1. 불 인류는 불을 통해, 흙을 구어 토기를 만들고 광석에서 금속을 추출하여 농기구를 만들었다. 또한 음식을 익혀 먹게 되면서 영양소의 섭취 효율이 높아지고 질병의 위험을 줄일 수 있었다. 2. 구리 B.C. 5000년 경부터 사용하였다. 지각의 매장량이 철보다 적은 구리가 철보다 이른 시기에 이용된 까닭은, 구리가 철보다 녹는점이 낮고 반응성이 작아 광석으로부터 순수한 금속을 얻기 쉬웠기 때문이다. 3. 철 B.C. 3000년 경부터 사용하였다. 철은 지각의 약 5%에 함유되어 있다. 녹는점이 1538℃이며, 강도가 높고 여러 형태로 가공이 가능하며 합금할 수 있다. 철은 반응성이 커서 자연 상태에서 원소 상태로 존재하지 않고 산소와 결합한 산화 철 형태로 존재한다. 붉은빛이 나는 적철석과 자성을 지닌 자철석 형태의 광석으로 주로 산출된다. 녹는 점이 높아 산화 철에서 철을 얻는 제련*법이 발견된 후에야 본격적으로 사용되었다. 초기에는 철광석을 목탄불 속에 넣어 녹여서 철은 얻은 후 계속 두드려 단단한 철을 얻었다. 철은 용광로에 철광석과 코크스(주성분 : C), 석회석(CaCO₃)을 함께 넣고 아래에서 뜨거운 공기를 불어 넣어 주면 용융 상태의 철을 얻을 수 있다. 용광로에서 얻어지는 철에는 탄소를 비롯하여 불순물이 포함되어 있는데, 이를 선철이라고 한다. 선철은 강도가 낮아 그대로 사용하기 어렵고, 선철에서 탄소의 함량을 줄인 것을 강철이라고 한다. 강철은 강도가 높아 다양하게 이용된다. * 산화 : 물질이 산소를 얻거나 전자를 잃는 반응 * 환원 : 물질이 산소를 잃거나 전자를 얻는 반응 * 제련 : 금속 화합물의 형태인 광석으로부터 순수한 금속을 얻는 과정 * 용광로에서의 화학 반응 : 1) 코크스의 불완전 연소로 일산화 탄소가 생성 2C + O₂ → 2CO 2) 산화 철(Ⅲ)과 일산화 탄소의 산화 환원 반응에 의해 철광석의 산화 철(Ⅲ)이 철로 환원된다. Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂ 3) 철광석 중의 불순물인 이산화 규소는 석회석과 반응하여 슬래그가 된다. 슬래그는 시멘트나 벽돌 제조에 활용된다. CaCO₃ → CaO + CO₂ CaO + SiO₂ →CaSiO₃(슬래그) 4. 질소 단백질과 핵산을 이루는 주요 성분 원소 중 하나가 질소이다. 대부분의 생물체는 공기 중의 질소(N₂) 기체를 직접 흡수하여 이용하지 못하므로, 질소는 생물체가 이용할 수 있는 형태로 전환되어야 한다. 토양 속의 물에 녹아 암모늄 이온(NH₄+)이나 질산 이온(NO₃-)의 형태로 고정된 질소를 흡수하여 생장에 이용한다. 산업 혁명 이후 급격한 인구 증가로 인해 식량 부족 문제가 대두되었다. 식량 생산량을 증대시키기 위해서는 토양에 질소를 충분히 공급해야 했다. 당시에는 식물의 퇴비나 동물의 분뇨 등과 같은 천연 비료와 칠레 초석이라고 부르는 질산 칼륨(KNO₃)을 질소 공급원으로 사용했으나 질소를 토양에 충분히 공급하는 데 한계가 있었다. 20세기 초 독일의 화학자 하버(Harber, F., 1868~1934)는 공기 중의 질소 기체와 수소 기체를 반응시켜 질소 비료의 원료가 되는 암모니아를 합성하였다. 암모니아 생성 반응은 질소(N₂)에서 질소 원자 사이의 결합이 3중 결합으로 매우 강하여 일어나기가 쉽지 않다. 하버와 보슈는 400~600ºC의 온도와 200~400기압의 압력에서 촉매를 사용하여 암모니아를 대량으로 합성하는 방법을 알아 내었다. N₂ + 3H₂ ─(촉매:산화철)→ 2NH₃ 암모니아를 대량 생산하게 되면서 충분한 양의 질소 비료를 얻을 수 있게 되어 식량 생산량이 획기적으로 증대되었다. * 질소 고정 : 공기 중의 질소 분자를 생물체가 활용할 수 있는 형태의 질소 화합물로 변화시키는 과정. 번개나 질소 고정 세균 또는 화학 공업적 방법에 의해 이루어진다. * 질소 순환 : 공기 중의 질소가 고정되어 생물체에 이용된 다음 다시 공기로 되돌아가는 일련의 과정. * 암모니아는 실온에서 기체이며 독성이 강해 비료로 땅에 뿌리기에는 적합하지 않아, 요소나 질산 암모늄 등으로 만들어 사용한다. 암모니아에 질산이나 황산을 가하면 질산 암모늄이나 황산 암모늄이 얻어지는데, 이것이 현재 가장 많이 사용되는 질소 비료이다. 5. 합성 섬유 천연 소재로 만든 그물은 무겁고 물에 젖으면 쉽게 망가진다. 근대에 들어서면서 가볍고 질기며 물을 흡수하지 않는 합성 섬유가 그물의 소재로 사용되기 시작하면서, 물고기를 대량으로 잡을 수 있어 식량 생산량을 늘릴 수 있었다. 6. 살충제, 제초제, 복합 비료 등 근대에 이르러 다양한 화학 물질의 합성이 가능해지면서 살충제, 제초제, 복합 비료 등을 만들었고 이를 통해 농산물의 질이 향상되고, 식량 생산량이 증대되었다. 이산화탄소는 지구온난화를 일으키는 가장 큰 원인으로 많은 시간동안 이러한 문제를 해결할 방법을 사람들은 모색해왔다. 이산화탄소를 지하에 저장하고, 이산화탄소를 배출량을 줄이는 방법들을 시도하면서 대기중의 이산화탄소를 줄이려고 하였다. 그런데 이러한 이산화탄소를 유용한 화학물질인 에틸렌으로 변화시킬 수 있는 나노촉매가 개발되었다. KAIST는 송현준 화학과 교수 연구팀이 중성 탄산수 전해질을 이용해 이산화탄소로 에틸렌을 변환하는 촉매기술을 개발했다. 이러한 문제에서는 이산화탄소를 변화할 수 있는 효율이 가장 중요한 문제로 대두되는데, 연구팀은 70%이상의 효율을 만들어내면서 성공적인 결과를 얻을 수 있었다. 또한 부산물의 양을 대폭 줄이면서 역시 에틸렌으로의 전환을 높은 효율로 진행할 수 있었다. 이러한 에틸렌과 같은 탄소화합물로 전환하는 방법은 전환한 탄소화합물을 다시 이용할 수있다는 큰 장점이 존재한다. 하지만 이러한 물질을 얻기 위해서는 따로 분리과정을 반드시 거쳐야하는 단점이 존재한다. 연구팀은 이러한 단점을 해결하기 위해 다방면으로 노력했다. 연구팀은 구리산화물 육면체 나노입자를 합성한 뒤 산화시켜 가지 모양의 구리산화물 나노입자로 합성했다. 이를 탄소 지지체 표면에 담아 구리산화물-탄소 전극 물질로 활용, 중성 수용액에서 반응 실험을 진행한 결과 이산화탄소로부터 70% 이상의 에틸렌을 얻는 데 성공했다. 또한 부산물의 발생을 최소화하기 위해서는 환원 반응에서 생성물의 크기가 매우 작아지도록 유도하였다. 여러번의 실험을 거친 후 개발한 전기화학 촉매가 나노입자 촉매 중에서는 가장 높은 전류밀도와 안정성을 보였으며 특히 모든 촉매를 통틀어 중성 수용액 조건에서 가장 뛰어난 에틸렌 선택성을 보였다고 평가했다. 두 번째 방법은 이산화탄소를 석탄으로 전환하는 방법이다. 이산화탄소는 흔히 석탄과 같은 화석연료의 연소로 인해서 가장 많이 발생한다. 그런데 과연 어떤 방법으로 이산화탄소를 다시 석탄으로 되돌릴 수 있을까? 토르벤 대네케 호주 로얄멜버른공대 교수팀이 기체 상태의 이산화탄소를 고체 탄소 입자로 전환하는 효율적인 방법을 개발하였다. 현재까지 개발된 기술은 대기 중 이산화탄소를 포집해 저장하는 기술(CCS)이다. 그러나 이 기술은 이산화탄소 기체를 액체로 압축하는 수준에 머물러 있다. 액체 이산화탄소는 지하저장고에서 저장하는 시스템을 가지고 있는데, 이는 저장시 누출위험이 크고 부피를 많이 차지한다는 치명적인 단점이 존재한다. 또한 이를 유지하기위해서 600도 이상의 고온 상태를 유지하는데는 엄청나게 많은 비용이 필요하다. 연구팀은 실온에서도 이산화탄소 기체를 고체로 전환할 수 있는 액체 금속 촉매를 개발했다. 이 촉매는 세륨(Ce) 나노입자를 기반으로 만들어졌으며, 표면이 활성화되면 전기전도도가 매우 높아진다. 이산화탄소 기체는 전기화학적 환원을 통해 고체로 바뀌기 때문에 촉매의 전기전도도가 높을 경우 이 과정이 매우 수월하게 이뤄진다. 연구팀은 액체 금속 촉매를 비커에 넣고 전류를 흘린 뒤 이산화탄소 기체를 주입하자 고체 탄소로 변하는 현상을 확인했다. 이번 기사를 통해서 지구온난화의 주요 발생원인인 이산화탄소 기체를 화학적인 처리를 통해서 줄여나가는 2가지 방법을 통해서 알아보았다. 앞으로 이러한 기술이 더 발전하게된다면, 이산화탄소를 줄이면서 다시 재사용하는 기술이 현실적으로 가능할 날이 곧 다가올 것 같다. 앞으로 화학기술발전이 이산화탄소 감량과 활용을 가능하게 하는 일석이조를 실현해내리라 믿는다. 작성자: 17-021 김범준 분야: 촉매화학 참고문헌: [1] 동아사이언스 이산화타소 석탄으로 되돌렸다 http://dongascience.donga.com/news.php?idx=27916 [2] 동아사이언스 신개념 나노촉매로 이산화탄소 70% 이상 에틸렌으로 변환 http://dongascience.donga.com/news.php?idx=28363 이미지: 동아사이언스 http://dongascience.donga.com/news.php?idx=27916 |
화학 이 실생활 의 문제 해결 에 기여한 사례 - hwahag i silsaenghwal ui munje haegyeol e giyeohan salye
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