Haber-Bosch 공정은 대기 질소를 수소와 결합하여 암모니아를 생산하는데, 이는 식물 성장을 촉진하는 데 사용되는 비료의 주요 성분입니다.
1909-1910 년에 발명 된 Haber-Bosch 프로세스는 과학 분야에서 가장 중요한 발명품 중 하나입니다. 이 과정은 독일 화학자 및 발명가 인 Fritz Haber &Carl Bosch의 이름을 따서 명명되었습니다. 이 과정은 대기 질소와 수소를 결합하여 암모니아를 생성합니다. 간단하게 들리나요? 글쎄… 그렇지 않습니다.
실제로, 과정의 발명은 하버와 보쉬가 그들의 일에 노벨상을 수여 받았다는 점이다. 이제, 당신은 왜 암모니아의 생산이 노벨상을받을 자격이있는 특별한 업적으로 여겨졌는지 궁금 할 것입니다. 글쎄, 그것이 왜 그렇게 중요한지에 들어가기 전에 과정 자체를 살펴 보겠습니다.
Haber-Bosch 공정을 사용하여 매년 4 억 톤 이상의 질소 기반 비료가 생산됩니다. (사진 크레딧 :Nopainnogain/ Shutterstock)
Haber-bosch 프로세스는 무엇입니까?
Haber-Bosch 공정은 대기 질소 (N2)를 암모니아 (NH3)와 수소 (H2)와 결합하여 전환합니다. 이 과정은 단일 질소 분자와 3 개의 수소 분자를 결합하여 2 개의 분자의 암모니아를 생성합니다. Haber-Bosch 공정의 화학 방정식은
입니다N2 + 3H2 3 2NH3
상기 방정식의 화살표는 반응이 본질적으로 가역적임을 의미합니다. 반응은 또한 발열이 발생합니다.
Haber-Bosch 프로세스의 흐름도.
수소의 주요 공급원은 메탄 (천연 가스)입니다. 실제로 세계 총 천연 가스 생산의 약 3% ~ 5%가 Haber-Bosch 공정에서 사용되는 반면 질소는 대기에서 직접 추출됩니다. 반응은 철 촉매뿐만 아니라 고온 및 압력에서 발생합니다.
반응 장치를 통과하는 모든 통과에서, 두 반응물의 약 15%만이 질소로 전환됩니다. 반응되지 않은/혼합되지 않은 가스는 재활용되어 장치를 다시 통과합니다. 생성 된 암모니아 분자는 응축을 위해 응축기를 통과하고 액체 암모니아는 저장 및 산업용 사용을 위해 추출됩니다.
촉매 및 고압의 역할
대기 중에 질소는 규정 분자의 형태로 존재합니다. 분자는 삼중 공유 결합을 통해 서로 연결됩니다. 이 유대는 매우 강하고 깨기가 어렵습니다. 촉매는 질소 분자와 표면의 질소와 수소 사이의 이러한 결합을 파괴하는 데 도움이됩니다.
원래의 하버-보쉬 과정은 촉매로서 오스마륨을 사용했습니다. 그러나 Osmium은 쉽게 구할 수 없습니다. 대부분의 현대 버전의 Haber-Bosch 프로세스는 대신 철 촉매를 사용합니다. KOH, K2O, MO 및 AL2O3과 같은 프로모터가있는 철은 반응을위한 완벽하게 다공성 및 높은 표면적 물질을 제공합니다.
화학 반응을 포괄하는 고온과 압력은 화학적 평형을 우회하고 반응이 역 방향으로 진행되는 것을 방지하는 데 도움이됩니다. 반응물과 생성물의 수가 시간이 지남에 따라 변하지 않을 때 반응은 화학적 평형에 있다고합니다.
반응의 시작시, 질소와 수소의 양이 더 크기 때문에 반응은 고속으로 암모니아를 생성합니다. 두 반응물의 농도가 감소함에 따라 전환율이 떨어집니다. 암모니아의 양과 암모니아가 분해되는 속도가 동일 해지면 포인트가 곧 도달합니다. 이 상태를 화학 평형이라고합니다.
전방 반응의 속도 (N2 + 3H2 → 2NH3)가 역 반응 (2NH3 → N2 + 3H2)의 속도와 동일하게되면 평형 상태가 달성된다고합니다.
이 시점에서 더 이상 암모니아가 생성되지 않습니다. 암모니아의 생산을 계속하고 평형을 방해하기 위해 압력이 증가합니다. Le Chatelier의 원칙에 따르면,“시스템의 압력을 높이면 더 적은 수의 분자를 생성하고 압력을 줄이는 데 도움이되는 반응을 선호함으로써 반응 할 것입니다.”
.Haber-Bosch 공정에서 질소와 수소의 조합은 전체 분자가 적습니다. 따라서 반응은 전진 방향으로 다시 시작되고 암모니아의 생성이 재개됩니다.
왜 Haber-bosch 프로세스가 그렇게 중요한가?
Haber-Bosch 공정은 두 가지 이유로 중요합니다. 첫째,이 과정을 통해 대기에서 이용 가능한 광범위한 질소를 사용할 수 있습니다. 둘째,이 과정의 최종 생성물은 전세계 인구의 절반 이상을 공급하는 데 도움이되고 있습니다. 식물이 음식을 준비하는 방법과 질소가 그 과정에 필수적인 이유를 살펴본 후에는 설명하겠습니다.
식물에 질소가 필요한 이유는 무엇입니까?
식물은 광합성이라는 과정을 통해 음식을 준비합니다. 식물의 녹색을 담당하는 안료 인 엽록소는 햇빛으로부터 에너지를 흡수하고 광합성 반응을 수행하는 데 도움이됩니다. 엽록소 화합물의 중요한 성분 중 하나는 질소입니다. 따라서, 질소의 부족은 광합성 반응을 의미하지 않는다. 질소는 지구상에서 가장 풍부한 요소 중 하나이지만, 질소 결핍은 식물에서 흔히 발생합니다.
대기 질소 N2 사이의 강한 공유 결합은 분자를 불활성으로 만들고 식물에 사용하지 않는다. 식물은 대기 질소를 사용할 수 없으므로 아래의 토양에서 질소를 찾습니다. 토양에 존재하는 박테리아 및 고고는 N2 분자를 암모니아 (NH3) 및 다양한 질소 산화물로 전환시킨다. 대기 질소를 분해하여 식물에 유용한 형태로 전환하는 것을 질소 고정이라고합니다. 질소 고정에 대한 자세한 내용은 읽기 :질소주기는 무엇입니까?.
질소 분자의 사용 가능한 질소 (암모니아 또는 질소 산화물)의 자연적 전환을 질소주기라고합니다. (사진 크레딧 :Danylyukk1/ Shutterstock)
자연적으로 고정 된 질소의 양은 매우 낮으며 과정은 매우 느립니다. 따라서 1900 년대 농민들은 농작물 회전과 같은 농업 기술을 사용하거나 소 배설물을 비료로 사용하여 괜찮은 속도로 식물을 재배 할 수 있어야했습니다.
Haber-Bosch 공정이 식품 생산에 미치는 영향
Haber-Bosch 공정의 개발은 질소를 대량으로 인류에게 훨씬 더 유용한 형태로 변환하는 데 도움이되었습니다. 따라서 암모니아를 함유 한 합성 비료를 쉽게 생산하여 식물 성장을 촉진하는 데 사용할 수 있습니다.
합성 비료의 개발과 사용은 지난 세기 동안 인구 증가를 유지하는 데 중요한 역할을 해왔습니다. 실제로이 과정이 발견 된 이후 전 세계 인구는 4 배가되었습니다. 1900 년대 초의 전 세계 인구는 약 17 억 명이었고, 현재의 세계 인구는 77 억 명에 이르렀습니다. 비료가 없으면 현재 생산 된 음식의 약 3 분의 1 만 사용할 수 있습니다.
결론
비료가 식품 생산에 미치는 영향을 고려할 때, Haber-Bosch 공정이 전 세계 인구의 절반 이상을 공급하는 데 도움이되었다고 말하는 것은 과장된 표현이 아닙니다. 현재 약 4 억 4 천만 톤의 질소 기반 비료는 매년 Haber-Bosch 공정을 사용하여 제조됩니다.
그러나 비료는 암모니아에서 유래 한 제품 중 하나 일뿐입니다. 암모니아의 다른 용도에는 폭발물, 나일론/플라스틱 생산 등의 생산에서 냉매로서의 사용이 포함됩니다.
Haber와 Bosch가 왜 과정을 발명하는 데 노벨상을받을 자격이 있었는지 여전히 궁금하십니까? 전 세계 인구의 절반의 판에 음식을 넣어 보시면 하나도 이길 수 있습니다!
