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화학 - 물질의 합성 빠르게 하려면…

화학반응

빠르고 완전하게 물질을 합성하기 위해서는 반응속도의 법칙과 화학평형의 법칙을 이해해야 한다.

공장에서 화합물을 제조할 때 두 가지 측면이 고려되어야 한다.

첫째, 제한된 시간 내에 얼마나 많은 양이 합성될 수 있는가 하는 점이다. 이것은 경제성과 상업성을 고려할 때 대단히 중요한 문제다. 물리적으로 제품을 찍어내는 공장에서는 기계를 빨리 가동시키면 그만큼 제품이 빨리 생산될 수 있겠지만 화합물을 제조하는 공장에서는 기계의 가동 속도가 아닌 화학 반응 속도에 의해 제품의 생산 속도가 결정된다.

둘째, 원료가 되는 물질을 완전하게 생성물을 만드는 데 이용할수 있는가 하는 점이다. 누구나 원료를 남김없이 사용해 생성물을 얻고 싶을 테지만 자연 법칙은 이것을 허용하지 않는다. 화학 반응에서는 반응 물질과 생성 물질이 일정한 비율로 공존하는 화학 평형의 법칙이 적용된다. 이 때문에 반응물질을 100% 모두 생성 물질로 만드는 것은 불가능하다. 그러나 가능하면 원료의 대부분을 생성 물질로 만들어야만 공장의 경영이 효율적일 것이다(그림1).
 

(그림1)화합물의 반응속도와 평형^화합물의 반응속도는 온도 농도 촉매 표면적에 제한받고 화합물의 평형은 온도 압력 농도에 제한을 받는다.


가능하면 빠르게, 가능하면 완전히

물질의 합성을 빠르고 완전하게 하려면 반응 속도의 법칙과 화학평형의 법칙을 잘 이해해야 한다. 여기서는 두 법칙에 대한 자세한 설명은 생략하고 이 법칙이 물질의 합성에 어떻게 이용되는지에 대해서만 알아 보기로 한다.

반응 속도는 반응 물질의 농도, 반응 물질의 표면적, 온도, 촉매 등에 의해 결정된다. 이를 정리하면 다음과 같다.

가. 반응물질의 농도가 클수록 반응 속도가 빠르다.
나. 반응 물질의 표면적이 클수록 반응 속도가 빠르다.
다. 온도가 높을수록 반응속도가 빠르다.
라. 촉매를 사용할수록 반응속도가 빠르다.

그러나 화학 평형의 법칙은 좀더 복잡하다. 평형 상태에 도달하면 반응 물질과 생성 물질의 농도 변화가 없지만, 농도와 온도, 그리고 압력을 변화시키면 반응 물질은 줄어들고 생성 물질이 증가할 수도 있다. 화학평형의 이동 방향은 다음과 같다.

가. 생성 물질을 제거하면 생성물을 증가시키는 방향으로 평형이 이동된다.
나. 발열 반응의 경우 온도를 낮추고, 흡열 반응은 온도를 높이는 방향으로 평형 이동된다.
다. 반응의 결과 압력이 증가하는 반응에서는 압력을 낮추는 방향으로 평형 이동된다.

반응 속도를 높이기 위해서 사용한 방법이 평형에 도달했을 때 생성 물질의 비율을 줄이는 경우도 있다. 이 경우 반응 속도를 빠르게 해야 하는지, 생성 물질의 수득률을 높여야 하는지 고민이 아닐 수 없다.

이제 황산의 제조와 암모니아의 제조를 예로 들어 어떻게 효과적으로 화합물을 합성하고 있는지에 대해 살펴보기로 하자.

황산을 제조할 때 사용되는 원료는 황이다. 황은 몇 단계의 공정을 거쳐서 황산으로 된다. (그림2)에서와 같이 1단계로 황을 연소하면 이산화황이 된다. 2단계로 이산화황을 순수하게 만들고, 3단계로 이산화황을 촉매실에서 산화시키면 삼산화황이 된다. 4단계로 삼산화황을 물에 녹인 후 농축시키면 황산이 된다.
 

(그림2)황산의 제조


그런데 황산을 제조할 때 가장 느리게 진행되는 단계는 이산화황을 산화시켜 삼산화황으로 만드는 과정이다.

2SO₂(g) +O₂(g) 2SO₃(g) +197kJ

따라서 황의 제조과정에서 걸리는 시간은 삼산화황이 산화되는 3단계가 얼마나 빨리 진행되는가에 달려 있다. 삼산화황의 생성 속도를 빠르게 하려면 어떻게 해야 할까? 삼산화황의 반응속도는 다음에 의하여 빨라진다.

가. 산소와 이산화황의 농도(압력)를 크게 한다.
나. 온도를 높인다.
다. 촉매를 사용한다.

이 경우 백금과 바나듐의 화합물이 촉매로 사용될 수 있다. 그러면 삼산화황의 수득률을 높이려면 어떻게 해야 하나? 위의 열화학 반응식에서 반응 물질이 3몰인데 생성 물질은 2몰이므로 이 반응이 진행되면 압력이 감소한다. 또한 2몰의 이산화황이 산화되어 2몰의 삼산화황이 될 때 197kJ의 열이발생하므로 반응이 진행되면 온도가 올라간다. 따라서 삼산화황이 양을 증가시키는 방향으로 평형을 이동시키려면 다음과 같이 해준다.

가. 압력을 높인다.
나. 온도를 낮춘다.

우리는 위에서 반응 속도를 빠르게 하기 위해서는 온도를 높여야 하는 반면, 평형 상태에서 삼산화황의 수득률을 높이려면 온도를 낮추어야 하는 상반된 측면을 발견할 수 있다. 실제로 공장에서는 수득률을 낮추지 않기 위하여 온도를 4백50℃ 이상 높이지 않는다. 4백50℃까지 온도를 높이더라도 1기압 하에서 97% 가량이 삼산화황으로 바뀐다. 그러나 4백50℃ 이상 온도를 높이면 수득률이 급격하게 떨어져 5백50℃에서는 수득률이 85%가 된다(그림3).
 

(그림3)온도와 삼산화황의 수득률


반응 속도를 높이기 위한 수단으로 온도를 무한히 높이는 것이 어렵기 때문에 온도를 4백50℃로 유지하는 대신에 촉매를 사용하여 반응 속도를 향상시키고 있다. 게다가 온도를 4백50℃로 유지하기 위해 외부에서 에너지를 사용하여 가열하는 대신에 반응시에 발생되는 열에너지를 이용하는 열교환기를 고안했다.

이 열교환기는 삼산화황이 생성될 때 발생하는 열로 이산화황과 산소의 온도를 높이므로 에너지 자원을 절약할 수 있을 뿐만 아니라 높은 온도의 삼산화황의 온도를 낮추어 이것이 물에 녹아 황산으로 될 때 고온의 황산 증기가 되는 것을 방지해 준다.

온도와 압력의 딜레마

20세기 초 인구의 급격한 증가에 따라서 식량 증산의 필요성이 대두됐고 식량 증산을 위해서 많은 질산염 비료가 필요해졌다. 또한 같은 시기에 공장의 대량 생산으로 인하여 염료와 폭약의 원료인 질산이 대량으로 필요하게 됐다. 따라서 천연 광물로부터 이러한 질산염과 질산에 대한 수요를 충당할 수 없게 되었고, 공기 중의 질소를 고정시킬 필요성이 대두하게 되었다. 마침내 독일의 하버는 공기 중의 질소와 석유로 부터 얻은 수소에 의하여 암모니아를 합성해냈다.

N₂(g) +3H₂(g)2NH₃(g) +92kcal

이 반응은 발열 반응이므로 반응의 결과 온도가 올라가며, 4몰의 입자가 2몰로 되어 압력이 감소한다. 따라서 수득률을 높이기 위해서는 온도를 낮추고 압력을 높여준다. 그러나 암모니아를 만들기 위해서는 질소 원자 사이의 결합이 끊어져야 하며, 질소 간의 결합은 낮은 온도에서 쉽게 끊어지지 않는다.

이처럼 온도를 너무 낮추면 반응이 거의 일어나지 않게 된다. 따라서 반응을 원하는 속도로 일어나도록 하려면 온도를 너무 낮출 수 없다. 물론 이 경우에 촉매를 사용하면 반응 속도를 증가시키기 위해 온도를 최소한으로 높일 수 있다.

황산을 제조할 경우는 1기압 4백50℃에서 수득률이 97%에 이르렀지만 암모니아의 제조는 매우 어려운 조건에서도 만족할 만한 수득률을 얻기가 어렵다. 하버가 촉매의 존재하에 수소와 질소를 반응시켜서 얻은 암모니아의 수득률은 8%에 불과하였다. 물론 당시로선 공기중의 질소를 콩과 식물이 아닌 인간의 손으로 고정시킬 수 있었다는 사실 자체에 큰 의미가 있었다.

하버의 암모니아 합성을 공업적으로 이용하려면 수득률을 더 높이지 않으면 안되었다. 온도와 압력을 조절함으로써 암모니아의 수득률을 높일 수 있다. (그림4)에 따르면 2백℃에서 6백 기압 이상의 조건에서 수득률이 매우 높지만 온도가 너무 낮은 경우에 반응 속도가 느려지고 6백기압을 유지하는데 따르는 기술적인 어려움도 있다. 현실적으로는 4백-6백℃의 온도에서 3백 기압 정도의 반응 조건에서 반응을 시키는 경우가 많다.
 

(그림4)온도와 압력의 조절을 통한 암모니아 수득률의 변화


함께 생각해 봅시다

다이아몬드와 흑연의 밀도는 각각 3.5와 2.3g/㎤이다. 흑연이 다이아몬드로 변하는 반응은 (그림5)와 같은 식으로 표현할 수 있다.
흑연으로부터 다이아몬드를 만들 때 수득률을 높게 하기 위해서 온도와 압력을 어떻게 조절하는 것이 좋은가?

<;해설>; 흡열 반응 쪽으로 평형이 이동되도록 하려면 온도를 높여주는 게 유리하다. 흑연이 다이아몬드가 될 때 밀도가 증가하므로 외부의 압력이 클수록 더 유리하다.
 

(그림5)흑연이 다이아몬드로 변하는 반응


<;답>; 온도와 압력을 모두 높인다.

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1994년 09월 과학동아 정보

  • 서인호 교사

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