[로이스톤 M. 로버츠 ] 우연과 행운의 과학적 발견이야기 28. 가솔린('꽃' 이론과 안티녹제)

[콩 쥐]

제 28 장. 가솔린('꽃' 이론과 안티녹제)


이 장에서는 가솔린 공업기술에 있어서의 두 가지 우연한  발견에 관해서 설명하려고 한다. 
그 중 하나는 자동차의 초기 무렵에 있었던 것이며, 또 하나는 최근의 발전에 관한 것이다.
  
에틸용액의 발견. 녹킹(Knocking)을  방지하는 가솔린 첨가제의  탐구는 찰스  F. 케터링이 
1912∼1916년형 캐딜락 엔진이 녹킹에 의해 시달리는 것을 해결하려는 데서 비롯되었다. 최
초의 성공은 잘못된 찯상에 우연히  겹쳐져서 탄생하였다. 케터링과 델코  사(그 후 제너럴 
모터스 사에 흡수되었다)의 연구원 토마스 미즐리는 녹킹이 가솔린의 불완전연소 때문에 생
기는 후속 폭발이라고 생각했다. 그는  붉은색 잎을 가진 철쭉과의  상록관목이  땅에 눈이 
녹지 않은 초봄일지라도 다른 꽃보다 일찍  꽃이 피는 것에서 착안하여 가솔린을  진홍으로 
착색한다면 복사 에너지를 좀다 빨리 흡수하여 기화가 빨라지고 녹킹을 방지할 수 있지 않
을까 하고 생각하게 되었다. 그래서 1916년 12월의 어느날  미즐리는 붉은색 염료를 구하기 
위해 화학실험실에 갔다. 그러나 요오드가 들어있는 병 외에는 아무 것도 찾아내지 못한 그
는 이 요오드가 가솔린을 붉게 할 수 있으므로 우선 이것으로 시험해 보기로 했다. 
 요오드로 녹킹을 해소할 수 있었기  때문에 그는 크게 기뻐했다.  그러나 계속해서 연구한 
결과 연료의 색은 녹킹 해소하고는 아무런 관계도 없었다. 다만, 첨가물로 녹킹을 방지할 수 
있다는 것을 알게되었다. 요오드는 너무 비싸고 부식성 떄문에  사용할 수 없으므로 탐구는 
계속 되었다. 시행착오를 여러 번 되풀이한 후 1921년에 철쭉과의 똧에서 착안한 것 보다는 
조금은 과학적인 구상으로 테트라  에틸납(4에틸연)을 발견했다. 이 구상의  일부는 '에디슨 
식', 다시말해 약품 선반  위에 놓여져 있는  병의 내용물을 전부  시행착오를 거쳐 시험해  
 
보는 방법으로 얻은 실험 결과와 또 일부는 좀더 과학적으로 원소의 주기성에 관한 멘델레
예프(Mendeleef)의 이론을  근거로 한  것이다. 녹킹을  방지하는 가솔린에   녹인 것이 에
틸(ethyl)액의 주성분이다. 에틸액이 훌륭한 안티녹(antiknock)제라는   것을 알게 되었으며, 
60년 이상 동안이나 주요한 가솔린 첨가물로 사용되고 있다. 그러나 최근에는 환경 중에 납
이 배출되는 위험성 때문에 관심이 높아지고 있다.
  
메탄으로 가솔린을 만들다. 1986년, 뉴질랜드의 북쪽 섬에 있는 한 공장이 천연가스를  이용
해 가솔린 제조를 시작했다. 이것이  순조롭게 가동되어 뉴질랜드의 액체  연료의 자급률은 
현재 50%에 이른다.
 이 제조과정의 1단계는 화학적으로 말하자면 천연가스의  주성분이 메탄(CH4)에서 메탄올
(CH3OH, 메틸알콜)로의 변환이다. 그리고 2단계는 메탄올에서 분자의 탄소수가 6에서 12까
지의 범위를 가진, 자동차의 엔진에 적합한 휘발성 탄회수소의 혼합물인 가솔린으로 변환한 
것이다. 이 두 번째 단계가 메탄 분자에 산소를 1원자만 더할  뿐인 처음 단계보다 다음 단
계쪽이 복잡해 보이지만 놀랍게도 그렇지가 않았다. 실제로 이 과정의 장기적이인 관점에서
의 성공 방법은 제1단계의 원가를 어떻게 삭감하느냐 하는 개량에 달려 있다고도 할 수  있
다. 이와 같은 개량은 세균에 의해 이용되고 있다고 알려진 효소의 변화과 필적할 만한,  효
율이 좋은 공업용 촉매를 발견함으로써 달성될 것이다.
 제2단계의  성공은  모빌  오일  사  화학자의  세렌디피적  발견의  직접적인   결과이
다. 
'Chemical and Engineering News'지의 1987년  6월 22일자에는 뉴질랜드의 새로운 메탄으
로부터 가솔린을 생산하는 제조 공장을  커버스토리로 소개하였다. 또한 1987년  9월 2일자
의 투서란에 은퇴한 화학자 윌리엄 H.  랭이 이 발견을 다음과  같이 회상하고  있다. 그에 
따르면, 1972년 3월 10일, 그와 클라렌스 창은 ZMS-5라는  부호의 결정성 실리카-알루미나 
촉매를 사용해서 이소부탄(C4H10)과 메탄올에서 네오펜탄(neopentane)을 만들려고 하고 있
었다.
 모든 메탄올과 일부의 이소부탄은 액체 탄화수소로 변화했습니다만 그 중에서  네오펜탄을 
검출하지 못했습니다. 이전에 나는 나프타의 성분 개선 연구를  지도한 적이 있었는데 바로 
그 때 이 탄화수소 생성물의 성분이 고옥탄가 가솔린이라는  것을 알았습니다. 다음에 메탄
올과 이같은 촉매만으로 실험한 결과 메탄에서 가솔린 계열의 탄화수소로의 변화가  확인되
었습니다 ... 그 후 수년간 연구와 개발이 거듭되어  이 최초의 발견이 뉴질랜드에서의 성공
적인 과정으로 나아가게 되었던 것입니다.
 랭 박사는 이전에 가솔린 화학을 연구하고 있었던 덕택으로 이와 같은 물질에 대한 센스가 
충분히 있었으며 그 결과 우연한 관찰을 최대한 이용할 수가 있었던 것이었다.