수소

수소는 가장 가벼우면서 질량 기준으로 우주의 75%를 구성하고 있는 가장 흔한 원소이다. 원소기호는 H이다. 과거의 수소의 발견은 화학과 물리학의 발전의 밑거름이 되었고, 지금은 경제성장에 새로운 원동력이 되고 있다.

발견

수소를 최초로 발견한 것으로 추정되는 인물은 16세기 무렵 활동했던 생물학자이자 연금술사, 피라켈수스이다. 그는 독성물질을 연구하던 중 금속에 산성 물질을 넣는 실험을 행한 적이 있었다. 이때 산성 물질로부터 금속이 공격을 받으면 무언가 알 수 없는 거품이 발생한다는 사실을 발견하였지만 안타깝게도 피라켈수스는 이 거품에 대해서깊은 연구를 진행하지 않았다 그 뒤로 200년뒤 과학자인 헨리 캐번디시는 이 기체는 뭔가 다르다는 것을 알게 되고 캐번디시는 여러 탐구를 계속 수행하였다. 그 후 캐번디시는 무색, 무취, 무미를 띄고 있다는 것을 알게 되었다. 이후 프랑스의 앙투안 라부아지에는 앞서 진행되었던 캐번디시의 실험을 재연하는 과정에서 이미 1776년 월타이어에 의해 발견된 지식인 '실험을 통해 모인 기체를 연소시키면 물이 발생한다'는 사실을 여러 측면에서 검증하게 되었다. 이 검증을 통해 '물을 만들어내는 신비로운 원소'라는 의미에서 '수소'로 이 원소의 이름을 명명하게 되었고, 이후 수소는 많은 과학 분야에서 놀라운 발견의 방아쇠가 되었다. 돌턴의 원자설 이후 더는 쪼갤 수 없는 물질의 가장 작은 단위가 원자라고 생각할 무렵 스위스에서 고등학교 교사로 재직하던 수학자 요한 발머는 수소 원자의 스펙트럼의 규칙성을 발견했다. 이 수소 원자의 스펙트럼을 통해서 원자보다 더 작은 세계가 있다는 것을 알게 되었다. 수소 원자의 스펙트럼은 우리 은하의 분포는 물론 마젤란 성운의 발견, 초기 우주에 존재했던 가장 밝은 퀘이사의 발견 등 장대한 우주의 비밀을 푸는 단서가 되었다.

어원

1766년 영국의 H.캐번디시에 의하여 처음으로 물질로서 확인되어 묽은산과 금속과의 반응에서 생성된다는 사실이 밝혀졌다. 그러나 캐번디시는 그 당시까지 널리 알려져 있던 연소설을 믿고, 연소하기 쉽고 가볍다는 사실로부터 수소를 ‘연소’라고 생각하였고, 나중에는 ‘물’과 ‘연소’와의 화합물이라고 생각하게 되었다. 이후 수소를 연소시키면 물이 생성된다는 사실로부터 그리스어의 물을 뜻하는 히드로(hydro)와 생성한다는 뜻의 제나오(gennao)를 합쳐 hydrogen이라 지었다. 영어 hydrogen은 여기에서 유래했다.

개념

수소는 자연계에 존재하는 원소들 중에 가장 작은 원자들로 구성되어 있다. 수소 원자 두 개가 결합한 이원자 분자 상태가 안정한 원소 상태이며 분자식은 H2이다. 수소는 주기율표에서 원자 번호가 첫번째인 원소이고 원소 기호는 H이다. 우주에서는 우주 질량의 약 75%, 원자의 개수로는 90%를 수소가 차지하고 있다고 할 만큼 수소가 풍부하며, 우주에서 수소의 대부분은 단원자 상태(H)로 존재한다. 수소는 매우 가벼운 원소여서 지구의 대기권에는 극소량이 존재하고, 지구의 지각권에서는 물 분자나 유기 화합물과 같이 화합물을 이룬 상태로 대부분 존재한다. 지구 표면에서는 산소와 규소에 이어 세 번째로 많은 원소이다.

성질

무색 무미 무취의 기체로 지구상에 존재하는 물질 중에서 가장 가볍다. 항상 수소분자 H2로 이루어진다. 녹는점은 -259.14℃이고 끓는점은 -252.9℃이다. 임계온도는 －239.9 ℃, 임계압력 12.8 atm, 물에는 18 ℃에서 1부피에 0.0185 부피 녹는다. 임계온도란 기체상에서 액체상으로 상전이가 가능한 가장 높은 한계온도이다. 상온에서는 오르토수소와 파라수소의 3:1 혼합물이다. 또한 상온에서는 반응성이 적지만,온도가 높으면 많은 원소와 직접 반응한다. 산소와의 2:1 혼합물은 500 ℃이상에서 격렬하게 반응하여 폭발하며, 수소-산소 폭명기(뗿聝氣)라고 부른다. 그 밖에 황과는 황화수소, 질소와는 암모니아, 염소와는 염화수소를 생성하며 많은 금속과도 직접 반응하여 수소화물을 만든다. 금속염화물이나 산화물을 가열하면 환원되어 금속을 생성한다. 일반적으로 화합물 중에서의 원자가는 +1가 또는 -1가의 값을 가진다.

동위원소

수소의 주요 동위원소로는 지구에서 발견되는 수소의 99.98%를 차지하는 프로튬(protium, 1H) 외에, 중수소(deuterium, 2H 또는 D)와 삼중수소(tritium, 3H 또는 T)가 있다. 바닷물을 기준으로 했을 때, 지구상에서 존재하는 중수소의 비율은 총 수소 개수의 0.0156%, 총 수소 질량의 0.0312%이다. 빅뱅이 일어날 때, 중수소와 삼중수소는 프로튬에서 헬륨이 만들어지는 핵반응의 중간체이기도 하다. 프로튬의 핵은 양성자 1개로 이루어져 있으며, 중수소의 핵은 양성자 1개와 중성자 1개, 삼중수소의 핵은 양성자 1개와 중성자 2개로 구성되어 있다. 프로튬과 중수소는 안정한 동위원소이지만, 삼중수소는 베타선을 방출하면서 붕괴되어 헬륨 양이온으로 변하는 불안정한 방사성 동위원소이며 반감기는 12.32년이다. 지구상에서 삼중수소는 거의 존재하지 않고, 대기권 외부에서 우주선과 대기가 반응하여 아주 극소량 생성된다.

용도

산업적 이용

석유 및 화학 공업에서 많은 양의 수소가 사용되고 있는데, 가장 큰 용도는 질소와 반응시켜 암모니아를 얻는 것이다. 다음으로 주요한 용도는 식물성 액체 지방과 반응시켜 고체 지방(예로 마가린)을 생산한다. 이밖에 일산화탄소와 반응시켜 메틸 알코올을 얻는 데 이용되며, 석유화학에서 중질유의 분해, 탈황 공정에 이용되는 등 다양한 용도로 사용한다. 또한 염소(Cl2)와 반응시켜 염산(HCl)을 얻는 데 쓰이며, 금속 산화물을 환원시키는 데도 이용된다. 반도체 산업에서는 무정형 실리콘이나 탄소를 안정화시키는 데도 이용된다. 공기보다 밀도가 낮은 특성으로 수소는 기구나 비행선 등의 각종 탈것에 사용되어 왔다. 하지만 수소는 작은 마찰에도 연소가 되어 폭발할 가능성이 있어 오늘날엔 기구나 비행기에서는 거의 사용하지 않고 있다.

같이 보기

• 헬륨
• 수소자동차

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