수소

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1. 수소(水素)
1.1. 개요1.2. 구성1.3. 특징1.4. 수소 원자 모형
2. 수컷을 부르는 말

1. 수소(水素)[편집]

1.1. 개요[편집]

수소 水素
Hydrogen

원자번호

1

기호

H

분류

비금속

상태

기체

원자량

1.008

밀도

0.08988 g/L

녹는점

-259.16°C

끓는점

-252.879°C

용융열

0.117 kJ/mol (H2)

증발열

0.904 kJ/mol (H2)

원자가

1

이온화에너지

1312kJ/mol

전기음성도

2.2

전자친화도

72.8kJ/mol

발견

H. Cavendish (1766)

CAS 등록번호

1333-74-0

이전 원소

다음 원소

헬륨(He)


파일:external/www.ika.rwth-aachen.de/600px-H2_phase_diagram.jpg
수소 분자(H2)의 상평형 그림

파일:external/energonova-zagreb.eu/hydrogen_1.gif
수소 원자 모형

파일:external/energonova-zagreb.eu/Hydrogen-L-412x375.jpg

인간이 현재까지 발견한 원소들 중에서 우주에서 가장 풍부하며, 가장 가볍고 간단한 구조를 가져 원자 번호가 가장 작은 원소.

수소는 水素라는 한자 그대로 '물의 근원'이라는 의미를 가지고 있다. 이러한 의미는 가장 먼저 수소를 명명한[1] 라부아지에가 hydrogène라는 이름을 붙일때부터 반영되어 있었다. hydrogène는 그리스어 ὕδωρ-γεννεν에서 유래된 단어로 물의 근원이라는 의미이며, 이것이 그 의미를 간직하며 영어로 hydrogen, 독일어로 wasserstoff, 러시아어로 водород, 그리고 일본어로 水素라고 번역되었다. 이때 일본어로 번역된 水素를 다른 많은 과학 용어가 그러하듯 국내에 그대로 들여와서 쓰면서 한국에서도 수소라고 불리고 있다. 참고로 중국은 한자 문화권임에도 水素가 아닌 氢(수소 경) 이라는 표현을 쓰고 있으며 물의 근원이라는 의미도 없다.

수소가 발견될 당시, 연소란 플로지스톤이라는 물질이 방출되는 것이라고 생각되었다. 수소의 발견자 헨리 캐번디시는 이 설에 의심을 품고, 으로 을 녹였을 때 발생하는 '불타는 기체(수소)'에 주목했다. 하지만 프랑스의 화학자 라부아지에가 플로지스톤설을 부정할 때까지 수소는 원소로서 인정받지 못했다. 그 후, 캐번디시가 그 물질과 산소연소로 물이 생긴다는 것을 증명했다. 그리고 라부아지에가 '수소'라고 명명한 뒤, 수소는 원소 중 하나로 인정받았다.

자연계에 다량 존재하며 화합물 형태로 존재한다. 행성이 형성되는 과정에서 수소가 을 형성했기 때문으로, 만일 물로 화합되지 않았더라면 수소는 지구 중력을 이기고 우주 공간으로 탈출했을 것이다.

폴링의 전기 음성도 척도에서 기준이 되는 원소로, 수소의 전기 음성도를 2.2으로 하고 타 원소들과의 결합의 이온성을 따져 전기 음성도의 차이를 알아내어 특정 원소의 전기 음성도를 결정한다. [2]

1.2. 구성[편집]

양성자 1개에 중성자가 0~6개로 구성된 핵과 전자 1개로 되어 있다. 자연 상태의 수소 대부분(성분비 99.985%)은 중성자가 없는 경수소이며, 중성자를 1개 포함하는 극미량의 중수소, 중성자를 2개 포함하는 초극미량의 삼중수소가 나머지를 차지한다. 인공적으로 중성자 3개 이상을 포함하는 수소를 만들 수 있고, 위키백과에서 언급한 사례에 따르면 무려 7중수소(양성자1+중성자6)까지 있으나 모두 반감기가 10-23초 미만으로 짧아 빠른 시간 안에 베타(-) 붕괴를 통해 다른 원소가 되어 버린다. 삼중수소도 방사성 동위원소이나 반감기가 10년 이상이라 자연상태에서도 존재할 수 있다.

덤으로 중수소삼중수소동위원소이면서 독립된 원소기호를 사용할 수 있는 영광을 누린다. 각각 D(Deuterium)와 T(Tritium). 원래 방사능 연구 초기엔 우후죽순처럼 생겼으나 다 개박살 나고 IUPAC(International Union of Pure and Applied Chemistry)에서 인정하는 건 이 둘뿐이다. 때문에 각각의 이온도 다 별개의 명칭이 달려 있다.

  • 하이드론(Hydron): H+. 수소의 동위원소의 양이온을 뭉뚱그려 부르는 명칭. 즉 아래 나오는 셋 다 하이드론이라 부를 수 있다.

  • 프로톤(Proton): 1H+. 프로티움의 양이온. 양성자라는 의미도 있는데, 실제로 얘가 양성자이기 때문이다. 무슨 소리인지 모르겠으면 양성자 문서 참고.

  • 듀터론(Deuteron): 2H+, D+. 중수소의 양이온이다.

  • 트라이톤/트리톤(Triton): 3H+, T+. 삼중수소의 양이온이다.


전자가 2개까지 들어갈 수 있는 주기율표의 1주기에서 전자 1개를 가지고 있기 때문에, 똑같이 원자가 전자가 1개인 알칼리 금속(나트륨, 칼륨 등) 또는 가장 바깥 궤도를 채우는 데 필요한 전자가 1개인 할로겐(불소, 염소, 요오드 등)과 비슷한 화학적 성질을 보인다. 이렇게 전혀 성질이 다른 두 종류의 원소들과 성질이 비슷하기 때문에 일단 주기율표 상에는 1족에 넣는 경우도 있고, 17족에 넣는 경우도 있고, 두 족에 모두 넣는 경우도 있다. 탄소가 있는 14족(이것은 전자 궤도가 절반만 차있다는 이유)에 집어넣는 경우도 있는 모양이지만 주기율표 상에서 이 위치에 넣는 경우는 드물다. 대부분은 수소를 1족에 넣지만 특별취급하고, 아예 수소는 따로 빼놓는 주기율표도 적지 않다(심지어 수소만 대문짝만하게 빼놓고 범례 대용으로 쓰는 주기율표도 있다). 주기율표 실루엣만 그린 그림에서 왼쪽 위 또는 빈 부분에 네모칸이 혼자 따로 떨어져 나와있으면 대부분 수소를 위한 칸이다.

화학적 성질은 이온 화합물에서는 알칼리 금속과 비슷하며, 공유 결합의 경우는 할로젠족과 비슷하다. 그래서 유기화합물의 탄소-수소결합은 탄소-할로젠 결합으로 치환할 수 있다. (이렇게 해서 만들어지는 물질 중 대표적으로 프레온 가스가 있다.)

또 맨 위에는 수소를 비금속으로 썼지만 이건 저압력에서 수소가 2원자 분자로 공유결합을 하기 때문으로, 목성형 행성의 핵 같은 초고압의 환경에서는 수소 원자가 깨져(... 정말이다) 양성자 따로 전자 따로 돌아다니는 상태가 되는데, 이때를 금속자유전자 바다 상태와 같다고 해서 금속 수소라고 부른다. 이것이 자전하여 목성의 자기장을 생성한다. 다만 일상에서 볼 수 있는 금속의 특성(금속 광택, 전성/연성, 열전도율 등)을 금속 수소가 만족시키는지는 아마 가까운 세월 안엔 밝혀지지 않을 것...이라고 예측되었는데, 미국 하버드 대학에서 영하 267도 정도의 극저온에서 465만∼495만 기압을 가해[3] 실험실 내에서 처음으로 금속수소를 만드는 데 성공했다. 기사에 따르면 초고압으로 압축된 수소에서 금속 광택이 나는 것을 보고 금속 수소가 만들어진 것을 알아챘다고. 그러나 제대로된 검증을 하기도 전에 금속수소 샘플이 소실되면서 이들이 정말 금속수소 생성에 성공한 것인지는 불분명해졌다.

1.3. 특징[편집]

수소의 특징은 보통 세 가지로 대표할 수 있다. 매우 많다매우 가볍다매우 격렬하게 반응한다. 이 외에도 무색, 무취의 기체지만 자극성이기 때문에 기침을 유발한다.

전 우주에 존재하는 원소의 90% 이상이 수소다.[4] 대부분의 별들은 이 수소를 원료로 한 핵융합으로 열과 빛을 낸다. 의 중심부에선 수소폭탄이 초당 몇백만 개씩 터지고 있다고 보면 될 듯. 항성이 아닌, 행성 중에도 수소 대기를 가지는 경우가 많지만(목성, 토성 등) 지구는 수소를 잡아둘 만한 중력이 부족해 대기 중 구성 비율이 매우 적다. 때문에 "우주에서 가장 풍부한 원소인 수소를 이용한 에너지" 운운하면 일단 의심하는 것이 좋다. 우주에는 풍부하지만 지구에서는 쉽게 얻을 수 없는 것이 수소다. [5]

핵융합 외에도 산소와 결합 시 가장 강력한 화력을 내기 때문에 로켓원료는 물론 산소를 외부에서 조달하는 램제트 엔진에도 연료로 고려되고 있다. 또한 지구 상에서 매우 풍부한 물을 전기분해만 하면 얻을 수 있고 우주 상에서도 대량으로 존재하기 때문에 차세대 연료로 각광 받고 있다. 그러나 이에 대해서는 반론도 만만치 않다. 지구상에 풍부한 물은 바닷물이지 민물이 아니다. 바닷물을 전기분해하면 염소가스가 발생하기에 일단 탈염공정을 거쳐야 한다. 이 공정은 많은 에너지를 요구하며 환경을 오염시킨다. 아울러 차세대 연료로 사용하기 위해서는 많은 양의 수소가 필요한데 전기 분해를 통해 얻는 방법은 비효율적이며 산업적으로 생산하는 방법은 아래에 나오듯

메탄가스를 필요로 한다. 이래저래 난관이 많다. 이런 문제점 때문에 수소를 사용할 수 있는 분야에서도 등유등 다른 물질을 사용하기도 한다.


그러나 산업적으로는 메탄가스에 수증기를 섞어 고온에서 반응시켜 일산화탄소와 수소로 만들어 내어 분리하는 것이 가장 값싼 방법이다. 전기분해는 전기를 쓰기 때문에 순도는 높아도, 그 자체로서 굉장히 비싼 제법이다.

파일:external/www.kids.esdb.bg/fuelcell.jpg

수소기체는 연소 후 물만이 생성될 뿐 오염물질이 만들어지지 않아 무공해연료로 각광을 받고 있다. 석유내연기관에 사용하기 이전에도 주목을 받았었지만 반응이 너무 폭발적이어서 제어가 어려웠기 때문에 지금까진 사용하기 어려웠지만 제어가 어느 정도 가능해진 지금은 많은 에너지를 얻을 수 있어 장점이 되었다. 굳이 연소시키지 않더라도 연료전지(Fuel Cell)의 연료로도 사용되어 에너지를 생성할 수 있다. 그래서 우주왕복선에도 사용되고 있다. 다만, 이 무공해에 가까운 수소를 생산하려면 물에서 뽑아내거나, 화학반응을 유도해야하는데, 전자의 경우 전기로 하는 거라 당연히 전기 생산과정이 무공해로 바뀌지 않는다면 완전한 무공해라 하기 힘들 것이고, 화학반응을 위해서도 순도 높은 물질을 유지하려면 에너지가 많이 들어가니 전기가 무공해 에너지로 전환되기 전까지는 친환경이라는 의미가 없다.

저장과 운반이 매우 어렵다. 당장 분자가 작아서 용기를 이루는 원자의 틈 사이로 엄청나게 잘 새 나간다. (어디까지나 일상 용어로 빗댄 설명이다) 좀 다른 이야기지만 연료전지의 연료가 아닌 로켓의 엔진에서 사용되는 액체 수소연료의 경우 너무나 잘 새어나가서 로켓의 탱크에 주입할 때 탱크 부피의 몇 배에 해당하는 양이 필요하다고 한다. 게다가 폭발의 위험이 폭발한계 4~95 vol%일 정도로 매우 높다.[6] 덤으로 제대로 써먹으려면 고도로 높은 순도를 요구하므로 이를 해결하기 위한 연구가 활발히 진행 중이다. 이런 어려움 때문에 연료전지에 다른 연료물질을 사용하기 위한 연구 역시 활발하다.

황산과 요오드산이 결합, 분해를 반복하는 분젠반응에 물과 섭씨 900~1000도의 고열을 지속적으로 공급한다거나, 원자로 연료봉 코팅제인 지르코늄이 고열의 연료봉이 공기중에 노출되어 산화하는 과정에서 수소 기체가 발생하는데, 후자가 후쿠시마 원자력 발전소 사고에서 수소 폭발이 발생한 원인이다.

산소와 잘 섞은 다음 불을 붙이면 폭발하면서 이 된다. 적절한 전해질과 촉매하에 반응을 일으키면 전기도 발생한다.

가벼운 데다가 헬륨에 비하면 만들기가 쉽다 보니 비행선 같은 것에도 종종 썼다. 다만 안전 문제로 더 이상 자주 사용되지 않는다. 특히 초대형 비행선이었던 독일힌덴부르크호가 정전기 스파크에 의해 폭발하는 대참사가 벌어진 뒤로는 비행선에 주로 비싸더라도 더 안전한 헬륨을 많이 쓴다. 단, 대북전단을 날릴 때 사용하는 풍선에는 어차피 사람 태울 것도 아니기 때문에 수소를 집어넣는다. 다만 땅에 떨어져 있던 수소 애드벌룬을 우연히 아이들이 발견해 장난치다가 폭발해 참변을 당한 사례가 있긴 하다. 헬륨보다 가격이 10배 이상 싸기 때문에 풍선에 이걸 넣어서 팔기도 하니 주의 할 것. [7]

또한 수소의 동위원소인 삼중수소는 약하지만 방사성을 띠고 있어 야광을 내는 데 재료로 쓰이기도 한다. 대표적인 것이 K2소총의 가늠쇠에 있는 야간전투트리튬이 바로 그것. 형광 물질과 섞어 희미하게 푸른 빛을 내도록 구성한다.(삼중수소 자체가 발광하지는 않는다.) 방사성 물질이라 피폭의 우려가 있다지만 양이 워낙 미량이고 방사선 자체도 투과력이 비교적 약한 편(베타선)이라 걱정 안 해도 된다.

참고영상 [8]

1.4. 수소 원자 모형[편집]

수소 원자 모형은 양성자 하나와 전자 하나로 구성되는 원자이기 때문에 완벽한 해석적 해를 구할 수 있는 유일한 원자이다. 따라서 수소 원자 모형을 이해하는 것은 물리학 및 양자화학에서 매우 중요한 위치를 가진다. 자세한 내용은 수소 원자 모형을 참고하자.

2. 수컷을 부르는 말[편집]

'숫소'로 혼동하기 쉬우나 표준어 규정에 의하면 접두사 '-'다음에 사이시옷이 들어가는 생물은 , 염소, 뿐이다. 맞춤법 단골 문제 중 하나. 표기뿐만 아니라 발음도 [수소]로 발음해야 한다.

그런데 수컷 소를 표현하는 말로는 '황소'가 더 널리 쓰인다. 여기서의 황소는 순 우리말이고 누런색(黃) 소가 아니다.

옛날엔 계약서를 쓸 때 수수하고 헷갈려 큰일난 적도 있다고 한다.

[1] 발견은 하술하듯 헨리 캐번디시가 가장 먼저였다.[2] 과거에는 수소의 전기 음성도를 2.1로 정의했으며, 이후 2.2로 재정의되었다. 화학 교육과정 상에서 플루오린의 전기 음성도가 4.0이므로 이를 기준으로 삼았다고 적혀 있는데, 그 값이 틀린 것은 아니나 기준이 되는 것은 아니므로 거짓이다. 플루오린의 전기 음성도는 3.98이다. 하지만 보통 전기 음성도를 소수 첫째 자리까지 표기하기 때문에 편의상 반올림해 4.0으로 표기한다.[3] 초고압 환경을 만들기 위해 금강석 모룻간(Diamond Anvil Cell)이라는 장치를 이용한다.[4] 사실 이건 좀 애매한데, 현재 인류가 중력에 의한 빛의 굴절현상인 중력렌즈현상 이 외의 방법으로 관찰할 수 있는 물질은 전체의 4% 정도밖에 안 된다.(관찰 불가능한 96%를 암흑물질이라고 부른다.) 그 4% 중에서 75% 정도는 수소이고, 나머지 25%는 헬륨이다. 우리가 흔히 물질이라고 생각하는 무거운 원자들은 우주 전체로 보았을 때 워낙 극소수라서 숫자로 나타내기도 민망할 정도이다.[5] 이를 지적하면 대개 "전기를 이용하면 물에서 쉽게 얻을 수 있다"고 둘러대는데, 이 역시 거짓이다. 물을 전기분해하는 데 들어가는 전기가 이를 통해 얻는 수소로 발생시킬 수 있는 에너지보다 훨씬 크며, 지구 상에는 전기분해용으로 사용할 수 있는 담수가 매우 부족(지구 상에 존재하는 물의 대부분은 염수, 즉 바닷물이며 이를 전기분해하면 독가스인 염소 가스가 발생한다)하기 때문에, 수소는 거의 전부 천연가스에서 추출한다. 전기분해는 화학실험에서나 이용하는 방법. 게다가 수소는 관리와 보관이 극도로 어렵기 때문에 연료로 쓰이기 힘들다.[6] 수소가 공기중에 부피비로 4~95% 내의 비율로 존재하면 폭발이 가능하다는 얘기다. 착화에 필요한 에너지는 혼합비에 따라 다르지만 담뱃불이나 정전기는 당연하고 어떤 비율에서는 심지어 배관 내에서 가스가 이동하면서 생기는 마찰열로도 폭발할 수 있다. 따라서 공업적으로 수소를 사용할 경우, 설비의 설치 후 사용 전이나 유지보수 전후 질소나 비활성 가스로 내부를 플러싱하는 귀찮은 절차를 거쳐야 하며, 수소 감지기를 덕지덕지 붙여야 하고(위에서 말했듯이 워낙 잘 새니까), 폐가스 처리시 남은 수소를 흡수하거나 태우는 설비를 반드시 설치해야 한다. 죽기 싫으면 말이다.[7] 못믿을 곳에서 구입한다면 가스통을 잘 확인해보자. 주황색이거나 수소라고 적혀있다. [8] 헬륨과 수소의 폭발력을 학교 교실에서 직접 실험한 비범한 영상이다 = https://www.youtube.com/watch?v=UOZRErlLvnA