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노벨상인물

칼 보슈 Carl Bosch

칼 보슈 [이미지]
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MPI (막스플랑크연구소)
  • 작성 2014-09-15
  • 조회 2,539
  • 출생1874-08-27, 독일 쾰른
  • 국적 독일
  • 분야공업화학
  • 소속하이델베르크 대학교수
  • 출신대학라이프치히대학교
  • 주요업적화학적 고압방법의 발명과 개발
  • 수상노벨 화학상 (1931)
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인물정보

1931년에 암모니아를 고온에서 합성하는 하버-보슈법을 개발한 공로로 프리드리히 베르기우스와 함께 노벨 화학상을 공동 수상했다.

1874년에 독일 쾰른에서 태어나 암모니아 대량생산에 일조를 한 개발자의 하나로 처음에는 쾰른 공업대학에서 금속학과 기계공학을 공부하다가 진로를 바꿔 1896년에라이프치히대학교에서 유기화학을 공부하여 1898년에 유기화학 학위를 받았다. 이듬해에 BASF사(Badische Anilin-und Soda-Farbik AG; 바덴아닐린 소다회사)에 입사하여 염료인 합성 인디고 개발에 참여하였다. 금속 시안산염과 금속 질화물 등을 만들었지만 상업적이지 않아 실패하다가 프리츠 하버를 만나 암모니아 합성의 상업화에 성공한다. 하버는 오스뮴으로 암모니아를 얻는데에 성공했지만 오스뮴을 상업화시키기에 무리가 있어 BASF에 넘기자 보슈는 그 과제를 이어받아 오스뮴이나 우라늄을 대체할 촉매를 찾았다. 그 당시 알려져 있던 원소의 대부분을 조사하여 약 2만번의 실험 끝에 철과 특정 화합물로 이루어진 촉매를 찾았다. 그 외에도, 이전에 기계공학을 전공했던 경험을 살려 거대규모의 장비를 만드는데, 2중 통구조의 반응통을 설계하여 장치의 수소부식 문제도 해결하였다.

1907년에는 금속 시안 화합물과 초산염으로부터 시안으로 된 바리움을 만들었고, 하버가 발명한 공중질소 고정법에서 착안하여 높은 압력 아래에서 암모니아를 합성하는 하마법을 공업에 응용시켜, 제 1차대전에서 화약의 원료로서 쓰이게 되었다. 암모니아를 산업화시킴으로써 더 낮은 가격으로 질소비료를 공급하게 하였으며, 뿐만 아니라 암모니아를 산화시켜 탄산가스로부터 요소를 만들기도 하였다.

1919년에는 BASF이사가 되었다가, 이 회사가 I.G. 파르벤회사로 바뀌며 사장직을 맡는다. 1937년 6월 막스 플랑크의 뒤를 이어 카이저빌헬름협회 회장직을 맡기도 하였다. 1940년 4월 26일 지병으로 사망한다.

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시상연설

전하, 그리고 신사 숙녀 여러분.
알프레드 노벨 박사의 유언에 따르면 노벨상은 인류에게 가장 큰 공헌을 한 사람에게 수여하도록 되어 있으며, 특히 노벨 화학상은 화학 분야에서 가장 중요한 발견이나 진보를 이룩한 사람에게 수여하도록 명기되어 있습니다. 이 위대한 기증자가 적어 놓은 상의 취지가 너무 간결하여 해석하고 현실화되는 데 다소 어려움이 있지만 수상을 결정하는 데 있어 인류에 대한 기여가 무엇보다도 우선한다는 점에는 추호의 의심도 없고, 앞으로도 있을 수 없습니다.

이는 지금까지 노벨 화학상이 전적으로 과학적 업적에 대해 수여되었다는 사실과 상충하지 않습니다. 왜냐하면 상장 증서에 화학산업의 발전과 관련된 연구의 중요성을 수상자의 공로와 함께 간단하게 표현한다는 사실은 별문제로 하고, 대부분의 경우 그 업적이 공헌하는 바가 이미 증명하듯이 분명하고, 또한 많은 경우 그 위대한 가치를 실용적으로 활용해 왔기 때문입니다.

그러므로 기술의 발전과 실용적인 진보를 직접적인 목적으로 했던 연구 업적이 지금까지 노벨 화학상을 받지 못했다면, 그 이유는 그 기술의 진보가 여러 사람이 협력한 결과이고 그들 중 누가 가장 상을 받을 자격이 있는지 결정하기가 쉽지 않아서입니다.

그러나 금년에 과학원은 특별하고 중요한 기술적 진보를 발견했으며, 그런 면에서 누가 제1공로자로 정해져야 하는지 아주 분명하게 알고 있습니다.

과학원은 올해 노벨 화학상을 화학적 고압법을 창안하고 발전시킨 카를 보슈 교수와 프리드리히 베르기우스 사장에게 균등하게 수여하기로 하였습니다. 저는 이제 이들의 공로의 의미, 즉 인류에 대한 중요성이 명백하게 드러나는 업적을 어렵겠지만 간단히 기술하겠습니다.

탄산수 병을 열면 어떤 현상이 일어나는지 누구나 알고 있습니다. ''펑''하는 소리가 나고 기체인 이산화탄소가 급히 빠져 나옵니다. 이 기체는 또한 전체 액체로부터 거품으로 나타납니다. 탄산수를 만들 때 압력을 가해서 이산화탄소를 물속으로 밀어 넣는데, 압력이 증가하면 더 많은 이산화탄소가 용해되어 물속으로 들어갑니다. 압력이 감소하면 이에 상응하는 양만큼의 이산화탄소가 빠져 나옵니다. 이산화탄소가 물속으로 녹을 때 화학변화가 일어납니다. 기체의 일부는 물과 결합하여 탄산수화물이라고 알려진 화합물을 만드는데, 이것은 낮은 압력에서는 단지 적은 양이 생성되지만 고압에서는 계속 생성됩니다. 물에 더 많이 녹도록 이산화탄소 기체에 압력이 가해지면 외관상으로는 이산화탄소 기체가 사라지기 때문에 부피가 감소합니다.

화학평형의 법칙에 따라 기체가 포함된 화학변화 도중 부피감소가 일어난다면, 그리고 이 변화가 기체의 양 또는 과학적인 용어로 좀 더 정확히 표현해서 기체분자의 수가 화학변화 전보다 후에 더 적어진다는 사실 때문이라면, 그 변화 즉 결과적인 생성물의 수율은 변화가 일어나는 여러 물질의 혼합물에 압력이 가해짐으로써 향상됩니다. 이것은 또한 이 혼합물이 기체물질의 감소로써 외부 압력에 대응한다고 표현할 수 있습니다. 이 법칙은 오랫동안 알려져 왔지만 산업적으로 실현되어 이 과정으로부터 인류가 매우 유용하고 중요한 혜택을 받게 된 것은 단지 최근의 일입니다.

1908년 하버는 이른바 바덴아닐린소다 회사라는 화학 회사에서, 기체상태의 질소와 수소를 직접 결합해서 암모니아를 만들어 인류에게 혜택을 주려는 그 당시 독일의 가장 큰 관심사를 접하게 되었습니다. 이때 그는 강력한 접촉물질 또는 촉매로서의 역할을 하는 오스뮴과 우라늄이라는 두 가지 물질을 발견하는 데 성공합니다. 즉 이들이 없었다면 명백하게 일어나지 않았을 변화를 압력의 도움으로 암모니아 생산수단으로 생각할 수 있는 정도까지 화학반응을 가속화시킬 수 있었습니다. 이렇게 생산된 암모니아를 황산에 흡수시켜 훌륭한 질소비료인 황산암모늄을 공기 중의 질소로부터 무한정 생산할 수 있다고 지적했습니다. 이 경우 사실 압력이 화학변화를 엄청난 정도로 가속시키는데 왜냐하면 질소와 수소 기체 혼합물의 부피가 반으로 압축되어 암모니아가 만들어지기 때문입니다. 이러한 과정을 거쳐서 하버는 공기 중의 질소를 이용하는 새로운 방법을 알아냈고 이로 인해 그는 1918년 노벨 화학상을 받았습니다.

그럼에도 불구하고 구성원소인 질소와 수소를 결합해서 암모니아를 생산하는, 암모니아 합성의 과학적 기초를 제공하는 것과 이것을 산업적·경제적인 면에서 성공적인 스케일로 현실화하는 것 사이에는 여전히 엄청난 괴리가 있습니다. 이 임무는 BASF 회사가 카를 보슈 박사에게 위탁했습니다. 실질적인 조건에서 만족할 만한 전환속도와 전환율을 얻기 위해서는 약 200기압의 압력과 섭씨 500도의 온도가 필요하다는 것이 곧 확실해졌습니다. 그러나 이러한 조건에서 이 화학반응을 수행하는 실험 초기에 보슈 교수는 극복하기 어려운 문제에 직면했습니다. 이미 언급한 압력과 온도에서 상당 시간 관련 기체혼합물에 견딜 만한 물질을 찾을 수 없다는 사실이었습니다. 예를 들면 강철은 수소와 반응하기 때문에 압력에 견디지 못합니다.

그때 보슈 박사는 이 문제를 해결하는 기발한 구상을 했습니다. 변화가 일어나는 용기를 이중벽으로 만들어서 내부 실린더 튜브를 다른 외부 튜브로 둘러싸서 두 튜브 사이에 공간을 두는 것입니다. 반응은 200기압, 섭씨 500도의 내부 튜브에서 일어나고 이 온도는 반응 중 발생하는 열에 의해 유지됩니다. 차갑고 압축된 수소와 질소의 혼합기체는 두 튜브 사이의 공간으로 주입되어 이 공간은 상대적으로 차갑게 유지되는 반면에 압력은 내부 튜브만큼 높습니다. 이러한 방식으로 내부 튜브를 구성하는 물질은 압력이라는 스트레스에 노출되는 일이 없이 고온에만 견디면 됩니다. 반면에 외부 튜브는 상대적으로 낮은 온도에서 압력이라는 스트레스에만 견디면 됩니다.

정말 발명가다운 기발한 구상을 실현하기 위해서 이제 두 가지 목적을 만족시킬 물질을 찾는 것이 필요했습니다. 외부 튜브는 일반 탄소강이 보통 온도에서 200기압까지 견디기 때문에 아무런 문제가 없었습니다. 내부 튜브 물질에 관한 신중하고 체계적인 조사결과 적은 함량의 크롬을 포함하는 저탄소크롬강인 인터 알리아(inter alia)가 조건을 충족시킨다는 것을 알아냈습니다.

이러한 기술로 전쟁 직전 최초의 고압법을 화학산업에 적용할 수 있었습니다. 자연스럽게 화학변화의 경제성을 조사하기 위해서, 값싼 수소기체의 생산과 접촉물질에 관한 다른 연구가 필요했습니다. 하버가 발견한 방법은 실질적인 운전에는 적합하지 않았습니다. 그러나 이와 관련된 연구는 이 상(賞)의 목적이 아니고 이 부분을 더 자세히 다루는 것은 본 연설의 범주를 넘어서는 것입니다.

반면에 이 최초 고압법의 엄청난 중요성은 기억할 만한 가치가 있습니다. 암모니아 합성은 공기 중의 질소를 비료, 즉 질산칼슘 또는 칼슘사이안아마이드로 전환하는 전통적인 방법보다 더 일반적으로 적용이 가능할 뿐만 아니라 거의 모든 나라에서 경제적으로 더 이득이 있다는 것이 밝혀졌습니다. 현재 이 방법은 14개 나라에 소개되었습니다. 칠레초석(질산나트륨, 지금까지 가장 중요한 질소함유 비료)이 멀지 않은 미래에 고갈될 것이라는 인류에 대한 위협이 제거되었습니다. 그뿐만이 아닙니다. 공기 중의 질소로부터 질소비료가 얻어지고, 칼슘사이안아마이드 형태로 자연에 의해 소비 직전 상태로 만들어진 칠레초석과 같은 가격에 팔릴 수 있다는 사실이 과거에는 엄청난 성공이라고 여겼던 반면에, 암모니아 또는 황산암모늄의 제조는 최근에 약간은 의도적으로 부풀려진 칠레초석의 값을 실질적으로 감소시키는 결과를 가져왔습니다.

이렇게 최초의 고압법이 무한한 성공 가능성과 함께 산업에 도입되었으며, 독일의 거대한 화학산업회사인 I. G.파르벤(줄여서 I.G.라고 알려져 있는)의 기술 디렉터였던 보슈 교수는 다른 고압법을 산업에 도입했습니다. 이것은 탄소 라피네이션이라 부르는 분야에 도입되었고 주로 수소와 일산화탄소의 유기화합물을 얻는 데 사용되었습니다. 권위 있는 제안자의 말에 따르면 가장 큰 성공은 언급한 물질로부터 순수하지 않은 상태라서 불명예스러운 명칭인 목초 알코올이라 알려진 메틸알코올 또는 메탄올을 합성하는 것입니다. 메탄올은 살균제 포르말린 제조의 출발물질로 사용되며, 최근에 이 중요한 물질의 생산이 이 고압방법으로 독일뿐만 아니라 미국에서도 가장 큰 규모로 이루어졌고 이어서 생산물 가격의 하락을 가져왔습니다. 상당히 많은 다른 중요한 유기화합물들이 또한 압력과 온도, 접촉물질을 달리해서 수소와 일산화탄소로부터 얻어질 수 있습니다. 따라서 고압 방법으로 그러한 물질들을 제조하는 일이 산업적으로 더 이용될 것이라고 추정하는 것이 합당해 보입니다.

보슈 교수가 최초의 산업적인 화학 고압법 연구를 시작하고 한두 해가 지나서, BASF의 프리드리히 베르기우스 박사 또한 고압법 사용의 계기가 되는 연구와 일을 독립적으로 시작했습니다.

이 일의 목적은 한 가지 문제를 해결하는 것인데 질소 문제와 비교할 만큼 중요합니다. 그것은 석탄으로 알려져 있는 갈탄과 같은 고체 탄으로부터 오일과 액체연료를 제조하는 것입니다. 언급한 물질은 다양한 비율의 수소와 탄소로 이루어져 있어 탄화수소라 불리며 석유와 다른 액체연료로 작동되는 자동차, 선박과 함께 현대 생활에 필수적인 것입니다. 석유의 매장량이 한정적이기 때문에 이러한 오일 생산물이 적절한 가격에 다른 원재료로부터 인위적으로 만드는 방법이 개발되지 않으면, 우리는 조만간 오일의 사용을 제한하거나 모두 그 사용을 중단해야 할지도 모릅니다.

지구 전체로 볼 때 특히 우수한 원재료는 석탄입니다. 그러나 석탄은 결코 순수한 탄소가 아니라 수소와 산소도 포함하고 있습니다. 여러 형태의 석탄이 증류기 또는 일반적으로 공기가 차단된 밀폐 용기 안에서 가열될 때, 즉 건조증류하면 코크스가 남고 반면에 수소는 방출되는데 이 중 일부는 휘발성 탄화수소와 기타 화합물로, 또 일부는 자유로운 상태로 또는 가치없는 물로 방출됩니다. 이렇게 얻어지는 가스, 즉 등불용 가스 또는 요리용 가스는 별문제로 하고, 비록 상대적으로 적은 양이지만 탄화수소를 포함하는 오일과 타르를 얻습니다. 석탄의 가장 많은 부분이 코크스로 남으며 탄소와 수소의 상당한 부분이 기체 형태로 방출됩니다.

그러므로 단순 탄소증류를 파괴적이라고 표현한다면 인정할 수밖에 없습니다. 왜냐하면 단순 탄소증류는 수백 년 동안 행해져 왔는데 그 목적이 오일 제조라면 수소의 상당 부분이 탄소와 결합되지 않고 방출되기 때문이며, 비록 전자가 여전히 기체연료로서의 가치를 가진다 해도 수소의 일부를 물의 형태로 직접 잃어버리기 때문입니다.

이 과정은 기본 구상을 베르기우스 박사가 했다는 이유로 베르기니제이션이라고도 알려져 있는데 다음과 같습니다. 석탄의 단순증류는 이른바 다양한 종류의 격렬함, 즉 높거나 낮은 온도에서 행해질 수 있습니다. 첫 번째 경우에 오일의 수율이 더 나쁘고 두 번째 경우가 더 좋습니다. 처음에 베르기우스 박사는 증류를 온화하게 수행해서 가장 많은 양의 오일을 얻었습니다. 그러나 이 일은 다른 사람들도 수행하였습니다. 더군다나 베르기우스 박사는, 이것은 그의 발명에서 본질적인 특징인데, 증류가 일어나는 동안 동시에 수소를 고압으로 밀어 넣어서 더 많은 수소가 석탄과 화학적으로 결합하여 석탄의 전통적인 증류로 얻을 수 있는 것보다 석탄에 있는 상당히 더 많은 양의 탄소가 오일로 전환되기를 원했습니다. 달리 표현하면 석탄에 있는 귀중한 고체 탄화수소를 과도한 열이나 부분 연소에 의해 단순히 파괴하지 않고 보존하며, 압력을 가해 수소를 넣어줌으로써 액체오일로 전환한다는 것이 기본 구상입니다. 그러므로 베르기우스 박사 역시 고압법이 적용되어야 한다는 것을 깨닫고 고압반응기술을 상당한 정도까지 독립적으로 개발하였습니다.

그러나 만족할 만한 결과를 얻기 위해서는 중요한 또 다른 조건이 있었습니다. 석탄의 파괴적인 단순증류에는 열이 발생합니다. 더욱이 이미 언급했듯이 오일의 수율은 고온에서 더 나쁩니다. 반면에 석탄이 수소가스와 고압에서 가열될 때 원치 않는 국소 과열현상이 일어나서 코크스와 가스가 늘어나고 오일은 적게 만들어집니다. 열을 더 고르게 분포시키고 온도를 정확하게 조절하기 위해서 베르기우스 박사는 가루로 만든 석탄을 오일과 섞고 이것을 고압의 수소로 처리하는 구상을 했습니다. 이렇게 하면 발생하는 열이 만족스럽게 분산되고 국소과열을 피할 수 있습니다. 그는 또한 이와 같은 방법을 사용하여 매우 중요한 장점을 알아냈습니다. 처리되어야 할 석탄이 반응용기 속으로 오일과 함께 펌프질되어 연속적인 반응을 하는 것입니다. 이 두 가지 특징은 중요한 발명입니다.

공장에서의 생산을 위해서는 100 내지 200기압의 압력과 정확히 조절된 온도(보통 섭씨 400 내지 500도)가 적용됩니다.

석탄의 조성에 따라서 이러한 방식으로 원재료에 들어 있는 탄소의 50 내지 70퍼센트를 오일 형태로 뽑아낼 수 있으며, 벤진(benzine)이 그중 3분의 1을, 나머지는 카복실산과 다른 페놀들과 함께 디젤오일, 연료오일, 그리고 아스팔트로 구성되어 있습니다.

처음에 베르기우스 박사는 촉매를 사용하지 않았습니다만 I. G. 즉 ''거대 산업체(Industrial Giant)''와 협력 협정을 체결한 이래로 촉매를 사용해 왔습니다. I. G.는 그들의 축적된 경험을 고압기술과 접촉물질 분야에 활용할 수 있었는데, 이러한 I. G.와의 협력은 베르기우스 방법으로 석탄의 액화가 진행되는 중요한 개발을 확실하게 발전시켰습니다. 1926년 색소니에 있는 머스버그 근처에 설립된 거대한 로이나 공장에서 1930년도에 갈탄으로부터 25만 톤 정도의 적지 않은 벤진이 생산되었고 갈탄의 탄소 함량 중에서 80퍼센트 정도가 오일로 전환되었습니다. 독일에서는 오일을 증류한 찌꺼기와 타르 오일을 처리하기 위하여 큰 공장이 세워졌습니다. 미국에 있는 오일 기업연합과 협력하기 위한 절차가 진행되고, 미국에서 고압법은 상당한 정도로 적용되었으며, 특히 비휘발성 탄화수소 또는 원유를 훨씬 더 가치 있는 벤진으로 전환하는 데 적용되었습니다. 고압의 수소처리 반응을 석유산업의 여러 문제에 적용하는 것이 쉽다는 점은 분명히 가장 중요합니다. 스웨덴의 경우에는 고압으로 목재에서 오일을 얻을 수 있다는 사실이 특히 중요합니다.

다시 말해서 인류에게 가장 중요한 두 가지 문제가 화학적 고압법으로 하나는 최근에, 다른 하나는 좀 더 먼저 해결되었습니다. 굉장한 난관과 장애물로 밝혀진 큰 위험이 초기에 극복되었고, 이 방법은 이제 위험하지 않고 안정적으로 작동합니다. 이것이 바로 최근에 언급한 것 이외의 다른 물질들을 제조하는 데도 고압법이 사용되는 이유입니다. 그러나 이러한 면을 더 이상 길게 논할 필요는 없을 것 같습니다. 어떠한 경우에도 화학적 고압법의 도입이 화학기술에서 신기원을 이루는 진보를 대표한다는 것과, 최근에 같은 분야의 다른 어떤 발전도 이에 필적할 수 없기 때문입니다. 따라서 노벨상 수상은 지극히 합당합니다.

보슈 교수님.
왕립과학원은 화학적 고압법을 창안하고 발전시킨 일과 관련된 화학적 기여에 대해 금년의 노벨상을 수여하며, 이 상을 과학원의 관점에서 다른 어느 누구보다도 뛰어나게 인류에 공헌한 두 분께 나누어 주기로 결정했습니다.


교수님은 이 강력한 도구로 원소로부터 암모니아를 생산하는 화학 산업을 풍성하게 한 첫 번째 인물입니다. 이 합성의 과학적 근거를 제시하는 것과 그의 산업적 이용 사이에는 거대한 틈이 있는데, 특히 고압장비의 눈부신 발명과 건설로써 그 틈에 다리를 놓았습니다. 이렇게 하여 교수님은 지금보다 낮은 가격으로 농사에 필요한 형태로 질소를 무한정 생산하여 인류가 이용할 수 있게 했습니다. 게다가 교수님은 중요한 다른 물질들을 생산하기 위한 고압법을 개발했습니다. 이 점에 대해 과학원은 교수님에게 감사하고 축하드리며, 이제 국왕전하로부터 영광의 상을 받으시기 바랍니다.

베르기우스 박사님.
박사님은 인류의 질소 문제의 해결에 견줄 만한 중요한 난제를 해결했습니다. 박사님은 수소를 고압으로 주입함으로써 석탄과 갈탄, 그리고 다른 탄소 함유 물질들이 배와 자동차를 작동시켜 현대 생활에 필수불가결한 액체연료로 어떻게 전환되는지를 보여 준 것입니다. 그리하여 박사님은 조만간 틀림없이 일어날 사건인 석유의 고갈이라는 위험을 제거했습니다. 박사님은 아주 독립적으로 고압법을 개발했으며, 박사님의 연구 업적에 기초해서 이미 막강한 산업이 형성되었습니다.

영광스럽게도 박사님의 공헌에 대해 과학원의 감사를 전하며, 박사님의 영광스러운 수상을 축하드립니다.

스웨덴 왕립과학원 노벨 화학위원회 위원 W. 팔메

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자료출처
mpg.de/en),google, wikipedia, naver, Nobelprize.org

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