공중질소고정

요약 공기 속에 있는 질소를 원료로 하여 암모니아 ·황산암모늄 ·질산 등 질소화합물을 만드는 일인데, 이는 비료 ·화약 등의 제조원료로서 공업적으로 중요하다. 공업적 방법으로 공기질산법, 합성암모니아법 및 석회질소법이 알려져 있고, 한편 콩과식물에 붙은 뿌리혹박테리아의 질소동화를 공중질소고정이라고도 한다.

질소화합물은 비료 ·화약 등의 제조원료로서 공업적으로 중요한 것이 많은데, 예전에는 모든 질소화합물을 광물자원에 의존하고 있었다. 그러나 19세기 말경 공중질소고정법이 발견된 후부터 질소공업이라고 하면 공중질소고정공업을 뜻하게 되었다. 주요방법으로는 공기질산법 ·합성암모니아법 ·석회질소법 등이 있다.

① 공기질산법:공기 속의 질소와 산소를 직접 화합시켜서 질산을 만드는 방법은 오래 전부터 시도되었는데, 1785년 영국의 화학자 H.캐번디시는 물의 존재하에서 공기 속에 전기불꽃을 통하면 질산이 생기는 것을 발견하였다. 그 후 여러 화학자들의 연구에 의하여 이 방법은 미국 ·노르웨이 ·독일 등지에서 잇따라 공업화되었는데, 이것이 공기질산법이다. 즉, 아크방전에 의해서 공기 속의 질소와 산소로부터 일산화질소를 만들면, 이것은 공기와 접촉하여 즉시 이산화질소가 되고, 이것을 물과 반응시키면 질산을 얻을 수 있다. 이 방법은 원료가 물과 공기뿐이고, 제조법 또한 간단하나, 에너지효율이 극히 불량하기 때문에 방대한 전력을 소비한다. 이 치명적인 결점 때문에 합성암모니아법이 나타난 후에는 쓰이지 않고 있다.

② 합성암모니아법:질소와 수소를 200~300atm으로 가압한 가운데 500℃ 정도에서 산화철 Fe₃O₄에 소량의 산화알루미늄 ·산화칼륨 등의 촉진제를 가한 촉매를 써서 직접 반응시켜 암모니아를 만든다. 이 방법은 독일의 화학자 F.하버의 이론적 연구와 C.보슈의 기술적 연구에 의하여 1910년 공업화에 성공한 것으로, 하버-보슈법이라고 한다. 현재는 더욱 개량되어 합성탑 기타에 의해 각종 방법이 사용되고 있다. 원료인 질소는 액체공기를 분류함으로써 간단히 대량으로 얻을 수 있다.

③석회질소법:합성암모니아법의 성공에 앞서, 1898년 독일의 화학자 A.프랑크와 N.카로는 우연한 기회에 칼슘카바이드 CaC₂에 질소를 통하여 처음으로 석회질소를 얻었다. CaC₂ ＋ N₂ = CaCN₂ ＋ C 이 방법은 카바이드를 제조할 때 대량의 전력을 필요로 하나, 질소를 반응시키는 일이 쉬우므로 현재도 사용되고 있다. 한편, 이들 공업적 방법 외에, 콩과식물에 붙은 뿌리혹박테리아나 질화세균 등의 토양세균과 같은 생명체가 유리질소(遊離窒素)를 유기질소화합물로 전화시키는 일, 즉 질소동화를 공중질소고정이라고도 한다.