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질소고정(Nitrogen fixation)

질소 고정(窒素固定; Nitrogen fixation)은 공기 중의 질소 분자를 반응성이 높은 다른 질소 화합물(암모니아, 질산염, 이산화질소 등)으로 변환하는 과정을 말한다.

질소고정은 자연적으로 일어나지만, 하버법(Habor process)이 개발된 이후로는 산업적으로 합성되어 이용된다. 번개에 의해 물리적으로도 질소고정이 일어나기도 하지만, 우리가 질소고정을 이야기 할 때 대부분은 미생물에 의해 일어나는 생물학적 질소고정을 일컬는다.

생물학적 질소고정

생물학적 질소고정이란 대기 중의 질소가 니트로게나제(nitrogenase)라는 효소에 의해 암모니아로 전화되는 과정을 말한다.

대기중의 질소는 삼중 공유 결합을 하고 있기 때문에 매우 안정한 구조다. 거의 대부분의 생물체들은 대기중의 질소를 직접 사용하지 못 한다.

일부 세균들만이 질소를 고정할 수 있는데, 이들은 질소 고정을 위해 특수화된 효소를 가지며, 이들을 질소자급영양생물(Diazotroph)라 부른다.

이러한 반응은 혐기성의 조건하에서 일어나는데, 한 분자의 질소가 8개의 수소이온과 반응하여 두 분자의 암모니아와 한 분자의 수소를 생성하는 과정이다. 물론 이러한 반응이 그저 일어나지는 않는다. 미생물에서 에너지로 사용되는 ATP가 16 개나 사용된다. 하지만 생명체가 살아가기 위해서는 어쩔수 없는 선택이다.

화학적 질소고정

1908년 독일의 과학자 프리츠 하버(Fritz Haber)가 철 촉매를 사용하여 1000°C의 온도와 고압의 조건에서 암모니아를 합성하는데 성공하였다. 이를 '하버법' 또는 ‘하버-보쉬법’이라 한다. 그 후로 촉매의 개발이 지속적으로 이루어져 비교적 낮은 조건에서도 암모니아의 합성이 가능하게 되었다. 오늘날에도 수많은 화학공학자들이 더 낮은 에너지를 써서 암모니아를 합성하고자 노력하고 있지만 근본적으로는 하버법에서 크게 벗어나지는 못하고 있다. 오늘날의 '하버-보쉬법'을 사용하여 암모니아를 제조할 때는 200 bar의 압력과 550 °C의 온도에서 철, 루비듐 계열의 촉매를 사용하여 합성한다. 오늘날의 화학공장에서는 천연가스를 수소원으로, 대기(air)를 질소원으로 사용하여 고효율로 암모니아를 합성할 수 있다.

화학비료 제조 공정은 지구 생태계에서 가장 큰 질소고정 프로세스가 되었다. 하버법으로 암모니아의 합성이 이루어지기 전까지는 칠레 등에서 생산되는 초석에서 암모니아 성분을 구했다. 그래서 가격이 매우 비샀고 이를 농업적으로 활용한다는 것은 상상하기 어려운 일이 었다. 프리츠 하버는 하버법의 개발로 인류의 식량문제 해결에 크게 기여하였고, 그 공로로 노벨상까지 받았다. 하지만 안타깝게도 1차 세계대전에서 독가스의 개발과 폭약의 개발 등을 주도하면서 그 영광은 빛이 바랬다.

참고

연결문서

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3.4 KB 질소고정.txt · 마지막으로 수정됨 2017/08/12 08:37 저자 V_L V_L

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