수소

수소 원자모형.svg
1H
수소
Hydrogen / 水素
평균 원자량
Average mass
1.008 Da
모노이소토픽 원자량
Monoisotopic mass
1.007825 Da
밀도 (실온) 0.08988 g/L
원자 반지름 53 pm
물리적 성질 상세 설명
상온에서의 상태 녹는점 끓는점 전기음성도 2.20
기체 -259.16 °C -252.879 °C 전자친화도 72.8 kJ/mol
융해열 기화열 열용량 (25°C) 결정모양 육방정계
0.117 kJ/mol 0.904 kJ/mol 28.836 J/(mol·K) CAS 등록번호 1333-74-0

1 개요[편집]

원자번호는 1번, 기호는 H이다. 우주 전체의 약 75%를 차지하는 가장 많이 존재하는 원소이다. 또한 가장 가벼운 원소이며, 가장 간단한 구조를 가진 원소이다. (양성자 하나에 전자 하나) 반응성이 워낙 좋아서, 헬륨과는 달리 가벼워도 물 등의 형태로 지구에 많이 존재한다.

(H2O)을 만드는 원소 중 하나가 수소고, 유기화합물 모두 수소와 결합되어 있다. 또한 태양은 수소가 연료로 사용돼 핵융합을 하여 에너지를 낸다. 따라서 생명체가 사는 데 수소는 반드시 필요하다.

1671년에 로버트 보일(Robert Boyle)이 쇳조각에 묽은 산을 넣으면 기체가 발생한다는 사실을 처음으로 묘사하였으나, 이 기체가 독립된 물질인 것은 1766년에 헨리 캐번디시(Henry Cavendish)가 처음으로 밝혀내었고, 이 기체를 연소하였을 경우 물을 생성한다는 사실도 1781년에 알아내었다. 1783년에 앙트완 라브와지에(Antoine Lavoisier)는 이 기체가 연소하면서 물을 생성하기 때문에 그리스어로 '물'이라는 의미의 hydro와 '생성한다'라는 의미의 genes 두 단어를 합성하여 'hydrogen'이라는 원소명을 지었다.

2 동위원소[편집]

자연적으로 존재하는 수소의 동위원소는 1H, 2H, 3H 세 가지이다. 이중에 1H는 자연상에 전체 수소 중 99.98% 이상을 차지하여 가장 많고, 2H는 0.0156% 차지하고, 3H는 10-18%로 자연상에 매우 극미하게 존재한다. 2H와 3H는 동위원소지만 원소기호가 있다. 2H는 D(Deuterium, 듀테륨), 3H는 T(Tritium, 트리튬)로도 불러진다.

7중수소까지 있지만 아래 표를 보면 대부분 반감기가 매우 짧아 순신간에 베타(β) 붕괴가 이뤄져 다른 원소(아래 표의 붕괴생성물)가 되어 버린다. 삼중수소도 방사성 동위원소니 베타 붕괴가 이뤄지나 12.32년으로 매우 길어 위에서 언급한 대로 매우 극미하지만 자연상에 존재할 수 있었다.

동위원소 양성자 중성자 동위원소질량 반감기 감쇠 모드 붕괴생성물 핵스핀
1H 1 0 1.00782503207 안정됨 ½+
2H
중수소(듀테륨)
1 1 2.0141017778 안정됨 1+
3H
삼중수소(트리튬)
1 2 3.0160492777 12.32(2) 년 β 3He ½+
4H 1 3 4.02781 1.39(10)×10−22
[4.6(9) MeV]
n 3H 2-
5H 1 4 5.03531 >9.1×10−22 초 (?) 2n 3H +)
6H 1 5 6.04494 2.90(70)×10−22
[1.6(4) MeV]
3n 3H 2-#
4n 2H
7H 1 6 7.05275 2.3(6)×10−23 초# 4n 3H ½+#

3 수소 만들기[편집]

3.1 금속과 산 반응[편집]

H2를 화학 및 생물 실험실에서 제조할 때는 대개 킵의 장치를 이용해 비산화 과 수소보다 반응성이 높은 금속을 반응시켜 얻는다.

아래는 아연의 예. 이 방법이 대표적이다.

Zn + 2 H+ → Zn2+ + H2

알루미늄도 가능하다.

2 Al + 6 H2O + 2 OH- → 2 Al(OH)4- + 3 H2

3.2 물의 전기분해[편집]

물의 전기분해를 이용하는 방법도 물론 많이 쓰이는 쉬운 방법이다. 다만 물은 전기가 통하지 않기 때문에 수산화나트륨 등을 첨가해 전류를 흐르게 해 줘야 한다. 전기분해라는 방법을 쓰는 이유는 자발적으로 산화·환원 반응이 일어나지 않기 때문이다. 전기분해를 하면 (+)극에서 산화 반응으로 수소를 얻을 수 있다. 특히 이 방법은 전기에너지가 화학에너지로 전환되는 것이기 때문에 매우 중요하다.

2 H2O → 2 H2 + O2 (전기분해)

3.3 수증기 변성[편집]

탄화수소(CH4)와 700 ~ 1100 ℃ 정도의 고온의 수증기를 반응시켜 수소를 얻기도 한다. 보통 공업적으로 많이 이용된다.

CH4 + H2OCO + 3 H2

이 반응에서 생기는 혼합 생성물을 합성 가스(synthetic gas)라고도 한다. 메테인 이외의 간단한 탄화수소 화합물로도 합성 가스를 만들 수는 있으나, 생성물들의 종류와 비율이 복잡해진다. 수증기 개질 반응은 반응 조건에 따라 아래의 반응식과 같이 코크스(coke) 또는 탄소가 생기게 할 수도 있다.

CH4 → C + 2 H2

4 용도[편집]

  • 로켓 연료로 액체 수소가 쓰인다.
  • 중수소로 이루어진 중수원자로에서 중성자 감속재로 쓰인다.
  • 삼중수소에서 나오는 전자가 을 빛나게 하기 때문에 야광 물질에 쓰인다. K2 돌격소총의 가늠자에 이게 들어있어서 야간사격 시 조준을 돕는다고 하지만 일반이 체험할 기회는 별로 없다.
  • 과거에는 비행선에 쓰기도 했지만 현재는 위험해서 쓰이지 않는다. 힌덴부르크 호 참조.
  • 수소연료전지의 연료로 사용된다.
  • 수소가 가질 수 있는 상태로 금속 수소라는 것이 제안되어 있었다. 목성형 행성의 핵과 같은 고압의 환경에서는 수소원자를 둘러싼 전자껍질이 깨져 수소가 원자핵 따로 전자 따로 돌아다니는 상태가 될 것이고 이것이 금속의 자유 전자 바다와 같은 상태라고 하여 "금속 수소"라고 이름을 붙인 것인데, 오랫동안 이론적으로만 존재하는 상태라고 여겨졌다가 2017년 2월 실험실 내에서 제조되었다.

5 각주