사실 원래 논란이 되고 있는 사이언스 페이퍼 얘기를 해야 하는데... 그건 좀 뒤로 하고... (6월말까지 리뷰페이퍼 써야돼서 그 이후에 할듯 ㅠㅠ 근데 이 글은 왜?!)

화학 연구자분들께는 너무나 익숙한, 그리고 비전공자분들도 어느 정도는 알고 계시겠지만 자세한 내막은 모르실 수도 있는

바로 질소고정 (nitrogen fixation) 이야기를 해볼까 합니다.

1. 질소고정이란 무엇인가? 자연계에서의 질소고정은 어떻게 일어나는가?

질소는 지구상에 존재하는 기체의 약 78퍼센트를 차지하는 아주 흔하다 못해 넘치고 넘치는 분자들 중 하나입니다.

(그림 출처:https://www.omega-air.si/news/news/nitrogen-and-oxygen-production)

님들이 숨쉬면서 들이마시는 공기 중에 산소는 21퍼뿐임ㅋㅋ. 사실은 대부분 질소임. 속았지? (사실 100퍼짜리 산소 마시면 죽습니다...)

질소고정이라 함은 기체분자 상태인 질소(N2)를 다른 방식으로 이용가능한 물질로 변환하는 것이라 생각하시면 됩니다.

그렇다면 왜 변환을 시켜야 하느냐? 바로 여러분들도 아시다시피 N2는 두 질소원자 사이에 단단한 삼중결합이 있는 굉장히 안정한 물질입니다.

(그림 출처:http://nonsibihighschool.org/acchonch9.php)

따라서 대부분의 생명체는 생명현상에 필요한 질소원자를 보충하기 위해서 공기 중 질소를 바로 이용하는 것은 사실상 불가능합니다. 하지만 지구상에서 가장 넘쳐나는 질소원자의 원천은 이 질소분자이기 때문에 이것들을 이용하지 않고서는 지속적인 질소 순환 사이클을 만들기 사실상 힘들지요.

(그림 출처:https://en.wikipedia.org/wiki/Nitrogen_fixation)

위 그림이 자연계에서 일어나는 질소고정 싸이클입니다. 인간, 그리고 동물을 제외한 갖가지 생명체들 중에서도 실제로 질소를 변환시킬 수 있는 것은 많지 않습니다.

질소고정 박테리아라고 불리는 일부 미생물들만이 가능한데 이 미생물들은 nitrogenase라는 엔자임(enzyme, 효소라고 번역하나요?)을 가지고 있습니다. 이 박테리아들은 보통 콩류 식물의 뿌리에 많이 존재합니다.

(그림 출처:https://en.wikipedia.org/wiki/Nitrogenase)

Nitrogenase는 위와 같은 분자구조를 지녔습니다. 그 안에 철(Fe)과 몰리브데늄(Mo)이 존재하는데 이들을 Fe-Mo cofactor라고 칭하기도 합니다.

보시면 저 가운데 중심에 탄소가 하나 있는데 제가 알기로는 저게 밝혀진게 10년도 안된 걸로 압니다. 저기 탄소가 껴있다는거 밝혀낸거 하나로 Science에 출판이 되었었죠.

그만큼 nitrogenase는 과학자가 크게 관심을 가지는 주제 중 하나고, 다시 말하면 굉장히 중요한 물질이기도 합니다.

여하튼 이 nitrogenase라는 효소는 기체상인 N2를 생명체가 이용가능한 암모니아 (NH3) 형태로 바꿔주게 되죠. 아주 자세한 메카니즘은 밝혀져 있진 않지만

(그림 출처:https://en.wikipedia.org/wiki/Nitrogenase)

위와 같은 방식으로 이루어질 거라 생각되고 있습니다.

그리고 다양한 추가적인 반응을 통해 암모니아로부터 다른 질소화합물들을 만들어내고 이것들을 사람을 비롯한 동식물들이 이용하게 됩니다.

그 외에도 번개 같은 아주 강력한 에너지 작용을 통해 공기 중 질소가 질소산화물등의 형태로 변하기도 하지만 실질적인 싸이클은 대부분 이 박테리아들에 의존하게 됩니다.

그렇다면 질소화합물이 왜 중요한가? 질소는 생명현상에 필수적인 원소들 중 하나이기 때문입니다. 당장 여러분 몸을 구성하는 단백질이 질소를 포함하고 있으니 더 말할 필요도 없겠죠?

2. 인공적인 질소고정, 하버-보슈 프로세스 (Haber-Bosch process)

하지만 안타깝게도 현대문명에서 인류가 필요로 하는 질소분자의 양은 자연계에서 일어나는 질소고정 물질만으로는 충당을 할 수가 없습니다.

생명현상 외에도 갖가지 고분자 재료들을 포함한 인류문명에 필수적인 재료들이 질소를 포함하고 있는데 그 양이 그야말로 어마어마하기 때문이죠.

하지만 가장 중요한 것은 그게 아닙니다. 중요한 것은 생명유지에 가장 중요한 식재료, 그 중 농업문명의 곡식재배를 위해 필수적인 그것! 바로 '비료(fertilizer)'는 반드시 질소를 포함해야 합니다. 그리고 70억이 넘어가는 인류, 그리고 인류가 또다른 식재료로서 기르는 엄청난 수의 가축들을 먹여살리기 위한 곡식들을 위한 비료의 양이 얼마나 많을까요?

그래서 인류는 인공적으로 질소고정을 하는 방법을 개발해야 했습니다.

그리고 바로 그 유명한 독일 출신 화학자 프리츠 하버 (Fritz Haber)가 처음으로 상업적 스케일의 질소고정에 성공하게 됩니다.

프리츠 하버 (그림 출처:https://en.wikipedia.org/wiki/Fritz_Haber,)

실제 그의 공정을 위해 쓰였던 반응로 (그림 출처:https://en.wikipedia.org/wiki/Haber_process)

프리츠 하버는 "비균질 산화철촉매"를 통해 기체상의 질소와 수소를 이용해 암모니아를 합성하는 질소고정에 성공하게 됩니다. 반응식은 아래와 같습니다.

N2 + 3H2 -> 2NH3

사실 이 반응 자체는 dH

즉, 다시 말해 자발적인 반응이어야 한다, 이 말입니다.

하지만 자연상에서는 이 반응이 일어나는 것을 관찰하는게 사실상 불가능한데 이는 이 반응을 일어나게 하기 위한 활성화 에너지(activation energy)가 말도 안되게 높기 때문입니다.

암모니아를 형성하려면 일단 위에서 말씀드렸다시피 질소분자에 있는 삼중결합을 끊어야 하는데 여기서 필요한 에너지가 어마어마하기 때문이죠.

에너지 다이어그램 (촉매 없을 경우(위), 촉매가 있을 경우(아래)) (그림출처:https://en.wikipedia.org/wiki/Haber_process)

위 다이어그램에서 보시다시피 질소와 수소사이의 결합을 일단 끊는데 필요한 에너지가 가히 어마어마 하다는 것을 볼 수 있죠.

하지만 촉매를 사용한다면 어떨까? (!!)

촉매는 여러분들도 많이 아시다시피 활성화에너지를 많이 줄여주게 되는데 구체적으로는 다이어그램의 아래에서와 같이 중간에너지들을 변화시키게 됩니다. 참고로 이 연구는 Gerhard Ertl이라는 또다른 독일화학자의 연구를 통해 알려지게 되었습니다.

보시다시피 활성화 에너지를 뭐 엄청나게 낮춰버립니다. 으어어 촉매의 위엄. 므찌다. Nitrogenase같은 효소들도 일종의 단백질촉매이기 때문에 이것이 가능하게 됩니다.

하지만 촉매를 이용함에도 불구하고 여전히 높은 에너지를 필요로 하기 때문에 주로 300도 이상에서 반응을 걸고 500기압의 질소,수소를 이용하게 됩니다. 엄청난 고에너지 반응이죠.

잠깐 부가 설명하면, 위에서 말한 깁스에너지 때문에 온도를 엄청 높이게 되면 수율이 떨어집니다. 하지만 그럼에도 온도를 올리는 이유는 반응속도 때문인데 다행히도 생성물인 암모니아는 반응물에서 걸러내는 것이 가능해서 르샤틀리에의 법칙에 따라 생성물 쪽으로 반응을 더 밀어내는 것이 가능합니다.(A+B<->C에서 C만 계속 제거해주면 A와 B가 C쪽으로 평형이 더 쏠리게 하는게 가능하다는 의미)

여튼 이런 업적으로 프리츠 하버는 1918년에, 하버 프로세스의 보다 상업적인 개발에 성공한 보슈는 1931년에, 반응메커니즘 연구에 대한 업적으로 게르하르트 어틀은 2007년에 노벨화학상을 수상하는 영예를 얻게 됩니다.

3. 하버-보슈 프로세스가 만들어낸 인류 문명의 명암

하버-보슈 프로세스가 현재 인류 공업에서 차지하는 비중은 어마어마합니다. 단적인 예로 "전세계에서 소비되는 모드 에너지의 약 2퍼센트가 하버-보슈 프로세스를 위해" 쓰입니다.

전세계 모든 에너지 소비의 2퍼센트. 상상이나 되시나요? 오직 이 단 한 가지 공정에? 그야말로 엄청난 스케일의 공정이라 할 수 있습니다.

이렇게 만들어낸 암모니아. 이것이 인류 역사를 어떻게 바꿔놓았을까요?

여기서 질문 하나 드리겠습니다.

인류 역사상 '어떤 과학적 발견이 가장 많은 사람의 생명을 구할 수 있었을까?'

가장 위대한 과학적 발견이라 하면 여러가지가 있을 수 있겠죠. 하지만 단순 지적 위대함을 떠나서 사람의 생명을 가장 많이 구한 과학,공학적 발견은 대체로 사람들이 잘 인식을 못합니다.

Science heroes라는 사이트에서 조사를 한 결과를 알려드리겠습니다. (https://scienceheroes.com/index.php?option=com_content&view=article&id=258&Itemid=232)

10위. 디프테리아와 파상풍 백신 개발 (6천만명)

9위. 페니실린 개발 (8천2백만명). 그 유명한 플레밍이 여기에 속하겠죠?

8위. 홍역 백신 개발 (1억 1천8백만명)

7위. 소아마비와 홍역 백신 개발 (1억 2천만명)

6위. 천연두 근절 (1억 3천만명)

아직까지는 전부 엄청나게 끔찍한 전염병들에 대한 백신 개발이 주로군요.

5위. 물의 염소 소독 (1억 7천7백만명)

생명유지에 필수적인 물. 오염된 물을 소독하는 염소소독 방법 개발이 5위네요!

4위. 녹색 혁명 (2억 5천9백만명)

이게 뭔가 하실 수 있는데 개발도상국 등에 농업발전 등의 다양한 식량생산 개선 등에 관한 겁니다. 좀 더 사회과학적인 느낌이 있지요.

3위. 천연두 백신 개발 (5억 3천만명)

그 유명한 에드윈 제너의 천연두 백신 개발입니다. 인류 역사에 영원히 남을만한 역사적인 백신이지요. 무려 5억명이 넘는 사람들의 목숨을 살렸습니다!

2위. 혈액형과 수혈법 개발 (10억 9천4백만명)

혈액형과 수혈이 이렇게나 중요한 거였네요. 무려 10억이 넘어갑니다...

그렇다면 대망의 1위는? (글의 주제 때문에 예상 가능할듯...)

1위. 인공비료 개발 (27억 2천만명)

인공비료 개발은 암모니아 합성이란 말과 사실상 동치입니다. 27억명입니다. 27억...

좀 더 느낌이 오게 아래 그래프도 봐보시죠.

(그림출처:http://people.idsia.ch/~juergen/haberbosch.html)

위 그림은 전세계 인구 수 그래프를 보여주는 자료입니다. 1950년쯤부터 인구수가 폭발적으로 증가함을 알 수 있는데 이는 하버-보슈 프로세스가 처음 개발되지 대략 30년 후입니다.

처음 개발된게 그 때고 보다 더 상업화가 진행되고 개발도상국까지 여파가 가기 시작하면서 인구수가 폭발적으로 증가하게 되는 것을 볼 수 있죠.

개발도상국에서의 인구 증가 요인. 여러 가지가 있겠습니다. 위에서 보시다시피 백신이나 물의 소독 같은 것도 중요하구요. 하지만 당연히 식량생산 증대가 가장 큰 영향을 주었겠죠.

그야말로 현대 인류 문명에 있어 하버-보슈 프로세스가 가지는 영향력이 얼마나 될지 짐작이 조금은 되시나요?

그런데 아이러니하게도, 이런 암모니아의 합성이 단순 인류 문명 개발에만 영향을 준것은 아니었습니다.

암모니아는 바로 제1차 세계대전 때 광범위하게 사용된 독가스 중 하나였고 나름 애국자였던 프리츠 하버도 독일제국을 위해 이 독가스 개발에 연구를 매진하였습니다.

무려 27억명의 생명을 살린 그지만 역시 수많은 사람들이 그가 개발한 독가스에 의해 소중한 생명을 빼앗기게 되었지요.

비록 나중에 이에 대해 후회하고 제2차 세계대전 때는 나치에 반대하는 입장을 내었던 그지만, 여하튼 이런 그의 과거 때문에 프리츠 하버는 빛과 어둠의 화학자로 역사에 남게 됩니다...

4. 마무리

비록 독가스는 좀 그렇지만 이런 것들을 보면 인류 사회에 조금이나마 보탬이 될 수 있는 뭔가를 할 수 있을 거란 희망 때문에 좌절만이 가득한 화학 연구를 지속할 수 있는거 같아요.ㅠㅠ

긴 글 읽어주셔서 감사합니다. 다들 화이팅!