 뿌리줄기균(rhizobia)에 의해서만 직접적으로 활용될 수 있다는 것을 발견했습니다. Rhizobium은 놀라운 능력을 가지고 있습니다. 즉, 공기 중의 질소를 실온에서 필요한 질소 비료로 전환시킬 수 있는 기능을 가지고 있습니다. 따라서 공기 중에서 질소비료를 얻는 것이 과학자들의 추구 목표가 되었습니다.

도둑들의 경고가 먼저 독일의 관심을 끌었습니다. 독일은 식민지가 거의 없고 식량을 자급자족해야 했기 때문입니다. 다른 유럽 국가의 과학자들과 마찬가지로 독일 화학자들도 공기 중의 질소를 수소와 직접 결합하여 암모니아를 합성하고 이를 비료인 황산암모늄으로 전환하기를 원합니다. 그러나 이는 산소와 수소를 결합하여 수증기를 형성하는 것만큼 간단하지 않습니다. 많은 화학자들은 이것이 어렵다고 생각하고 있으며, 유명한 화학자 리비히도 불가능하다고 생각했습니다.

그러나 리비히의 결론은 사실 좀 지나치다. 인류가 20세기에 들어서면서 과학자들은 점차 이 모든 것을 현실로 바꾸게 되었고, 그들은 공기 중의 질소를 화합물로 추출하는 여러 종류의 공기질소 추출기를 개발하게 되었다. . 고정 방법. 그다지 실용적이지는 않지만 향후 개발을 위한 기반을 마련합니다.

1900년 초, 라이프치히 대학의 오스트발트 교수는 수년간의 촉매 연구 끝에 암모니아 합성에 성공했다고 발표했습니다. 그는 철선을 촉매로 사용해 암모니아를 질소와 수소로 분해했고, 이를 통해 질소와 수소 부피의 6%에서 암모니아를 합성했다. 이는 실제로 가능하며, 촉매를 사용하면 이전에는 불가능했던 질소와 수소의 조합이 가능해집니다. 이를 위해 그는 독일 바덴 아닐린 소다회 회사(BASF Chemical Company)에 100만 마르크의 지원을 요청했다.

그러나 여전히 회의적인 과학자들이 많다. 그 가운데 신중한 고민 끝에 의문을 제기한 사람이 바로 BASF에 입사한 지 1년이 된 젊은 엔지니어였다. 당시 고작 26세.

보쉬는 오스왈드의 성공적인 암모니아 합성 방법을 알게 된 후, 이 위대한 과학자의 실험을 다시 수행한 결과 소위 합성 암모니아가 전혀 합성되지 않았음을 발견했다. 철선을 이용해 암모니아 분해 실험을 했을 때, 이 위대한 과학자의 오류를 지적해야 하나 고민을 거듭하다가 마침내 용기를 내어 연구 결과를 발표하고 공식적으로 지적했습니다. 오스트발트의 오류.

많은 유명 과학자들에게 보쉬는 정말 아무것도 아닌 존재였습니다. 어떤 사람들은 그를 비난했습니다: "이 일에 새로 입문한 사람들은 무엇을 알고 있습니까?"

그러나 일부 과학자들은 나중에 실험을 반복했습니다. 그 결과 보쉬가 옳았다는 것이 입증되었고, 그들은 보쉬를 감탄하며 바라보기 시작했고, 그때부터 보쉬는 공기 중의 질소를 고정하는 방법에 관심을 갖게 되었습니다.

1902년 과학자 프랭크와 칼러는 탄화칼슘을 전기로에서 1000°C 이상 가열해 공기 중의 질소와 결합해 석회질소를 생성했지만 이것이 인공 질소를 의미하지는 않았다. 질소비료 합성의 꿈은 실현되지 않는다. 탄화칼슘을 만들기 위해서는 생석회와 코크스를 2300℃ 이상의 고온 전기로에 넣어야 하기 때문에 많은 전력이 소모되고 현실적이지 않다. 따라서 농업에 필요한 화학비료 문제에 대한 근본적인 해결책은 없다.

1903년 버클랜드와 에드는 공기 중에 전기 스파크를 방출해 공기 중의 질소와 산소를 결합해 질산칼슘을 생성하는 또 다른 질소 고정 방법을 개발했다. 하지만 다시 한 번 문제는 이 방법에도 여전히 많은 전기가 필요하다는 것입니다.

오스트발트가 실험 결과를 발표한 후 보쉬 등이 그의 실수를 지적했고, 마침내 그도 자신의 실수를 깨달았다. 그는 몸을 굽혀 촉매에 대한 심층적인 연구를 계속했다.

오스트발트가 있던 라이프치히 대학은 이르면 1897년 1월부터 대규모 연구실을 지었기 때문에 심층적인 연구에 없어서는 안 될 조건을 갖추고 있었다. 그는 촉매 연구에 관해 연구원들과 함께 일했습니다. 한번은 콜로이드 백금촉매 1000만분의 1g만 사용해도 산화수소 분해율이 100만배 증가할 수 있다는 사실을 발견한 바 있다. 그는 촉매가 산업 생산에서 중요한 역할을 해야 한다고 굳게 믿습니다. 오랫동안 어떤 종류의 촉매가 어떤 종류의 화학 반응에 가장 효과적인가? 어떤 종류의 촉매 구조가 화학 반응을 가속화하거나 지연시키는가? 사람들은 이러한 문제를 이해하지 못하고 모두 경험을 바탕으로 탐구합니다. 오스트왈드는 이론적인 연구를 했고, 촉매를 다음과 같이 정의했다.

“화학반응의 최종 생성물이 일어나기 전에 반응속도를 바꿀 수 있는 물질”

그도 생생하게 말했다. 촉매를 "기계식 윤활유"와 비교하면 기계적 에너지를 제공하지 않지만 마찰을 줄일 수 있습니다.

오스터왈더는 현대 화학기술의 상징 중 하나인 촉매를 산업적으로 활용할 수 있는 길을 열었고, 그의 촉매 이론이 없었다면 앞으로도 다른 사람들은 가질 수 없는 인공합성 비료의 길을 열었습니다. . 합성비료.

(2) Harper가 많은 기여를 했습니다

BASF가 위치한 Port Louis에서 라인강 위쪽에 Karlsruhe라는 곳이 있는데, 거기에 유명한 대학이 있습니다. 칼스루에 공과대학교. 이 대학의 화학과 교수인 프리츠 하버(Fritz Haber)도 이때 크룩스의 경고에 깊은 영향을 받아 암모니아 합성 연구에 전념하기 시작했다.

1902년 초, 하퍼는 암모니아 합성 이론을 연구하기 위해 과학적인 조사를 위해 미국으로 건너갔습니다. 그는 자연을 모방한 고정 질소를 생산하는 나이아가라 공장을 방문하기 위해 특별한 여행을 떠났습니다. 뇌우 방전. 이번 방문을 통해 그는 질소를 질소산화물과 암모니아로 고정하는 연구에 큰 관심을 갖게 되었습니다. 독일로 돌아온 후 그는 실험실에 뛰어들어 획기적인 연구 작업을 시작했습니다.

1904년 비엔나의 두 화학 기업가인 마굴리스 형제는 이 작업의 큰 의미를 깨닫고 카를스루에 공과대학에 와서 공식적으로 하버와 합성 연구 계약을 체결했습니다. 질소와 수소 원소로부터의 암모니아. 그때부터 Haber와 그의 학생 및 조교들은 암모니아 합성에 관한 실험적 연구에 모든 노력을 기울였습니다.

하퍼는 가역반응의 평형조건에서 출발하여 암모니아의 합성이론을 연구했다. 하퍼는 촉매에 대한 지식만으로는 충분하지 않으며, 화학반응에 대한 새로운 이해가 필요하다고 믿습니다. 즉, 화학평형이론의 핵심은 일반적으로 원료가 모두 제품물질로 되는 것은 아니며, 동시에 생성된 물질도 역반응이 일어납니다.

특정 반응 조건, 즉 농도, 온도 및 압력 하에서 이러한 정반응과 역반응은 균형을 이룹니다.

하버는 이 아이디어를 바탕으로 반응 조건을 조정하면 이전에는 불가능하다고 여겨졌던 암모니아 합성도 가능할 수 있다는 사실을 깨달았다. Harper는 아마도 높은 온도에서 이 반응이 일어날 것이라고 처음에 생각했습니다. 그는 자신의 생각대로 실험을 시작했지만 결과는 의외였다. 온도를 1000°C로 높였을 때 암모니아 생산량은 원료 부피의 0.012%에 불과해 저온에서의 생산량만큼 좋지 않았다. 그러나 반응온도를 낮추면 반응이 매우 느려진다. Harper는 화학 반응 속도를 높이려면 적절한 촉매가 필요하다고 믿었습니다.

1904년 4월부터 1905년 7월까지 1년 넘게 하퍼와 다른 사람들은 실험실에서 밤낮으로 여러 가지 지루한 실험을 계속했지만, 거의 모든 실험이 실패했습니다. 그 결과, 마굴리스 형제는 수익이 없다는 것을 알고 프로젝트에 대한 재정적 지원을 취소했고, 그 결과 하퍼는 극도로 당황스러운 상황에 빠졌습니다.

동시에 베를린 대학에서 화학평형 이론을 연구하던 월터 헤르만 네른스트(Walter Hermann Nernst) 교수도 암모니아 합성 이론 연구에 직접 투자해 높은 성능을 발휘했다. -온도 및 고압 암모니아 합성 실험. 실험 후 그는 Haber의 실험 결과에 뭔가 문제가 있음을 발견했습니다. 실제로는 0.0032%에 불과했는데, 이는 한 단계 더 작은 크기로 Haber의 실험 결과가 실현 가능하지 않음을 입증했습니다.

월터 헤르만 네른스트는 자신의 연구를 산업화하기 위해 유명 화학회사에 장비 제작을 의뢰했다. 압력이 그리 높지는 않았지만 이 회사는 여전히 그런 높은 압력을 견딜 수 있는 장비를 생산하기 어려웠다. 온도와 압력 때문에 그는 큰 실수를 저질렀고 산업화 아이디어를 포기하고 실험실 연구에 몰두했습니다.

하버는 계산이 틀렸지만 네른스트와의 논쟁에서 생산량을 더 늘리려면 고압을 가하고 온도를 낮추며 촉매를 사용해야 한다는 사실을 알아냈다.

Nernst는 낙담했지만 Haber는 그렇지 않았습니다. Walter Hermann Nernst가 중단한 곳에서 새로운 실험을 시작했습니다. 이때 그는 이 실험의 이론을 잘 알고 있었을 뿐만 아니라 성공할 수 있는 기반도 갖고 있었다.

화학 평형 이론에 따라 하버 등은 몇 퍼센트의 압력과 온도에 도달할 수 있는지 인내심을 가지고 실험을 시작했습니다. 그들은 또한 최고의 촉매를 찾기 위해 많은 노력을 기울였으며 수백 기압의 압력을 견딜 수 있는 반응 용기를 포탄에 내장했으며 Aouel의 가스 램프 회사에서 제공하는 백금, 텅스텐, 우라늄 및 기타 희귀 금속을 사용했습니다. 사회. 새로운 촉매제를 찾으세요.

하퍼가 고온, 고압의 위험을 무릅쓰고 실험을 계속했다는 것은 이런 곤경에 처한 상황이었다. 하퍼의 실험 연구가 거듭 실패하고 헤매던 결정적인 순간에 프랑스 과학원 회보에는 프랑스 화학자들이 고온, 고압을 사용해 암모니아를 합성했는데, 이로 인해 원자로에서 폭발이 일어났다고 보도됐다. 이에 대해 알게 된 후 Harper는 실험 조건을 과감하게 변경했으며, 특히 반응 압력을 높이고 공정을 개선하여 흥미로운 진전이 이루어졌으며 합성 암모니아 생산량이 크게 증가했습니다.

1907년 하퍼 등은 오스뮴이나 우라늄을 촉매로 선택해 약 550℃, 150~250기압의 특이한 고압 조건에서 8.25%의 암모니아를 얻는 데 성공했다. 시간이 흘러 0.1kg의 합성 암모니아가 성공적으로 생산되면서 합성 암모니아가 실험실 단계를 넘어설 수 있게 되었습니다. 이는 의심할 여지 없이 실용적인 가치를 지닌 획기적인 발전입니다. 이때 네른스트는 50기압, 685℃에서 백금분말이나 철분말, 망간을 촉매로 사용했지만 암모니아 수율은 0.96%에 그쳤다. Haber의 실험은 Nernst의 실험보다 거의 8배 더 높았습니다.

이번 승리로 하퍼와 그의 조수들은 암모니아 합성에 대한 실험적 연구가 이제 실용화 단계에 진입했음을 직감하고 고온, 고압 암모니아 합성에 대한 연구에 박차를 가하게 됐다. 프로세스. 그들은 힘든 실험 연구 끝에 일련의 직접적인 실험 데이터를 얻었고 실험 연구의 속도를 크게 가속화했으며 계속해서 흥미롭고 새로운 진전을 이루었습니다.

Haber의 과학적 연구 결과는 유럽 화학 업계에 큰 충격을 안겨주었습니다. 화학 산업계에서는 안목 있는 독일 Baden Aniline Soda Ash Company가 가장 먼저 도착하여 예약 수수료 2,500달러를 지불했습니다. 앞으로의 모든 연구 결과를 구매하겠다고 약속했습니다.

그러나 회사의 많은 엔지니어들은 강철 원자로 용기의 적열에 대해 불안감을 표명하고 고압에 더욱 놀랐으므로 산업화에 대한 의구심을 나타 냈습니다. 그들은 프랑스의 원자로 폭발 소식을 떠올리며 “어제 폭발한 오토클레이브의 압력은 7기압밖에 되지 않는다”고 우려했다. 하버의 고압 실험 조건도 폭발을 일으킬 수 있다는 뜻이다.

1909년 하퍼는 '순환'이라는 새로운 개념을 제안했다. 소위 '순환'이란 화학반응을 거치지 않은 질소와 수소를 반응기로 돌려보내고, 반응된 암모니아를 응축하여 분리하는 과정을 반복하여 합성암모니아의 수율을 높이고 이를 만드는 것이다. 과정이 실용적이다. 이 개념의 도입은 암모니아 합성이 산업화를 향해 나아가는 과정에서 결정적인 돌파구라 할 수 있다. 독일 정부는 이를 매우 중요하게 생각하고 이 새로운 아이디어를 즉시 수용하고 채택했습니다.

그해 7월 2일, 하퍼는 실험실에서 작은 암모니아 합성 장치 모델을 만들었습니다. 이것은 세계 최초의 암모니아 합성 장치 모델이었습니다. Bosch는 그의 부하인 Mittach와 함께 Baden Aniline Soda Ash Company의 대표로서 Haber의 실험 기술과 장비를 전달받기 위해 왔습니다. Harper는 시간당 0.08kg의 속도로 암모니아를 마법처럼 합성하는 암모니아 합성 장치를 현장에서 시연했습니다. 보쉬는 액체 암모니아가 떨어지는 것을 자신의 눈으로 보았습니다. 구경하러 온 전문가들은 머지않아 하루에 몇 톤을 생산할 수 있는 장치가 될 것이라는 데 동의해 산업화 전망이 뚜렷했다.

Baden Aniline Soda Ash Company는 즉시 암모니아 합성에 대한 Haber의 특허를 구입하고 모든 연구 결과를 받았습니다. 두 당사자도 계약을 체결했습니다. 암모니아 합성 Baden Aniline Soda Ash Company가 판매하는 암모니아 1톤당 Haber는 10마르크를 공유하며 그 수입은 절대 변하지 않습니다.

1919년 스웨덴 과학원은 하버가 발명한 합성 암모니아가 경제에 큰 역할을 했다고 판단해 신중한 검토 끝에 하버에게 과학 부문 최고 영예와 상을 수여하기로 공식 결정했다. 1918년 세계 ——암모니아 합성 연구에 대한 뛰어난 공헌을 인정받아 노벨 화학상을 수상했습니다. 그 이후로 그는 세계적으로 유명한 화학자가 되었습니다.