수소는 어떤 원소인가?

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수소(Hydrogen, H)는 우주를 만드는 기본 원소 

 

 󰋯  자번호：1

 󰋯  족：1족(1주기)

 󰋯  원자량：1.008

 󰋯  밀도：기체(0.08988 g/L), 액체(0.07 g·cm^-3)

 󰋯  각 전자궤도의 전자 수：1

 󰋯  녹는 온도(mp)：-259℃  󰋯끓는 온도(bp)：-252℃

 

우주는 수소의 세계라고 말할 수 있을 정도로, 우주 전체 물질의 75%를 수소가 차지한다. 태양을 비롯한 별이 빛날 수 있는 것은 거대한 수소 덩어리 속에서 핵융합반응이 일어나고 있기 때문이다.

 

주기율표에서 1족 1주기 1번 원소로 시작하는 수소는 원자 구조가 가장 간단하다. 수소의 핵에는 1개의 양성자만 있고, 그 주변을 1개의 전자가 돌고 있다. 이런 수소는 2개의 원자가 결합하여 1개의 분자(H₂) 상태로 존재하기를 좋아한다.

 

수소는 우주가 처음 폭발(빅뱅)했을 때 가장 먼저 생겨난 원소이다. 기타의 원소들은 별(태양)에서 일어나는 수소의 핵반응이 진행되면서 생겨나거나, 수명을 다한 별(초신성)이 대폭발할 때 만들어지기도 한다.

 

수소는 우주 물질의 대부분을 차지하지만, 지구 대기권에는 지극히 적은 양이 존재한다. 공기 1억 리터 속에 수소는 겨우 5리터뿐입니다. 대기 중에 수소의 양이 적은 이유는, 너무 가벼운 기체이므로 지구의 중력으로부터 탈출하여 우주로 날아가 버렸기 때문이다. 반면에 중력이 훨씬 큰 토성이나 목성에는 비교적 많은 양의 수소가 있다. 그런데 목성이나 토성의 중심부에 있는 수소는 높은 압력을 받아 기체가 아니라 ‘액체금속’ 상태로 존재할 것이라고 한다.

 

수소는 지구의 대기 중에는 극소량 뿐이지만, 산소와 결합하여 물의 성분으로 상당량 존재하여 지각 성분의 약 3%를 차지한다.

 

수소를 처음 발견한 사람은 영국의 화학자 헨리 캐번디시(Henry Cavendish 1731-1810)이다. 캠브리지 대학의 ‘캐번디시 연구소’는 바로 그의 이름을 딴 것이다. 캐번디시는 1766년에 금속 아연에 산(酸)을 넣어 순수한 수소를 발생시켜 수소라는 원소의 존재를 처음 확인했다.

 

그는 수소가 매우 불타기 쉬운 원소임을 발견했으며, 1783년에는 수소를 공기 중에서 태우면 물이 생겨난다는 사실을 알게 되었다. 그가 창안한 수소제조법은 지금도 실험실에서 시행되고 있다. 캐번디시는 지구의 질량을 정확히 계산했으며, ‘중력상수 G’ 값을 계산하기도 하여, 뉴턴(Isaac Newton 1642-1723)의 ‘우주 중력 이론’이 옳음을 확인하기도 한 과학자이다.

 

 

수소는 냄새, 맛, 색이 전혀 없다. 그러면서 지극히 잘 불타는 기체이다. 수소를 공기 중에서 태우면 수소는 산소와 맹렬히 결합하여 물이 되면서 막대한 열을 방출한다. ‘수소’(hydrogen)라는 원소이름은 1783년에 프랑스의 화학자 라부아지에(Antoine Lavoisier 1743-1794)가 지었다. ‘hydrogen’이란 hydro + gene’ 즉 ‘물 + 생성’의 의미이다. 우리말도 ‘물(水)의 원소’라 하여 수소(水素)라 부르게 되었다.

 

수소는 공기보다 훨씬 가벼운 기체이므로, 수소를 넣은 풍선은 공중으로 떠오른다. 그래서 한때 사람이 타는 비행선에 넣기도 했으나, 1937년에 독일의 비행선 힌덴부르크 호가 폭발하는 사고 이후부터 비행선에 사용하지 않게 되었다. 지금의 비행선에는 수소보다는 무겁지만 불타지 않는 헬륨 가스를 넣는다.

 

수소의 대표적인 화합물은 수소 2원자와 산소 1원자가 결합한 물(H₂O)이다. 또한 수소는 모든 유기물의 성분으로서 탄소, 산소와 함께 생명체를 구성하는 기본 원소이다. 또한 수소는 탄소와 결합하여 탄화수소(炭化水素 hydrocarbon) 형태로 유기물뿐만 아니라 천연가스와 원유의 성분이 되어 있다. 이 탄화수소의 사슬이 끊어지면 에너지가 방출되는데, 그 에너지가 우리 몸만 아니라 화력발전소와 자동차 연료의 힘이 된다.

 

생명체를 이루는 ‘탄수화물’(炭水化物 carbohydrate)은 수소, 산소, 탄소 3원소가 결합한 분자이다. 몸에 에너지를 제공하는 전분과 설탕은 바로 대표적인 탄수화물이다. 수소는 다른 원소와 화합하여 향료, 염료, 살충제, DNA, 단백질 등 수없이 많은 종류의 화합물을 구성한다.

 

수소를 공업적으로 대량생산할 때는 물을 전기분해하는 방법을 주로 쓴다. 때로는 뜨겁게 불타는 코크스 위로 수증기를 통과시켜 수소를 만들기도 한다. 붉게 가열된 코크스 속으로 수증기를 보내면 코크스에서 발생한 일산화탄소(CO)와 물이 반응하여 이산화탄소와 수소가 발생하는 것이다.

 

CO + H₂O → CO₂ + H₂

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이러한 화학반응을 ‘수성가스 반응’(water gas reaction)이라 하며, 이 방법은 이탈리아의 의학자 펠리체 폰타나(Felice Fontana 1730-1805)가 1780년에 발견했다.

 

수소의 중요 용도

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1. 상업적으로 대량생산한 수소는 화학공업과 식품공업에서 이용한다. 특히 요소(尿素)비료(질소비료)를 생산할 때 수소를 가장 많이 사용한다. 식품공업에서는, 액체상태의 식물성 기름에 수소를 작용시켜 단단한 마가린으로 만든다. 마가린은 콜레스테롤이 적기 때문에 동물성 버터 대신 많이 식용되고 있다.

 

2. 우주항공 산업에서는 수소를 우주선을 날려 보내는 로켓 연료로 대량 사용한다. 즉 우주 로켓은 수소(H₂)와 산소(O₂)를 태웠을 때 발생하는 뜨거운 수증기(H₂O)가 팽창하여 고속으로 분사되므로 그 반작용으로 추진되는 것이다.

 

3. 수소는 화학반응에서 산과 염기의 반응에 주역을 담당하는 원소이다.

 

 

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