세상에서 가장 쉬운 과학 수업 : 농화학
정완상
저자:정완상
과학에대한호기심으로서울대학교무기재료공학과에다녔고,물리를향한마음이더욱커져한국과학기술원(KAIST)에서이론물리학을전공하며석박사학위를받았다.30세에경상국립대학교물리학과교수가되어학생들에게물리사랑을전파하고있다.초심을잃지않기위해꾸준히연구하며현재까지국제학술지(SCI저널)에300여편의논문을게재했다.직접만나는학생뿐만아니라더많은학생들에게과학과수학의즐거움을알려주고자책을통해독자를만나고있다.[과학자가들려주는과학이야기시리즈]중《아인슈타인이들려주는상대성이론이야기》를비롯한31권과[과학공화국법정시리즈]50권을집필했다.최근에는중학교에서도통하는초등수학을카툰으로그린[개념잡는수학툰시리즈]를출간했고,노벨상오리지널논문을쉽게풀어낸[노벨상수상자들의오리지널논문으로배우는과학시리즈]를집필중이다.우리나라에서노벨과학상수상자가쏟아져나오기를바라는마음에서수학과과학의다양한이론부터직접집필한책과소설까지,폭넓은콘텐츠를함께나누는네이버카페정완상교수의[수학·과학창작콘텐츠]를운영하고있다.
천재과학자들의오리지널논문을이해하게되길바라며
공기중의질소를암모니아로바꾸어비료생산혁명을일으키다_노먼볼로그박사깜짝인터뷰
첫번째만남|고대와중세의농업
농업의시작_농업시작전의초기재배
최초의작물재배_레반트지역에서시작된작물재배
세계곳곳에서시작된농업혁명_양쯔강유역의벼농사와메소아메리카의옥수수농사
가축사육의시작_돼지와소의가축화
고대문명의농업_국가를만들다
관개농업의발달과쟁기사용_안정적인식량생산으로인구증가를이끌다
철제농기구등장_식량생산증가와사회구조변화
고대그리스의농업_프톨레마이오스왕조의곡물공급망
고대로마의대규모농장,라티푼디움_생계에서사업으로바뀐농업
신세계의농업_구세계와독립적으로발전하다
콜럼버스교환_세계를뒤흔든농업혁명
삼포제농업_농업과축산의유기적결합
종자파종기의발명_제스로툴의종자파종기
인클로저운동_영국농업생산성을높이게한변화
산업혁명시대의농업_기계농업의시작
두번째만남|비료의역사
자연비료의사용_동물배설물,낙엽,음식찌꺼기
나일강이만든자연비료_자연의비료공장
로마인의‘똥비료’_가축분료의퇴비화
중국의‘황금비료’_인분의퇴비화
해초비료_바다의선물
화전농업_잿더미의기적
중세의퇴비농업_자연의화학반응을적극적으로이용
낙엽_숲의비료공장
구아노와칠레초석_광물자원을비료로이용
뼛가루비료_전장에남겨진뼈까지수거하는상인들
노퍽농법_콩과식물은살아있는비료공장
비료혁명의문앞에서_인공비료의서막
농업을바꾼화학자,리비히_탄소와수소의정량분석법,최소양분율
비료가맛도바꾼다_맛과영양까지고려한비료관리
식물도‘영양실조’에걸린다_황화현상
세번째만남|화학평형과촉매의화학
화학평형이론의출발_베르톨레의동적평형
질량작용의법칙_화학반응의속도는반응물의농도의곱에비례한다
르샤틀리에원리_화학반응은외부조건에따라달라진다
촉매발견의역사_빵,술,식초의발효와금속제련
촉매의탄생과산업화_보이지않는힘이세상을바꾸다
에두아르트부흐너_생명력을화학으로풀어낸과학자
오스트발트의질산공정_암모니아를산화해질산을만드는‘오스트발트공정’
번개와질소고정_자연이만든거대한실험실
프랑크-카로공정_공기중의질소를활용해인공비료를만들다
비르켈란트-에위데공정_인공번개를활용한질소고정기술
질소고정의초기연구_아레니우스의전해질해리이론
생물학적질소고정_자연이만든놀라운공장
효소의진화_아널드의지향적진화
고압화학의시작_앙리무아상의전지아크로
촉매이론의발전_촉매의표면에서시작되는반응
환경촉매_유해가스를줄이는촉매장치
나노촉매_원자와분자수준에서촉매를설계
미래촉매_에너지와생명을바꾸는기술
네번째만남|암모니아합성
하버의질소비료_공기중의질소를이용하다
질소비료의필요성_공기중의질소를암모니아로바꾸는하버-보슈공정
암모니아인공합성_공기중의질소와수소를암모니아로만들다
질소비료산업을개척한카를보슈_대량생산의길을열다
암모니아합성법이후_비료산업뿐아니라폭약산업까지발전하다
화학전쟁과하버_인류를살리고죽이는과학기술
하버의결혼생활_영화보다더영화같은비극
다섯번째만남|농화학의노벨상수상자들
농약혁명_화학농약,DDT의발견
흙속에서시작된혁명_아버멕틴의발견
‘AIV사일리지방법’_‘생산중심’에서‘관리와지속성’으로
농업의산업화와녹색혁명_인류의기아문제를해결한볼로그
수경재배_흙없이식물을키우는과학
스마트농업과정밀비료시대_작물의상태와토양에적합한정밀농업
나노비료_생산효율성을혁신하다
AI맞춤비료_작물에필요한영양분을정확히제공한다
미래비료_미생물을이용한친환경비료
식물이직접질소를만드는시대_유전자기반질소고정기술
친환경암모니아생산_농업과에너지,기후변화를모두해결
수직농장_경작지감소문제해결
배양육생산_동물을키우지않고고기를만든다
만남에덧붙여
StudiesConcerningAffinity_와게와굴드버그논문영문본
Thesynthesisofammoniafromitselements_하버논문영문본
Avermectins,NewFamilyofPotentAnthelminticAgents:ProducingOrganismandFermentation_오무라논문영문본
Avermectins,NewFamilyofPotentAnthelminticAgents:EfficacyoftheBlaComponent_캠벨논문영문본
위대한논문과의만남을마무리하며
이책을위해참고한논문들
★전국과학교사모임추천
토양·비료·농약등농업분야의화학현상을연구하는농화학,
공기중의질소를암모니아로바꾸어인공비료혁명을일으킨하버의논문속으로!
농화학은토양·비료·농약등농업분야의화학적인현상에관하여연구하는학문이다.우리는날마다식사를하고있는데,우리가먹는농산물은단순한자연의산물이아니라,수천년에걸친인간의지식과기술,그리고끊임없는탐구의결과물이다.최근이분야는스마트농업과친환경미래농업연구로발전하고있다.
이러한농화학분야에서가장큰업적을남긴과학자는바로프리츠하버다.인류는가축분료등을활용한자연비료를이용해작물을재배했는데,18세기가되자한계에부딪히기시작했다.산업화로인해도시로인구가집중되면서식량수요는이전과비교할수없을정도로빠르게증가했고,기존의농사방식으로는감당하기어려워졌다.토양이반복적인경작으로점차영양분을잃었기때문이었다.이문제를해결한사람이바로하버다.
19세기에리비히는식물성장에필수적인요소가질소,인,칼륨이라는사실을밝혀냈는데,특히질소가단백질합성에필수적인원소로,식물성장의핵심임을알아냈다.그러나토양에서가장부족한성분역시질소였다.질소는대기의약78%를차지하는사실상무한한자원이었지만,식물이직접사용할수없는형태로존재했다.이문제는하버가공기중의질소를암모니아로바꾸는방법을개발하면서해결되었다.하버가발견한암모니아합성법을보슈가산업적으로대량생산하는데성공하면서,이른바하버-보슈공정이등장했다.이기술덕분에인류는자연비료에의존하지않고,공기에서질소를끌어와비료를만들어낼수있게되었다.20세기중반이후화학비료생산은급격히증가하여,오늘날에는매년수억톤의비료가전세계농지에공급되고있다.이로인해수십억명의인류가안정적으로식량을공급받을수있게되었으며,하버의업적은종종‘공기로빵을만들어낸혁명’이라고불린다.이러한업적을인정받아하버는1918년노벨화학상을수상했다.
의식주가운데가장중요한식량문제를해결한농화학,
아레니우스,르샤틀리에,오무라등농화학을발전시킨과학자들
하버-보슈공정이인류를기아의위기에서구해내기전부터공기중의질소를이용하려는과학자가있었다.그중한사람이1903년노벨화학상을수상한아레니우스다.그는질소를암모니아나질산과같은화합물로바꾸기위해서는높은온도와에너지가필요하다는사실을알아냈다.이발견은훗날하버의연구에큰영감을주었다.
하버의연구에영감을준또다른과학자가있다.바로르샤틀리에다.그는1884년부터1914년사이에화학평형과용해도,고온반응등에관한수십편의논문을발표했는데,암모니아합성실험도했다.그는1901년,철이있는상태에서질소와수소를높은압력과온도에서반응시켜암모니아를만들려했다.하지만실험장치안에남아있던공기때문에큰폭발이일어났고,실험은실패로끝났다.그러나훗날하버-보슈공정이개발되면서그의실패는헛되지않았음이밝혀졌다.
그런데인공비료를얻게되면서농작물생산량이급격히증가하자,농업은새로운도전에직면하게되었다.풍부해진작물은인간뿐만아니라해충에게도매력적인먹이가되었고,해충피해가심각해졌다.이로인해농업에서는생산을늘리는것만큼이나작물을보호하는기술이중요해졌다.이러한상황에서등장한것이화학농약,DDT였다.스위스의화학자폴헤르만은DDT가강력한살충제로작용한다는사실을밝혀내1948년노벨생리의학상을수상했다.
한편,일본의과학자오무라는우리가무심코밟고다니는흙속에,인간의생명을구하고농업을변화시킬수있는물질이숨어있다는사실을발견했다.1970년대에오무라는일본전역의토양을수집하며,그안에살아가는미생물들을하나하나분리해연구했다.그는특히스트렙토미세스라는세균에주목했는데,이미생물은토양속에서살아남기위해다른생물을억제하는화학물질을만든다.이특별한화학물질에대한연구는캠벨에게이어졌다.캠벨은이물질이기생충의신경계를마비시켜제거하는강력한효과를지닌다는사실을밝혀냈다.이것이바로아버멕틴이며,이후이를개량한약물이이버멕틴이생산되었다.이발견은의학뿐아니라농업에도크게기여했다.아버멕틴계열물질은곤충과진드기의신경계를선택적으로마비시키는특성을지니고있어,농업에서도매우중요한역할을하게되었다.특히아바멕틴과같은물질은작물에피해를주는해충을효과적으로억제하는살충제로널리사용되며,적은양으로도큰효과를낼수있는정밀한방제수단으로자리잡았다.이러한공로를인정받아오무라와캠벨은2015년노벨생리의학상을공동수상했다.
이처럼농화학은화학을이용해식량생산성을높이고있는데,최근에는IT기술과융합한스마트농업과친환경미래농업으로이어지고있다.스마트농업으로작물의상태와토양의조건을세밀하게분석하게되었고,필요한곳에만필요한만큼자원을투입할수있다.드론을통해넓은농지를빠르게비행하며작물의상태를촬영하고,다양한센서를통해보이지않는정보까지수집할수있게되었다.또,하버-보슈공정은농화학의역사상가장중요한업적이지만이방식에는큰문제가있다.수소를얻기위해주로천연가스를사용하면서기후변화의원인인이산화탄소가대량으로배출되기때문이다.이문제를해결하기위해‘친환경암모니아(그린암모니아)’생산기술이등장했다.이기술덕분에화석연료대신재생에너지를이용해수소를만들고,이를통해암모니아를생산할수있다.이처럼농화학은인류의미래를밝히는데기여하고있다.
전공서보다는가볍게,교양서보다는묵직하게
겉핥기가아닌깊이있는과학책을찾는다면!
이공계로진학할예정인가?물리학또는화학에관심이많다고?과학사외에도이론을심도있게설명하는책을찾고있나?여기〈노벨상수상자들의오리지널논문으로배우는과학〉시리즈가있다.
말그대로노벨상수상자들이쓴오리지널논문을통해과학이론을배우는책이다.교과서나다른매체로가볍게접한유명이론을과학자가논문에서어떻게풀어냈는지큰줄기를중심으로차근차근설명해간다.정교수와물리군또는화학군의일대일대화를통해서말이다.그배경을이루는과학사는덤이다.이론을완성하는밑바탕이된다른이론들도함께설명한다.
줄글만으로설명하지는않았다.과학의언어는수학이라고한다.즉,수학을빼고는과학이론의핵심을제대로파악하기어렵다.너무걱정하지는말자.고등학교수준의수학지식만있으면이해하도록친절하게설명했으니까.그리고수식은건너뛰면서보아도이론을받아들이기는어렵지않다.어렴풋이이해하는것만으로도왠지내거가된느낌이다.다읽고난다음차근차근돌아보아도좋다.책은어디로사라지지않으니까!
논문의느낌을직접체험할수있도록책의뒤편에부록으로실었다.과학자들의논문은영어뿐아니라독일어,프랑스어등여타언어로쓰였기때문에우리가그나마쉽게읽을수있는영문본을수록했다.
이시리즈는당초20권으로기획했지만5권을추가하게되었다.물리학,화학,생물학뿐아니라농화학과경제학등으로영역을넓혀노벨상수상자들의대표이론들을추가로다루기로했다.여기서저자의진가가발휘된다.국제학술지에300여편의논문을게재한연구자로,수백권의교양서를쓴저자로,대학에서물리학을가르치는교수로,활발히활동하는저자의전문지식을바탕으로신선한기획이또다른새로움을낳았다.
이론을제대로알고싶은데전공서적을보자니너무어려울것같고,일반교양서를읽자니수준이너무얕게느껴진다면이시리즈를펼쳐보는건어떨까?과학의세계로한걸음더깊이들어가보자!