수소

수소(Hydrogen)

수소원자는 단위 양전하를 띤 양성자로 이루어진 핵과, 음전하를 띠며 핵과 연관되어 있는 전자로 구성되어 있다. 순수한 수소의 경우 녹는점(어는점)은 -259.2℃이며, 끓는점은 -252.8℃여서 이 때부터 기체 상태로 존재한다.

지구상에서 9번째로 풍부하며, 지구 전체질량의 0.9％를 차지한다. 수소는 우주 전체에 존재하는 모든 물질 질량의 약 75％를 차지할 정도로 풍부한 원소이다. 항성(恒星)의 중력에 의해 모아지며, 태양을 비롯한 별의 에너지를 공급하는 핵융합에 의해 헬륨으로 전환된다. 또한 동식물을 구성하는 모든 물질은 수소가 탄소 및 다른 원소와 결합하여 형성된 화합물이다.

석유와 석탄에는 탄화수소 형태로 있으며, 물 무게의 약 11％를 차지한다. 지구 대기 중에서는 수소 기체가 계속해서 우주로 빠져나가므로 함량이 낮다.

16세기 독일 태생 스위스의 연금술사 파라켈수스는 금속이 산에 녹을 때 가연성 기체가 발생한다는 사실을 발견한 후 처음으로 수소를 언급했다. 그러나 그 당시에는 수소를 탄화수소나 일산화탄소와 같은 다른 가연성 기체와 혼동했다.

1766년 영국의 화학자 헨리 캐번디시는 그당시 '가연성 공기' 또는 '플로지스톤'으로 명명되었던 수소가 주어진 양의 산과 금속으로부터 방출될 때의 양과 밀도(수소는 밀도가 매우 낮고 가벼움)를 측정함으로써 다른 가연성 기체와 다르다는 것을 밝혀냈다. 1776년 J. 월타이어는 수소가 연소할 때 물을 만든다는 사실을 발견했고, 1781년 캐번디시는 이 관찰된 사실을 확인했으며, 이에 따라 프랑스의 화학자 앙투안 로랑 라부아지에는 수소(그리스어로 '물을 만드는 것'이라는 뜻)라고 명명했다.

2개의 동위원소인 중수소와 삼중수소는 각각 1931년과 1935년에 발견되었다.

승객수송용 비행선에는 헬륨이 수소와 달리 불연성 기체라는 장점에도 불구하고 1783년부터 제2차 세계대전까지 기구(氣球)를 채우는 기체로 수소를 사용했다. 암모니아와 메탄올 합성, 석유의 탈황제(脫黃劑), 특정 정유과정에서 얻는 부산물로부터 안정성·휘발성이 있는 물질을 만드는 데 많은 양의 수소가 사용된다.

수소는 또한 용매나 공업용 화학물질을 제조하기 위한 유기 화합물의 수소화반응에 이용된다. 예를 들어 수소는 벤젠으로부터 사이클로헥산을 제조하거나 동식물성 지방과 기름으로부터 마가린과 쇼트닝 등 식품을 제조하는 데 사용된다. 수소는 염소나 브로민과 반응하여 각각 염화수소와 브로화수소를 만든다(화학반응). 텅스텐과 몰리브데넘과 같은 몇몇 금속은 이들 금속의 산화물 또는 염을 수소로 처리하여 얻는다.

액체 수소는 실험실에서 극히 낮은 온도로 냉각하고자 할 때나 원자 핵 입자의 궤도를 사진촬영하는 데 쓰이는 기포상자에 사용된다.

또한 액체수소는 산화제로 쓰이는 산소 또는 플루오린과 함께 로켓 연료로서 우주탐사계획에 매우 중요하다. 수소의 동위원소인 중수소(듀테륨)는 열핵폭탄의 중요한 구성성분이다. 수소를 산소로 연소시키면 약 2,600℃의 온도를 내며, 전기 아크나 가열된 텅스텐 필라멘트에 의해 해리된 수소원자를 재결합시키면 3,400℃ 이상의 온도까지도 낼 수 있다.

소량의 수소는 아연 금속을 황산으로 처리하여 만든다. 공업적으로는 메테과 같은 탄화수소를 수증기나 산소와 반응시켜 만들며, 또한 여러 가지 발효과정과 석유의 정제공정 그리고 전기분해 반응에 의한 가성 알칼리와 염소의 제조공정 등의 부산물로 얻는다. 수소원자는 반응성이 크고, 서로 결합하여 이원자분자(H₂)를 만든다. 분자 형태는 2가지가 있다.

오르토 수소(정상 수소)는 두 양성자의 핵스핀이 같은 방향으로 배향되어 있으며, 파라 수소는 반대방향으로 배향된 핵스핀으로 이루어져 있다. 상온에서 수소는 75％의 오르토 수소와 25％의 파라 수소로 이루어져 있다. 그러나 온도가 낮아지면 오르토 수소는 점차 파라 수소로 전환되고, 반대로 온도가 올라가면 파라 수소는 오르토 수소로 전환된다.

수소는 가장 가벼운 원소로 모든 기체 중에서 열전도도가 가장 높고, 확산계수가 가장 크다.

화학적으로 수소원소는 주기율표의 1,7,11,17족의 원소와 유사하다. 적당한 상태에서 수소는 주기율표상 거의 대부분의 가벼운 원소와 직접 결합하며, 상당히 많은 중원소와도 직접 결합한다. 금속과 결합한 경우에는 전자 1개를 얻어서 수소 음이온(H^－)이 되고, 비금속과는 전자를 서로 공유하여 메테인·암모니아·물·염화수소와 같은 공유결합을 한 분자 만든다. 특정 경우에는 공유결합이 끊어져서 수소 이온(H^＋)과 음이온을 띤 원자단으로 분리된다.

Electron shell 001 Hydrogen

수용액에서 대부분의 산의 성질은 수소 이온을 얼마나 많이 내놓는가에 의해 좌우된다(중요한 수소화합물에 대해서는 '수소화물', '알코올', '암모니아', '탄화수소' 항목 참조).

수소는 극히 낮은 온도에서도 플루오린과 격렬하게 반응하며, 많은 다른 원소와는 촉매가 존재하거나 가열할 경우 반응한다.

천연에는 3개의 동위원소, 즉 수소-1(¹H, 프로튬 99.985％)·²H(듀테륨 0.015％)·³H(트리튬 미량)으로 이루어져 있다. 삼중수소(트리튬)는 인공적으로 합성될 수 있으며, 방사성동위원소로 반감기는 12.26년이다.