The chemical reaction that feeds the world - Daniel D. Dulek

세상을 배 불리기 위한 화학 반응 - 다니앨 D 듈렉(Daniel D. Dulek)

번역: Kim Sangyeop 검토: Jungmin Naomi Lee

What would you say

여러분은 지난 몇 세기 간

is the most important discovery

가장 훌륭한 발견이

made in the past few centuries?

무엇이라고 생각하나요?

Is it the computer?

컴퓨터?

The car?

자동차?

Electricity?

전기?

Or maybe the discovery of the atom?

아니면 원자의 발견일까요?

I would argue that it is this chemical reaction:

저는 이 화학반응이라고 생각합니다.

a nitrogen gas molecule

질소 기체 분자가

plus three hydrogen gas molecules

3개의 수소 기체 분자와 합쳐져서

gets you two ammonia gas molecules.

2개의 암모니아 기체 분자를 만드는 반응이지요.

This is the Haber process

이것은 하버법이라고 하는데

of binding nitrogen molecules in the air

공기 속의 질소분자를

to hydrogen molecules,

수소 분자와 묶거나

or turning air into fertilizer.

공기를 비료로 바꾸는 과정입니다.

Without this reaction,

이런 과정이 없다면,

farmers would be capable of producing enough food

농부들은 오직 40억 명 분의 식량만을

for only 4 billion people;

생산할 수 있습니다.

our current population is just over 7 billion people.

현재 지구의 인구는 70억 명이지요.

So, without the Haber process,

즉, 하버법이 없다면

over 3 billion people would be without food.

30억 명이 넘는 사람이 굶게됩니다.

You see, nitrogen in the form of nitrate, NO3,

질산염의 형태로 있는 질소인 NO3는

is an essential nutrient for plants to survive.

식물의 생존에 꼭 필요한 영양분입니다.

As crops grow, they consume the nitrogen,

작물들이 자랄 때 흙 속의 질소를 소비하면서,

removing it from the soil.

땅 속의 질소를 제거합니다.

The nitrogen can be replenished

질소는 동물이 죽어서 썩는 것처럼

through long, natural fertilization processes

오랜 자연적 분해를 통해서

like decaying animals,

보충됩니다.

but humans want to grow food

하지만 인간은 식물을

much faster than that.

더욱 빨리 키우고 싶어하지요.

Now, here's the frustrating part:

여기에 놀라운 것은

78% of the air is composed of nitrogen,

공기 중 78%가 질소로 이루어져있지만

but crops can't just take nitrogen from the air

식물은 공기로부터 질소를 얻을 수 없다는 것입니다.

because it contains very strong triple bonds,

왜냐하면 질소가 쉽게 부숴지지 않는

which crops cannot break.

아주 강한 삼중결합을 하고있기 때문이지요.

What Haber did basically

하버가 한 일은 기본적으로

was figure out a way

공기 속의 질소를 꺼내서

to take this nitrogen in the air

땅으로 보내는

and put it into the ground.

방법을 알아낸 것입니다.

In 1908, the German chemist Fritz Haber

1908년 독일 화학자인 프리츠 하버는

developed a chemical method

공기 속에 있는 질소들을 가공하는

for utilizing the vast supply of nitrogen in the air.

화학적 방법을 개발했습니다.

Haber found a method

which took the nitrogen in the air

하버는 공기속에 있는 질소를

수소와 결합시켜서

and bonded it to hydrogen

암모니아를 형성하는

to form ammonia.

방법을 발견했습니다.

Ammonia can then be injected into the soil,

암모니아는 질산염으로 빨리 바뀌어서

where it is quickly converted into nitrate.

땅 속에 뿌려질 수 있었습니다.

But if Haber's process was going to be used

하지만 하버법이 세상의

to feed the world,

식량 공급에 쓰이기 위해서는

he would need to find a way

쉽고 빠르게 많은 양의 암모니아를

to create a lot of this ammonia quickly and easily.

만들 수 있는 방법이 필요했습니다.

In order to understand

어떻게 하버가 이 방법을 완성했는지

how Haber accomplished this feat,

이해하기 위해서는

we need to know something

우리는 화학적 평형에 대해

about chemical equilibrium.

알 필요가 있습니다.

Chemical equilibrium can be achieved

화학적 평형은 밀봉된 용기에서

when you have a reaction in a closed container.

반응을 일으킬 때 나타납니다.

For example, let's say you put

예를 들어, 밀봉된 용기에

hydrogen and nitrogen into a closed container

수소와 질소를 넣고

and allow them to react.

반응하게 해봅시다.

In the beginning of the experiment,

실험을 시작할 때에는

we have a lot of nitrogen and hydrogen,

질소와 수소가 많아서

so the formation of ammonia

암모니아의 형성 진행이

proceeds at a high speed.

매우 빠릅니다.

But as the hydrogen and nitrogen react

하지만 수소와 질소가 반응하고

and get used up,

반응에 사용되면서

the reaction slows down

반응은 점점 느려집니다.

because there is less nitrogen and hydrogen

왜냐하면 용기 속의 질소와 수소가

in the container.

적어졌기 때문이지요.

Eventually, the ammonia molecules reach a point

결국, 암모니아 분자들은

where they start to decompose

질소와 수소로 분해되어 돌아가는

back into the nitrogen and hydrogen.

지점에 도달하게 됩니다.

After a while, the two reactions,

좀 더 지나면 암모니아를 만들고 부숴지는

creating and breaking down ammonia,

두 종류의 반응이

will reach the same speed.

같은 속도에 도달하게 됩니다.

When these speeds are equal,

이 속도가 같을때

we say the reaction has reached equilibrium.

우리는 반응이 평행점에 도달했다고 합니다.

This might sound good, but it's not

이것은 보기에는 좋아보입니다.

when what you want

하지만 여러분이 많은 양의 암모니아를

is to just create a ton of ammonia.

만들고 싶을때는 그렇지 않습니다.

Haber doesn't want the ammonia

하버는 암모니아가 다시 분해되는

to break down at all,

과정을 원치 않았습니다.

but if you simply leave the reaction

하지만 여러분이 밀봉된 용기에서

in a closed container,

분해되지 않도록 해도

that's what will happen.

결국은 일어나게 됩니다.

Here's where Henry Le Chatelier,

그래서 프랑스의 화학자인 앙리 르 샤틀리에가

a French chemist,

이 문제를 해결할 수있는 방법을

can help.

발견했습니다.

What he found was

그가 발견한 것은

that if you take a system in equilibrium

평행상태에 있는 용기에

and you add something to it,

어떤 것, 즉 질소와 같은 것들을

like, say, nitrogen,

더 넣어준다면

the system will work

분자들은 다시 평행상태로 돌아가기위해

to get back to equilibrium again.

다시 반응을 하기 시작한다는 것 입니다.

Le Chatelier also found

르 샤틀리에는 또한

that if you increase

용기 속의 압력을 증가시키면

the amount of pressure on a system,

용기 속의 분자들은

the system tries to work

원래의 압력으로 돌아가기위해서

to return to the pressure it had.

다시 계속 반응을 하게 된다는 것을 발견했습니다.

It's like being in a crowded room.

마치 사람이 가득한 방에 있는 것과 비슷합니다.

The more molecules there are,

분자가 많아지면 많아질수록

the more pressure there is.

압력 또한 증가하게 되지요.

If we look back at our equation,

다시 반응식을 보게되면

we see that on the left-hand side,

우리는 왼편에서

there are four molecules on the left

4개의 분자가 있는걸 볼 수 있습니다.

and just two on the right.

그리고 오른편에는 2개만 있지요.

So, if we want the room to be less crowded,

결국, 분자가 덜 북적거리고,

and therefore have less pressure,

압력이 작은 방을 원하면

the system will start

질소와 수소 분자들은

combining nitrogen and hydrogen

좀 더 작은 암모니아 분자가 되기 위해서

to make the more compact ammonia molecules.

그들끼리 결합을 하기 시작합니다.

Haber realized that in order to make

하버는 많은 양의 암모니아를

large amounts of ammonia,

만드는 방법을 깨닫고

he would have to create a machine

실제로 기계를 만들어

that would continually add nitrogen and hydrogen

평행상태에 있는 반응에

while also increasing the pressure

압력을 증가시키면서

on the equilibrium system,

질소와 수소를 계속해서 투입하는

which is exactly what he did.

장치를 발명했습니다.

Today, ammonia is one of the most produced

오늘날에 암모니아는 전세계적으로

chemical compounds in the world.

가장 많이 생산되는 화합물 중 하나 입니다.

Roughly 131 million metric tons are produced a year,

연간 약 1.31억 톤,

which is about 290 billion pounds of ammonia.

즉, 약 2900억 파운드의 암모니아가 생산됩니다.

That's about the mass

1만 파운드 몸무게의

of 30 million African elephants,

아프리카 코끼리가

weighing roughly 10,000 pounds each.

3억 마리 있는 것과 같습니다.

80% of this ammonia is used in fertilizer production,

80%의 암모니아는 비료 생산에 사용되고

while the rest is used

나머지 20%는

in industrial and household cleaners

산업용이나 가정용 청소용으로

and to produce other nitrogen compounds,

혹은 다른 질산과 같은

such as nitric acid.

질소 화합물을 만들기 위해 사용됩니다.

Recent studies have found

최근에 연구에서 밝혀진 바로는

that half of the nitrogen from these fertilizers

비료에 들어있는 질소가

is not assimilated by plants.

반 정도는 식물에게 흡수되지 않는다고 합니다.

Consequently, the nitrogen is found

결과적으로, 질소는 지구의

as a volatile chemical compound

물과 대기에서

in the Earth's water supplies and atmosphere,

우리의 환경에 큰 손상을 입히는

severely damaging our environment.

변덕스러운 화합물인것 이죠.

Of course, Haber did not foresee this problem

물론, 하버가 처음 발명했을때

when he introduced his invention.

이런 문제까진 알지 못했겠지요.

Following his pioneering vision,

그의 선구적인 발견을 따라서

scientists today are looking

과학자들은 위험한 결과를 만들지 않고

for a new Haber process of the 21st century,

지금과 같은 수준의 식량생산을 할 수 있는

which will reach the same level of aid

21세기의 새로운 하버법을 만들기 위해서

without the dangerous consequences.

노력하고 있습니다.