세상에서 가장 쉬운 과학 수업: 농화학

★ 전국 과학교사모임 추천

토양·비료·농약 등 농업 분야의 화학 현상을 연구하는 농화학,
공기 중의 질소를 암모니아로 바꾸어 인공비료 혁명을 일으킨 하버의 논문 속으로!

농화학은 토양·비료·농약 등 농업 분야의 화학적인 현상에 관하여 연구하는 학문이다. 우리는 날마다 식사를 하고 있는데, 우리가 먹는 농산물은 단순한 자연의 산물이 아니라, 수천 년에 걸친 인간의 지식과 기술, 그리고 끊임없는 탐구의 결과물이다. 최근 이 분야는 스마트 농업과 친환경 미래농업 연구로 발전하고 있다.
이러한 농화학 분야에서 가장 큰 업적을 남긴 과학자는 바로 프리츠 하버다. 인류는 가축 분료 등을 활용한 자연 비료를 이용해 작물을 재배했는데, 18세기가 되자 한계에 부딪히기 시작했다. 산업화로 인해 도시로 인구가 집중되면서 식량 수요는 이전과 비교할 수 없을 정도로 빠르게 증가했고, 기존의 농사 방식으로는 감당하기 어려워졌다. 토양이 반복적인 경작으로 점차 영양분을 잃었기 때문이었다. 이 문제를 해결한 사람이 바로 하버다.
19세기에 리비히는 식물 성장에 필수적인 요소가 질소, 인, 칼륨이라는 사실을 밝혀냈는데, 특히 질소가 단백질 합성에 필수적인 원소로, 식물 성장의 핵심임을 알아냈다. 그러나 토양에서 가장 부족한 성분 역시 질소였다. 질소는 대기의 약 78%를 차지하는 사실상 무한한 자원이었지만, 식물이 직접 사용할 수 없는 형태로 존재했다. 이 문제는 하버가 공기 중의 질소를 암모니아로 바꾸는 방법을 개발하면서 해결되었다. 하버가 발견한 암모니아 합성법을 보슈가 산업적으로 대량생산하는 데 성공하면서, 이른바 하버-보슈 공정이 등장했다. 이 기술 덕분에 인류는 자연 비료에 의존하지 않고, 공기에서 질소를 끌어와 비료를 만들어낼 수 있게 되었다. 20세기 중반 이후 화학 비료 생산은 급격히 증가하여, 오늘날에는 매년 수억 톤의 비료가 전 세계 농지에 공급되고 있다. 이로 인해 수십억 명의 인류가 안정적으로 식량을 공급받을 수 있게 되었으며, 하버의 업적은 종종 '공기로 빵을 만들어낸 혁명'이라고 불린다. 이러한 업적을 인정받아 하버는 1918년 노벨화학상을 수상했다.


의식주 가운데 가장 중요한 식량 문제를 해결한 농화학,
아레니우스, 르 샤틀리에, 오무라 등 농화학을 발전시킨 과학자들

하버-보슈 공정이 인류를 기아의 위기에서 구해내기 전부터 공기 중의 질소를 이용하려는 과학자가 있었다. 그중 한 사람이 1903년 노벨화학상을 수상한 아레니우스다. 그는 질소를 암모니아나 질산과 같은 화합물로 바꾸기 위해서는 높은 온도와 에너지가 필요하다는 사실을 알아냈다. 이 발견은 훗날 하버의 연구에 큰 영감을 주었다.
하버의 연구에 영감을 준 또 다른 과학자가 있다. 바로 르 샤틀리에다. 그는 1884년부터 1914년 사이에 화학평형과 용해도, 고온 반응 등에 관한 수십 편의 논문을 발표했는데, 암모니아 합성 실험도 했다. 그는 1901년, 철이 있는 상태에서 질소와 수소를 높은 압력과 온도에서 반응시켜 암모니아를 만들려 했다. 하지만 실험 장치 안에 남아 있던 공기 때문에 큰 폭발이 일어났고, 실험은 실패로 끝났다. 그러나 훗날 하버-보슈 공정이 개발되면서 그의 실패는 헛되지 않았음이 밝혀졌다.
그런데 인공비료를 얻게 되면서 농작물 생산량이 급격히 증가하자, 농업은 새로운 도전에 직면하게 되었다. 풍부해진 작물은 인간뿐만 아니라 해충에게도 매력적인 먹이가 되었고, 해충 피해가 심각해졌다. 이로 인해 농업에서는 생산을 늘리는 것만큼이나 작물을 보호하는 기술이 중요해졌다. 이러한 상황에서 등장한 것이 화학 농약, DDT였다. 스위스의 화학자 폴 헤르만은 DDT가 강력한 살충제로 작용한다는 사실을 밝혀내 1948년 노벨생리의학상을 수상했다.
한편, 일본의 과학자 오무라는 우리가 무심코 밟고 다니는 흙 속에, 인간의 생명을 구하고 농업을 변화시킬 수 있는 물질이 숨어 있다는 사실을 발견했다. 1970년대에 오무라는 일본 전역의 토양을 수집하며, 그 안에 살아가는 미생물들을 하나하나 분리해 연구했다. 그는 특히 스트렙토미세스라는 세균에 주목했는데, 이 미생물은 토양 속에서 살아남기 위해 다른 생물을 억제하는 화학 물질을 만든다. 이 특별한 화학 물질에 대한 연구는 캠벨에게 이어졌다. 캠벨은 이 물질이 기생충의 신경계를 마비시켜 제거하는 강력한 효과를 지닌다는 사실을 밝혀냈다. 이것이 바로 아버멕틴이며, 이후 이를 개량한 약물이 이버멕틴이 생산되었다. 이 발견은 의학뿐 아니라 농업에도 크게 기여했다. 아버멕틴 계열 물질은 곤충과 진드기의 신경계를 선택적으로 마비시키는 특성을 지니고 있어, 농업에서도 매우 중요한 역할을 하게 되었다. 특히 아바멕틴과 같은 물질은 작물에 피해를 주는 해충을 효과적으로 억제하는 살충제로 널리 사용되며, 적은 양으로도 큰 효과를 낼 수 있는 정밀한 방제 수단으로 자리 잡았다. 이러한 공로를 인정받아 오무라와 캠벨은 2015년 노벨생리의학상을 공동 수상했다.
이처럼 농화학은 화학을 이용해 식량 생산성을 높이고 있는데, 최근에는 IT 기술과 융합한 스마트 농업과 친환경 미래농업으로 이어지고 있다. 스마트 농업으로 작물의 상태와 토양의 조건을 세밀하게 분석하게 되었고, 필요한 곳에만 필요한 만큼 자원을 투입할 수 있다. 드론을 통해 넓은 농지를 빠르게 비행하며 작물의 상태를 촬영하고, 다양한 센서를 통해 보이지 않는 정보까지 수집할 수 있게 되었다. 또, 하버-보슈 공정은 농화학의 역사상 가장 중요한 업적이지만 이 방식에는 큰 문제가 있다. 수소를 얻기 위해 주로 천연가스를 사용하면서 기후변화의 원인인 이산화탄소가 대량으로 배출되기 때문이다. 이 문제를 해결하기 위해 '친환경 암모니아(그린 암모니아)' 생산 기술이 등장했다. 이 기술 덕분에 화석연료 대신 재생에너지를 이용해 수소를 만들고, 이를 통해 암모니아를 생산할 수 있다. 이처럼 농화학은 인류의 미래를 밝히는 데 기여하고 있다.
전공서보다는 가볍게, 교양서보다는 묵직하게
겉핥기가 아닌 깊이 있는 과학책을 찾는다면!

이공계로 진학할 예정인가? 물리학 또는 화학에 관심이 많다고? 과학사 외에도 이론을 심도 있게 설명하는 책을 찾고 있나? 여기 〈노벨상 수상자들의 오리지널 논문으로 배우는 과학〉 시리즈가 있다.
말 그대로 노벨상 수상자들이 쓴 오리지널 논문을 통해 과학 이론을 배우는 책이다. 교과서나 다른 매체로 가볍게 접한 유명 이론을 과학자가 논문에서 어떻게 풀어냈는지 큰 줄기를 중심으로 차근차근 설명해 간다. 정교수와 물리군 또는 화학군의 일대일 대화를 통해서 말이다. 그 배경을 이루는 과학사는 덤이다. 이론을 완성하는 밑바탕이 된 다른 이론들도 함께 설명한다.
줄글만으로 설명하지는 않았다. 과학의 언어는 수학이라고 한다. 즉, 수학을 빼고는 과학 이론의 핵심을 제대로 파악하기 어렵다. 너무 걱정하지는 말자. 고등학교 수준의 수학 지식만 있으면 이해하도록 친절하게 설명했으니까. 그리고 수식은 건너뛰면서 보아도 이론을 받아들이기는 어렵지 않다. 어렴풋이 이해하는 것만으로도 왠지 내 거가 된 느낌이다. 다 읽고 난 다음 차근차근 돌아보아도 좋다. 책은 어디로 사라지지 않으니까!
논문의 느낌을 직접 체험할 수 있도록 책의 뒤편에 부록으로 실었다. 과학자들의 논문은 영어뿐 아니라 독일어, 프랑스어 등 여타 언어로 쓰였기 때문에 우리가 그나마 쉽게 읽을 수 있는 영문본을 수록했다.
이 시리즈는 당초 20권으로 기획했지만 5권을 추가하게 되었다. 물리학, 화학, 생물학뿐 아니라 농화학과 경제학 등으로 영역을 넓혀 노벨상 수상자들의 대표 이론들을 추가로 다루기로 했다. 여기서 저자의 진가가 발휘된다. 국제 학술지에 300여 편의 논문을 게재한 연구자로, 수백 권의 교양서를 쓴 저자로, 대학에서 물리학을 가르치는 교수로, 활발히 활동하는 저자의 전문 지식을 바탕으로 신선한 기획이 또 다른 새로움을 낳았다.
이론을 제대로 알고 싶은데 전공 서적을 보자니 너무 어려울 것 같고, 일반 교양서를 읽자니 수준이 너무 얕게 느껴진다면 이 시리즈를 펼쳐 보는 건 어떨까? 과학의 세계로 한 걸음 더 깊이 들어가 보자!

천재 과학자들의 오리지널 논문을 이해하게 되길 바라며
공기 중의 질소를 암모니아로 바꾸어 비료 생산 혁명을 일으키다 _ 노먼 볼로그 박사 깜짝 인터뷰

첫 번째 만남 | 고대와 중세의 농업
농업의 시작 _ 농업 시작 전의 초기 재배
최초의 작물 재배 _ 레반트 지역에서 시작된 작물 재배
세계 곳곳에서 시작된 농업 혁명 _ 양쯔강 유역의 벼농사와 메소아메리카의 옥수수농사
가축 사육의 시작 _ 돼지와 소의 가축화
고대 문명의 농업 _ 국가를 만들다
관개농업의 발달과 쟁기 사용 _ 안정적인 식량 생산으로 인구 증가를 이끌다
철제 농기구 등장 _ 식량 생산 증가와 사회 구조 변화
고대 그리스의 농업 _ 프톨레마이오스 왕조의 곡물 공급망
고대 로마의 대규모 농장, 라티푼디움 _ 생계에서 사업으로 바뀐 농업
신세계의 농업 _ 구세계와 독립적으로 발전하다
콜럼버스 교환 _ 세계를 뒤흔든 농업 혁명
삼포제 농업 _ 농업과 축산의 유기적 결합
종자 파종기의 발명 _ 제스로 툴의 종자 파종기
인클로저 운동 _ 영국 농업 생산성을 높이게 한 변화
산업혁명 시대의 농업 _ 기계 농업의 시작

두 번째 만남 | 비료의 역사
자연 비료의 사용 _ 동물 배설물, 낙엽, 음식 찌꺼기
나일강이 만든 자연 비료 _ 자연의 비료 공장
로마인의 '똥 비료' _ 가축 분료의 퇴비화
중국의 '황금 비료' _ 인분의 퇴비화
해초 비료 _ 바다의 선물
화전 농업 _ 잿더미의 기적
중세의 퇴비 농업 _ 자연의 화학 반응을 적극적으로 이용
낙엽 _ 숲의 비료 공장
구아노와 칠레초석 _ 광물 자원을 비료로 이용
뼛가루 비료 _ 전장에 남겨진 뼈까지 수거하는 상인들
노퍽 농법 _ 콩과 식물은 살아 있는 비료 공장
비료 혁명의 문 앞에서 _ 인공비료의 서막
농업을 바꾼 화학자, 리비히 _ 탄소와 수소의 정량 분석법, 최소양분율
비료가 맛도 바꾼다 _ 맛과 영양까지 고려한 비료 관리
식물도 '영양실조'에 걸린다 _ 황화 현상

세 번째 만남 | 화학평형과 촉매의 화학
화학평형 이론의 출발 _ 베르톨레의 동적 평형
질량작용의 법칙 _ 화학 반응의 속도는 반응물의 농도의 곱에 비례한다
르 샤틀리에 원리 _ 화학 반응은 외부 조건에 따라 달라진다
촉매 발견의 역사 _ 빵, 술, 식초의 발효와 금속 제련
촉매의 탄생과 산업화 _ 보이지 않는 힘이 세상을 바꾸다
에두아르트 부흐너 _ 생명력을 화학으로 풀어낸 과학자
오스트발트의 질산공정 _ 암모니아를 산화해 질산을 만드는 '오스트발트 공정'
번개와 질소 고정 _ 자연이 만든 거대한 실험실
프랑크-카로 공정 _ 공기 중의 질소를 활용해 인공비료를 만들다
비르켈란트-에위데 공정 _ 인공 번개를 활용한 질소 고정 기술
질소 고정의 초기 연구 _ 아레니우스의 전해질 해리 이론
생물학적 질소 고정 _ 자연이 만든 놀라운 공장
효소의 진화 _ 아널드의 지향적 진화
고압 화학의 시작 _ 앙리 무아상의 전지 아크로
촉매 이론의 발전 _ 촉매의 표면에서 시작되는 반응
환경 촉매 _ 유해가스를 줄이는 촉매 장치
나노 촉매 _ 원자와 분자 수준에서 촉매를 설계
미래 촉매 _ 에너지와 생명을 바꾸는 기술

네 번째 만남 | 암모니아 합성
하버의 질소 비료 _ 공기 중의 질소를 이용하다
질소비료의 필요성 _ 공기 중의 질소를 암모니아로 바꾸는 하버-보슈 공정
암모니아 인공 합성 _ 공기 중의 질소와 수소를 암모니아로 만들다
질소 비료 산업을 개척한 카를 보슈 _ 대량생산의 길을 열다
암모니아 합성법 이후 _ 비료산업뿐 아니라 폭약산업까지 발전하다
화학 전쟁과 하버 _ 인류를 살리고 죽이는 과학 기술
하버의 결혼 생활 _ 영화보다 더 영화 같은 비극

다섯 번째 만남 | 농화학의 노벨상 수상자들
농약 혁명 _ 화학 농약, DDT의 발견
흙 속에서 시작된 혁명 _ 아버멕틴의 발견
'AIV 사일리지 방법' _ '생산 중심'에서 '관리와 지속성'으로
농업의 산업화와 녹색혁명 _ 인류의 기아 문제를 해결한 볼로그
수경재배 _ 흙 없이 식물을 키우는 과학
스마트 농업과 정밀 비료 시대 _ 작물의 상태와 토양에 적합한 정밀 농업
나노 비료 _ 생산 효율성을 혁신하다
AI 맞춤 비료 _ 작물에 필요한 영양분을 정확히 제공한다
미래 비료 _ 미생물을 이용한 친환경 비료
식물이 직접 질소를 만드는 시대 _ 유전자 기반 질소 고정 기술
친환경 암모니아 생산 _ 농업과 에너지, 기후변화를 모두 해결
수직 농장 _ 경작지 감소 문제 해결
배양육 생산 _ 동물을 키우지 않고 고기를 만든다

만남에 덧붙여
Studies Concerning Affinity _ 와게와 굴드버그 논문 영문본
The synthesis of ammonia from its elements _ 하버 논문 영문본
Avermectins, New Family of Potent Anthelmintic Agents: Producing Organism and Fermentation _ 오무라 논문 영문본
Avermectins, New Family of Potent Anthelmintic Agents: Efficacy of the Bla Component _ 캠벨 논문 영문본
위대한 논문과의 만남을 마무리하며
이 책을 위해 참고한 논문들

정완상 과학에 대한 호기심으로 서울대학교 무기재료공학과에 다녔고, 물리를 향한 마음이 더욱 커져 한국과학기술원(KAIST)에서 이론물리학을 전공하며 석박사 학위를 받았다. 30세에 경상국립대학교 물리학과 교수가 되어 학생들에게 물리 사랑을 전파하고 있다. 초심을 잃지 않기 위해 꾸준히 연구하며 현재까지 국제 학술지(SCI 저널)에 300여 편의 논문을 게재했다. 직접 만나는 학생뿐만 아니라 더 많은 학생들에게 과학과 수학의 즐거움을 알려주고자 책을 통해 독자를 만나고 있다. [과학자가 들려주는 과학 이야기 시리즈] 중 《아인슈타인이 들려주는 상대성 이론 이야기》를 비롯한 31권과 [과학공화국 법정 시리즈] 50권을 집필했다. 최근에는 중학교에서도 통하는 초등수학을 카툰으로 그린 [개념 잡는 수학툰 시리즈]를 출간했고, 노벨상 오리지널 논문을 쉽게 풀어낸 [노벨상 수상자들의 오리지널 논문으로 배우는 과학 시리즈]를 집필 중이다. 우리나라에서 노벨 과학상 수상자가 쏟아져 나오기를 바라는 마음에서 수학과 과학의 다양한 이론부터 직접 집필한 책과 소설까지, 폭넓은 콘텐츠를 함께 나누는 네이버 카페 정완상 교수의 [수학·과학 창작 콘텐츠]를 운영하고 있다.