[고등화학] 인류 문명과 화학

1. 불
① 추위와 맹수의 위협으로부터 보호
② 음식물을 조리함으로써 단백질 섭취 효율 증가
③ 토기와 유리 등의 도구 제작 가능 및 청동기, 철기 등의 금속 이용 가능

2. 철
- 자연상태에서는 산소와 결합된 철광석 형태로 존재하기 때문에 사용하기 위해서는 제련과정이 필요
- 철광석 : 적철광(Hematite Fe2O3), 자철광(Magnetite Fe3O4), 갈철광(Limonite Fe2O3ㆍnH2O) 등
- 제련과정 : 광석을 녹여서 특정 금속을 뽑아 정제하는 작업
- 철을 제련하기 위해서 철광석, 코크스(탄소 가루), 석회석(CaCO3)을 넣고 가열한다.
- 코크스가 불완전연소로 일산화탄소를 생성해내고, 이 일산화탄소가 철광석의 산소와 결합하기 때문에, 철을 뽑아낼 수 있다.
- 즉 코크스는 일산화탄소를 발생시키는 환원제의 역할을 한다.
- 연소 : 어떤 물질(C, H, O)이 산소와 반응하여 열과 빛을 내는 화학반응
- 석회석은 철광석 속에 존재하는 불순물을 제거하기 위해 함께 넣어준다.

<< 철과 구리 >>
지각(지구의 표면)은 산소(45%), 규소(27%), 알루미늄(8%), 철(5%), 칼슘(3%), 구리(0.007%) 등으로 구성되어있다. 지각에는 구리(Cu)보다 철(Fe)이 더 많이 존재하는데도 불구하고 철보다 구리가 먼저 사용되었다.
그 이유는 철의 제련과정이 구리보다 어렵기 때문이다. 구리는 산소와의 결합력이 약해 비교적 쉽게 얻을 수 있다.
구리의 녹는점은 1080℃이고, 철의 녹는점은 1540℃로, 철보다 구리가 다루기 쉽다.

3. 화석 연료
- 화석 연료 : 땅 속 동식물 사체가 오랜기간 열과 압력, 그리고 미생물의 분해작용을 받아 만들어지는 석탄, 석유, 천연가스 등
- 석탄 : 식물의 사체로 만들어진 화석 연료  /  석유 : 바다 생물의 사체로 만들어진 화석 연료
- 화석 연료의 주성분은 탄소와 수소이기때문에 가열, 즉 산소와 반응을 하면 많을 열이 발생된다.

4. 암모니아 합성
 대기는 질소(78%), 산소(20%), 아르곤(0.93%), 이산화탄소(0.035%) 등으로 이루어져 있다. 이 중 가장 큰 비중을 차지하는 질소는 단백질과 핵산을 이루는 주요 성분으로, 식물이나 동물이 생장을 하기 위해 필요로 하는 원소 중 하나이다. 공기 중에 떠다니는 질소는 매우 안정한 N2 형태로 존재하는데, 이를 세균(뿌리혹박테리아) 또는 번개에 의해서 생물이 사용할 수 있는 암모늄염(NH4+), 질산염(NO3-) 등의 행태로 바뀌게 되어 식물이 이용할 수 있게 된다. 하지만 그 양이 매우 적기 때문에 이용가능한 형태의 질소를 토지에 인위적으로 공급해야 한다. 그 방법이 암모니아 합성을 통한 비료 공급이다. 질소와 수소를 결합시켜 암모니아(NH3)를 합성하는 것을 말하며, 이로 인해 인류 식량문제가 크게 개선되었다.

 

질소 순환 (nitrogen cycle)

[ 암모니아 합성법 (하버-보슈법) ] N ₂ + 3H₂ → 2NH₃
: 질소의 강한 삼중 결합을 끊기 위해 하버와 보슈는 최적의 온도와 압력 조건에서 촉매와 함께 반응을 유도하였다.