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TAG: MPI (막스플랑크연구소)

작성 2014-09-12
조회 3,150

출생1868-12-09
국적 독일
분야물리화학
소속카이저빌헬름협회 소장
출신대학베를린대학교, 하이델베르크대학교
주요업적원소로부터 암모니아 합성
수상노벨 화학상 (1918)

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인물정보

독일의 화학자. 질소와 수소로 암모니아를 합성하는 방법을 연구하여 1918년 노벨 화학상을 수상하였지만, 제1차 세계대전 당시 독가스 개발과 살포를 주도해 ‘독가스의 아버지’라고도 불린다.

그는 폴란드 영토인 동프로이센의 브레슬라우에서 부유한 상인의 아들로 태어났으며 1886년 베를린대학교에 입학하여 화학, 물리학, 철학 등을 배웠다. 후에 약 2년 동안 하이델베르크 대학에서 공부 후, 샤로텐부르크 공과대학으로 옮겨 베를린대학교의 호프만 교수 지도 아래 화학을 공부했으며 1891년 유기화학 분야에서 박사학위를 받았다. 1895년 칼스루에 있는 공과대학의 연구원이 되어 전기화학과 물리화학 연구에 몰두했다. 1990년대부터 공기 중의 질소를 고정시키는 방법에 대해 연구했는데, 다른 과학자들과 마찬가지로 고정시키는 데에 산화질소의 형태로 만들어 고정시키는 방법을 썼다. 산화질소의 형태로 만드는데 많은 양의 전기가 필요하기 때문에 암모니아 합성으로 연구를 바꾸었다.

프리츠 하버는 1904년부터 암모니아 합성 연구를 시작했는데, 질화칼슘과 수소를 고온에서 이용했을 때 암모니아를 합성시킬 수 있는 것을 발견했지만, 양이 너무 적어서 인정을 받지 못하자 높은 압력을 같이 주는 방법을 생각해내었다. 영국 화학자 르 로시뇰(Rober Le Rossignol)과 함께 암모니아 합성 실험을 진행했는데, 높은 압력을 줄 수 있는 기구와 고온에서도 작용할 수 있는 촉매인 오스뮴 가루를 사용하여 암모니아 생성에 성공했다. 1909년 7월 2일, BASF라는 기업에도 알려 비싼 오스뮴 대신 다른 촉매로 ‘하버-보쉬제법’을 개발하여 1910년부터 대량으로 암모니아 생성을 시작했다. 그는 특허사용으로 아주 많은 돈을 벌었고, 1919년에는 노벨화학상도 수상했으며, 1910년에는 카이저빌헬름물리협회에서 소장직을 맡아달라는 제안도 들어와 1911년부터 1933년까지 연구소에서 재직한다.

그는 제 1차 세계대전 중에 독가스 개발에 열성을 쏟음으로써 많은 칭송도 얻었으나 후에 연합국의 비난과 전범자 명단에 올랐으며 아내의 자살을 몰고 왔고, 1933년에는 히틀러의 등장으로 연구소장직에서 물러나게 된다.

1898년의 저서 ‘공업적인 전기화학의 이론적 기초’와 1805년의 ‘공업적 기체반응의 열역학’은 그의 명성을 알리는데 더 도움을 주었다. 프리츠 하버는 이스라엘의 시프연구소의 소장직을 맡아 가는 도중 스위스의 바젤에서 심장마비로 사망했다.

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시상연설

신사 숙녀 여러분.
스웨덴 왕립과학원은 베를린 근처 달렘에 있는 카이저 빌헬름 연구소 소장이며 게하임라트(고문) 교수인 프리츠 하버 박사에게 질소와 수소로부터 암모니아를 합성하는 방법을 개발한 공로로 1918년 노벨 화학상을 수여하기로 결정하였습니다.

토양의 생산력은 자연의 경제법칙에 따르는데, 일반적으로 곡식에서 나오는 퇴비가 토양으로 되돌아가면 일정한 수준이 유지됩니다. 그러나 토양의 생산성이 증가하기를 바라면 부가적으로 비료를 사용해야 합니다. 매년 수확의 큰 부분이 매해 증가하는 인구에 의해 소비되고 마을에서 나오는 아주 적은 양의 퇴비가 경작하는 땅으로 되돌아가기 때문에 토양은 고갈되고 수확량이 감소하는 것을 피할 수 없습니다. 이와 같은 원인이 인공 비료를 제조하도록 만들었는데, 적어도 유럽의 경우 비료 없이 경작할 수 있는 국가가 거의 없을 정도로 해마다 필요량이 증가하고 있습니다.

인공 비료 중에서는 질소화합물이 중요한데, 인산이나 산화칼륨과는 달리 풍화작용으로 인해 식물에 꼭 필요한 질소화합물이 토양에 많이 저장되어 있지 않기 때문입니다. 게다가 유용한 질소의 일부분은 순환과정에서 비활성 대기질소로 되돌아갑니다. 이와 같은 손실분은 폭우와 박테리아의 활동으로 확실히 보충되지만 지금까지의 경험으로는 인공 질소비료없이는 집약적인 경작을 유지할 수 없다는 것입니다. 이 같은 사실은 무엇보다도 오늘날 가장 중요한 곡물 가운데 하나인 사탕무에 해당됩니다.

여러 해 동안 단지 두 개의 인공 질소화합물이 존재하였는데 그것은 질산칼륨과 염화암모늄입니다. 그러나 이것을 합성하는 오래된 방법은 유럽과 미국에서 중지되었고 칠레초석(질산나트륨)이 등장하였으며, 이것을 질소비료로 만들기 위해서 광물탄의 건식증류로부터 나오는 부산물을 사용하였습니다.

질소로 계산한 칠레초석의 연간 소비량은 50만 톤 이상이었습니다. 이 많은 양의 초석이 대부분 비료로 사용되었습니다. 이로 인해 심각한 문제가 제기되었는데 그것은 ''칠레에 있는 초석 매장량이 언제 고갈될 것인가?''입니다. 칠레 당국은 여러 평가를 내놓았고 유럽의 전문가들은 현재 속도로 생산하면 초석의 매장량이 가까운 미래에 고갈될 것이라고 합니다.

하여간 오래 지속되는 세계대전이 모든 국가로 하여금 가능하면 어느 곳이나 유기물화의 필요에 대처하기에 충분할 정도로 자국 내에서 생활필수품을 생산하도록 조장하였습니다.

특히 대규모 광물 매장량도 없고 값싼 수력발전도 할 수 없는 국가에서는 초석이 가장 중요하기 때문에 암모니아와 질산의 인공적인 생산은 매우 중요합니다.

암모니아는 자연산과 인공 산물의 경계에 있는 물질로써 아스팔트와 갈탄의 건식증류로 얻어집니다. 암모니아는 질량비 1.3퍼센트에 해당되는 양이 질소 함유 광물로부터 나오는데, 그러나 많은 부분(약 85퍼센트)이 코크스로 남아 있거나 증류하는 동안 질소로 날아갑니다.

20세기의 첫 10년 동안 공기로부터 질소를 고정하는 여러 방법이 발표되었지만 이 중에서 시험단계까지 살아남은 것은 거의 없었습니다. 그중 처음 방법이 프랑크-카로의 사이안아마이드 방법입니다. 칼슘사이안아마이드가 비료로서 기대에 완전히 미치지는 못하지만 함유된 질소가 상대적으로 쉽게 암모니아로 바뀔 수 있기 때문에 활용에 방해물이 되지는 않습니다.

열역학의 주요 원리를 사용하여 일산화질소를 생성하는 대기질소의 연소와 관련된 모든 정량 조건을 계산할 수 있게 되자 비르켈란트와 에이데는 이것을 기술적으로 응용하여 처음으로 성공적인 결과를 얻었습니다.

베르틀로와 톰슨의 실험으로 이 결합이 발열반응으로 일어난다는 것을 증명하였지만 1904년까지 아무도 전기방전의 도움없이는 암모니아를 생성하기 위해 질소와 수소의 직접적인 결합을 일으킬 수 없었습니다. 이런 부정적인 결과는 낮은 온도에서의 느린 반응과 높은 온도에서의 불리한 평형상태에 의한 것임을 경험으로 쉽게 알 수 있습니다. 1884년 램지와 영이 촉매로 철을 사용하여 실험을 수행했지만 불확실한 결과를 얻었을 뿐입니다.

하버 교수와 반 오르트는 이전의 실험이 문제에 대한 기술적 해답을 줄 거라는 희망을 가지고, 1904년 현대 물리화학 방법에 기초를 두고 관련 분야의 방법론적인 연구를 시작하였습니다. 그들은 약 1000도의 온도와 정상 압력에서 철을 촉매로 사용하여 실험하였고 그 결과 적열(赤熱)과 더 높은 압력을 나타내는 위쪽에서 단지 미량의 암모니아가 생성된다는 것을 알게 되었습니다.

이 연구에서 시스템에 실제 존재하는 평형상태가 N2 + 3H2 → 2NH3 인데 이것이 암모니아 합성의 기초라는 것을 처음 실험적으로 보였습니다.

1913년 《전기 화학 잡지》에서 하버 교수와 르 로시뇰에 의해 가장 중요하고 실용적 의미를 갖는 이 문제의 취급 방법을 발견할 수 있습니다. 제목은 「원소로부터 암모니아의 기술적 생산에 관하여」였습니다. 이 논문이 루트비히샤펜에 있는 ''바덴아닐린-소다''사에서 공장 규모로 방법을 발전시키는 데 기초를 제공하였고 주요 개발은 보슈 박사의 지도 아래 이루어졌습니다.

초기 실험에서 과도한 검붉은 열, 즉 600도는 효과가 없어 보였고 반응식은 4부피에서 2부피로 감소되면서 결합이 일어나는 것으로 밝혀졌습니다.

평형의 법칙에서 압력이 높을수록 평형은 암모니아 쪽으로 이동하는데 이것이 기본적인 원리를 제공했습니다. 약 500도의 온도를 가능한 한 가장 높은 압력과 함께 사용해야 했는데, 실제로 약 150기압부터 200기압의 압력이 가능합니다. 이 높은 압력이 반응을 가속화시키리라는 것을 예상할 수 있습니다. 그러나 그처럼 높은 압력과 적열에 접근하는 온도에서 순환시스템에 기체의 흐름이 포함된 실험은 매우 심각한 어려움을 불러일으켰고 그때까지 시도된 적도 없었습니다. 그러나 실험은 완전히 성공적이었습니다. 문제의 논문은 사용한 장치의 자세한 도면을 포함하고 있는데, 철을 촉매로 사용하여 1시간당, 그리고 접촉부피 1리터당 약 250그램의 암모니아를 생산하였고, 우라늄이나 오스뮴을 촉매로 하여 더 많은 양을 생산하였습니다.

가열은 전기적으로 이루어졌지만 장치로부터 새어 나오는 열은 대개 투입되는 기체에 다시 이용되기 때문에 요구되는 온도는 재생하는 열과 암모니아 생성으로부터 방출되는 열에 의해 유지할 수 있습니다. 하버 교수의 관찰에서 매우 중요한 특징은 기체가 반응 중에 더 빠른 유속으로 보급되면 단위시간당 생산되는 암모니아의 양이 점차로 증가한다는 것입니다.

하버 교수는 가장 좋은 촉매는 오스뮴이고 그다음이 우라늄이나 탄화우라늄이라는 것을 알아냈습니다. ''바덴'' 공장에서 대부분 수행했던 시험에 따르면 촉매 활동은 촉매의 활성억제제에 의해 감소되지만 산화물이나 알칼리염, 그리고 알칼리토금속에 의해 증가될 수 있습니다. 점점 더 활성이 좋은 촉매가 발견되었고 이것으로 관내 압력을 점차로 감소시키는 것이 가능하였습니다.

1910년에 프랑크푸르트암마인 근처 오파우에서 처음으로 암모니아 연간 생산량이 3만 톤으로 예상되는 건설 공사가 시작되었습니다.

기본물질인 질소와 수소는 표준방법으로 만들어졌습니다.

암모니아 제조 과정에서 전력의 소비는 아주 낮아 암모니아 킬로그램당 0.5kw/h 이하의 양입니다. 그러므로 킬로와트/연당 1만 킬로그램 이상의 질소가 고정됩니다.

반응의 평형위치와 여러 요소들은 암모니아의 생성열과 비열에 의존하기 때문에 1914년과 1915년에 《전기 화학 잡지》에 연속으로 발표한 여러 개의 논문에서 하버 교수는 이 과정들을 아주 정확하게 확인하기 위해 수행했던 실험들을 광범위하게 서술하였습니다.

오스트발트가 수정한 방법으로 암모니아를 질산으로 바꾸고 질산을 질산칼슘으로 바꾸므로, 질산칼슘을 생산하는 전체 비용들 사이의 비는 계산에 따르면 대략 다음과 같습니다.

? 노르웨이안 하이드로(Norwegian Hydro): 100
? 하버: 103
? 프랑크-카로(Frank-Caro): 117

위의 숫자들이 나타내듯이 처음 두 방법은 비슷하지만 나머지 하나는 약 15퍼센트 정도 더 높습니다.

그러나 세 방법 가운데 하버 교수의 방법이 유일하게 값싼 수력전력을 이용하고 독립적으로 작동할 수 있기 때문에 앞으로 모든 국가에 활용될 수 있습니다. 더욱이 필요한 만큼 적당한 규모로 만들 수 있고 매우 값싸게 암모니아를 생산하고 질산염을 만들 수 있기 때문에 인류의 영양섭취 향상에 아주 중요한 기여를 했습니다.

독일 하버 공장들, 특히 최근에 지어진 메르세부르크 근처의 레우나 워크스는 최대의 생산량으로 독일에서 필요한 모든 질소비료의 대부분을 제공합니다. 더욱이 하버 교수의 방법은 이미 미국에서 널리 적용되고 있습니다.

하버 교수님.
왕립과학원은 수소와 대기질소를 직접 결합시키는 문제를 해결한 뛰어난 공로를 인정하여 1918년 노벨 화학상을 교수님께 수여합니다. 이 문제에 대한 해결책이 이전에도 여러 차례 시도되었지만 교수님이 처음으로 공업적 해결책을 제공하였고 농업의 표준과 인류복지를 향상시키는 매우 중요한 수단을 만들어 냈습니다. 교수님의 조국과 인류 전체를 위한 값진 승리를 축하드립니다. 이제 노벨재단 회장으로부터 상을 받으시기 바랍니다.

스웨덴 왕립과학원 Å. G. 엑스트란드

- 1918년 노벨 화학상은 1919년 11월 13일에 발표되었으며, 마가렛 공주의 죽음으로 1920년 6월에 열린 시상식에 왕족은 아무도 참석하지 않았다.

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