1. 불
인류는 불을 통해, 흙을 구어 토기를 만들고 광석에서 금속을 추출하여 농기구를 만들었다. 또한 음식을 익혀 먹게 되면서 영양소의 섭취 효율이 높아지고 질병의 위험을 줄일 수 있었다.
2. 구리
B.C. 5000년 경부터 사용하였다. 지각의 매장량이 철보다 적은 구리가 철보다 이른 시기에 이용된 까닭은, 구리가 철보다 녹는점이 낮고 반응성이 작아 광석으로부터 순수한 금속을 얻기 쉬웠기 때문이다.
3. 철
B.C. 3000년 경부터 사용하였다. 철은 지각의 약 5%에 함유되어 있다. 녹는점이 1538℃이며, 강도가 높고 여러 형태로 가공이 가능하며 합금할 수 있다. 철은 반응성이 커서 자연 상태에서 원소 상태로 존재하지 않고 산소와 결합한 산화 철 형태로 존재한다. 붉은빛이 나는 적철석과 자성을 지닌 자철석 형태의 광석으로 주로 산출된다. 녹는 점이 높아 산화 철에서 철을 얻는 제련*법이 발견된 후에야 본격적으로 사용되었다. 초기에는 철광석을 목탄불 속에 넣어 녹여서 철은 얻은 후 계속 두드려 단단한 철을 얻었다.
철은 용광로에 철광석과 코크스(주성분 : C), 석회석(CaCO₃)을 함께 넣고 아래에서 뜨거운 공기를 불어 넣어 주면 용융 상태의 철을 얻을 수 있다. 용광로에서 얻어지는 철에는 탄소를 비롯하여 불순물이 포함되어 있는데, 이를 선철이라고 한다. 선철은 강도가 낮아 그대로 사용하기 어렵고, 선철에서 탄소의 함량을 줄인 것을 강철이라고 한다. 강철은 강도가 높아 다양하게 이용된다.
* 산화 : 물질이 산소를 얻거나 전자를 잃는 반응
* 환원 : 물질이 산소를 잃거나 전자를 얻는 반응
* 제련 : 금속 화합물의 형태인 광석으로부터 순수한 금속을 얻는 과정
* 용광로에서의 화학 반응 :
1) 코크스의 불완전 연소로 일산화 탄소가 생성
2C + O₂ → 2CO
2) 산화 철(Ⅲ)과 일산화 탄소의 산화 환원 반응에 의해 철광석의 산화 철(Ⅲ)이 철로 환원된다.
Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂
3) 철광석 중의 불순물인 이산화 규소는 석회석과 반응하여 슬래그가 된다. 슬래그는 시멘트나 벽돌 제조에 활용된다.
CaCO₃ → CaO + CO₂
CaO + SiO₂ →CaSiO₃(슬래그)
4. 질소
단백질과 핵산을 이루는 주요 성분 원소 중 하나가 질소이다. 대부분의 생물체는 공기 중의 질소(N₂) 기체를 직접 흡수하여 이용하지 못하므로, 질소는 생물체가 이용할 수 있는 형태로 전환되어야 한다. 토양 속의 물에 녹아 암모늄 이온(NH₄+)이나 질산 이온(NO₃-)의 형태로 고정된 질소를 흡수하여 생장에 이용한다.
산업 혁명 이후 급격한 인구 증가로 인해 식량 부족 문제가 대두되었다. 식량 생산량을 증대시키기 위해서는 토양에 질소를 충분히 공급해야 했다. 당시에는 식물의 퇴비나 동물의 분뇨 등과 같은 천연 비료와 칠레 초석이라고 부르는 질산 칼륨(KNO₃)을 질소 공급원으로 사용했으나 질소를 토양에 충분히 공급하는 데 한계가 있었다.
20세기 초 독일의 화학자 하버(Harber, F., 1868~1934)는 공기 중의 질소 기체와 수소 기체를 반응시켜 질소 비료의 원료가 되는 암모니아를 합성하였다. 암모니아 생성 반응은 질소(N₂)에서 질소 원자 사이의 결합이 3중 결합으로 매우 강하여 일어나기가 쉽지 않다. 하버와 보슈는 400~600ºC의 온도와 200~400기압의 압력에서 촉매를 사용하여 암모니아를 대량으로 합성하는 방법을 알아 내었다. N₂ + 3H₂ ─(촉매:산화철)→ 2NH₃
암모니아를 대량 생산하게 되면서 충분한 양의 질소 비료를 얻을 수 있게 되어 식량 생산량이 획기적으로 증대되었다.
* 질소 고정 : 공기 중의 질소 분자를 생물체가 활용할 수 있는 형태의 질소 화합물로 변화시키는 과정. 번개나 질소 고정 세균 또는 화학 공업적 방법에 의해 이루어진다.
* 질소 순환 : 공기 중의 질소가 고정되어 생물체에 이용된 다음 다시 공기로 되돌아가는 일련의 과정.
* 암모니아는 실온에서 기체이며 독성이 강해 비료로 땅에 뿌리기에는 적합하지 않아, 요소나 질산 암모늄 등으로 만들어 사용한다. 암모니아에 질산이나 황산을 가하면 질산 암모늄이나 황산 암모늄이 얻어지는데, 이것이 현재 가장 많이 사용되는 질소 비료이다.
5. 합성 섬유
천연 소재로 만든 그물은 무겁고 물에 젖으면 쉽게 망가진다. 근대에 들어서면서 가볍고 질기며 물을 흡수하지 않는 합성 섬유가 그물의 소재로 사용되기 시작하면서, 물고기를 대량으로 잡을 수 있어 식량 생산량을 늘릴 수 있었다.
6. 살충제, 제초제, 복합 비료 등
근대에 이르러 다양한 화학 물질의 합성이 가능해지면서 살충제, 제초제, 복합 비료 등을 만들었고 이를 통해 농산물의 질이 향상되고, 식량 생산량이 증대되었다.