물에 이상한 성질을 부여하는 것은 '수소 결합'이다. 그런데 '수소 결합'을 일으키는 '수소 원자' 또한 실로 특이한 성질을 가진 원자이다.
0. 목차
- 수소의 기본 정보
- '수소'는 모든 원자의 근원이다.
- 우주에 있는 원자의 약 92%는 '수소 원자'
- 수소는 어떻게 발견되었는가?
- 수소의 성질
- 수소는 왜 2개가 모여 '분자'를 이룰까?
- 수소의 화합물
1. 수소의 기본 정보
| 특징 | - |
| 원자 번호 | 1 |
| 분류 | 비금속 |
| 색 | 무색 |
| 상태 | 기체 |
| 공기에 대한 비중 | 0.0695 |
| 녹는점 | -259.14℃ |
| 끓는점 | -252.87℃ |
2. '수소'는 모든 원자의 근원이다.
우주는 지금으로부터 약 138억 년 전에 탄생했다. 우주가 탄생으로부터 10-5초 후 무렵에는 '양성자(수소의 원자핵)'와 '중성자'가 생겼다고 한다. 그리고 우주 탄생으로부터 약 38만 년 후에는 양성자에 전자가 포획되어 '수소 원자(H)'가 생겼으리라고 생각된다.
그리고 우주 탄생으로부터 3억 년 후 무렵에는 수소로 이루어진 최초의 항성이 빛나기 시작했다. 항성은 별의 중심에서 수소의 '핵융합 반응'을 일으켜 빛난다. 항성의 핵융합 반응에서는 먼저 '헬륨(He)'이 만들어지고, 그 후 '탄소(C)', '산소(O)', '네온(Ne)', '마그네슘(Mg)', '규소(Si)', 철(Fe)' 등의 원소가 만들어졌다. 즉, 모든 원소는 '수소(H)'를 바탕으로 생긴 것이다.
3. 우주에 있는 원자의 약 92%는 '수소 원자'
우주에 존재하는 원자를 개수로 비교하면 약 92.1%가 수소 원자라고 한다. 수소 원자는 원자 가운데 압도적으로 많은 원자이다. 수소 원자는 우주의 '성간 공간(interstellar space)'에 수소 원자 1개의 형태로 존재하는 것이 가장 많다. '성간 공간'은 원자의 밀도가 낮아서 다른 원자와 만날 확률이 낮기 때문에, 수소 원자가 단독으로 존재하는 경우가 많다.
| 성분 | 비율 |
| 수소 원자 | 약 92.1% |
| 헬륨 원자 | 약 7.8% |
| 그 밖의 원자 | 약 0.1% |
3-1. 수소의 휘선 스펙트럼
수소는 보통은 무색투명하지만, 자외선과 열 등을 통해 수소 원자를 관측할 수 있다. 원자는 자외선과 열 등을 받으면 전자를 방출해 양이온이 되는 경우가 있다. 그리고 양이온이 다시 전자를 포획할 때, '휘선(Bright Line)'이라는 특정 파장의 전자기파를 방출하는데, 이 전자기파의 파장을 포착하면 어떤 원자가 있는지 알 수 있다. 예컨대 '휘선 성운'에서 전자를 방출해 '수소 이온(H+)'이 된 수소 원자가 다시 전자를 포획해 빛나는 경우가 있다.
아래의 영상은 'NASA(미국 항공우주국)'의 '허블 우주 망원경(Hubble Space Telescope)'이 촬영한 '독수리 성운(Eagle Nebula)'의 일부이다. '독수리 성운(Eagle Nebula)'은 지구에서 6500광년 정도 떨어진 거리에 있는 '휘선 성운'이다. 사진 바깥에 어린 대질량별이 가까이 있는데, 대질량별이 방출한 자외선을 받은 원자가 휘선을 방출해 빛나는 것이다. 영상은 파장이 다른 세 종류의 빛을 각각 초록색, 푸른색, 붉은색으로 착색해 합성한 것이다. 초록색은 파장 657nm의 수소와 질소의 휘선, 푸른색은 파장 502nm의 산소의 휘선, 붉은색은 파장 673nm의 황의 휘선에 해당한다. 수소의 휘선은 하나가 아니라 여러 개가 있다. 수소의 휘선으로 유명한 것은 파장 121.6nm의 '라이만 α선', 파장 486.1의 'H β선', 파장 656.3nm의 'H α선' 등이다. 아래의 영상에서는 초록색 부분이 수소의 휘선이다.
영상의 검은 부분은 휘선을 방출하는 원자 앞쪽에 있는 '암흑 성운'이다. '암흑 성운(Dark Nebula)'은 주로 수소 분자와 먼지로 이루어진 분자운으로 되어 있으며, 원자가 방출하는 휘선을 가로막고 있기 때문에 어둡게 보이는 것이다. 분자운 안에서는 우리의 태양계와 같은 행성계가 만들어 있을 것으로 생각된다. 그래서 영상의 암흑 성운은 독수리 성운의 '창조의 기둥'이라고 불리고 있다.
3-2. 지구의 대기에 수소는 극히 적은 양밖에 없다.
우주에는 단독으로 존재하는 수소 원자가 많지만, 지구에는 단독으로 존재하는 수소 원자가 거의 없다. 그 이유는 수소가 결합하기 좋은 성질을 가졌기 때문이다. 지구 표면 가까운 곳에서는, '수소 원자(H)'는 '산소 원자(O)'와 결합해 '물(H2O)'이 되거나 '탄소 원자(C)'와 결합해 '유기 화합물'이 된다. 대기에 극히 적은 양이 포함된 기체 수소도, 수소 원자 2개가 결합한 '수소 분자(H2)'이다.
태양계는 주로 '수소 분자(H2)'와 '먼지'로 이루어진 '분자운(Molecular Cloud)' 안에서 탄생했다고 생각된다. 즉, 태양계에는 최초부터 단독으로 존재하는 수소 원자가 거의 없었다. 원시 목성과 '토성', '천왕성', '해왕성'에서는 분자운의 수소 분자가 대기의 주성분이 되었다. 한편, 원시 지구와 화성, 금성에서는 암석에 포함되어 있던 성분이 대기의 주성분이 되었으리라 생각된다. 원시 지구의 대기에는 '수소 분자(H2)'가 많이 존재했을지도 모른다. 현재 지구 대기에 '수소 분자'가 거의 없는 이유는, 지구 대기의 상층이 고온이기 때문이다. 고온인 '대기의 상층'에서는 '수소 분자'가 '수소 원자'로 나누어져 고속으로 운동해, 지구의 중력을 뿌리치고 우주 공간으로 날아간다. 그 증거로 목성과 토성, 천왕성, 해왕성에서는 지구보다 대기에 포함되어 있다.
4. 수소는 어떻게 발견되었는가?
4-1. 캐번디시의 실험
수소를 최초로 발견한 사람은 영국의 화학자이자 물리학자였던 '헨리 캐번디시(Henry Cavendish, 1731~1810)'이다. 캐번디시는 매우 부유한 귀족이었다. 하지만 지극히 내성적이 성격이어서 사람과의 접촉을 싫어하고, 집 안에 틀어박혀 실험하는 것을 보람으로 삼은 독특한 인물이었다. '헨리 캐번디시'는 금속과 산성 액체를 반응시켰을 때 발생하는 '불타는 공기'를 분리해 그 성질을 자세히 조사하였다. 반응에 사용한 것은 '아연(Zn)'과 '철(Fe)' 등의 금속과 '염산(HCl)'과 '황산(H2SO4)' 등의 수용액이었다. 그리고 '불타는 공기'의 무게가 보통 공기의 11분의 1밖에 안된다는 내용 등을 밝혀냈다. (실제 수소 무게는 공기의 약 14분의 1) 그리고 그 내용을 정리해 1766년에 논문으로 발표했다. 이 '불타는 공기'가 바로 '수소(Hydrogen)'다.
아연을 염산 안에 넣으면, 아연의 표면에서 거품이 나온다. 이 거품은 염산 안에 녹아 있던 '수소 이온(H+)'이 기체 수수가 된 것이다. 아연은 염산 안에서, 표면에 있는 '아연 원자(Zn)'가 전자를 방출하고 '아연 이온(Zn2+)'이되어 녹는다. 아연 원자가 방출한 '수소 이온(H+)'은 아연 표면에서 '수소 원자(H)'가 되고, 수소 원자 2개가 결합해 '수소 분자(H2)'가 된다. 이 수소 분자가 모인 것이 아연을 염산 안에 넣었을 때 나오는 기체인 수소 거품이다.
4-2. '수소'의 의미는 '물을 만드는 것'
'헨리 캐번디시(Henry Cavendish)'가 논문을 발표한 1766년 당시, 물질이 불타는 현상은 물질에서 '플로지스톤(Phlogiston)'이라는 원소가 빠져나감으로써 일어난다고 생각되었다. 예컨대 금속을 태우면, 금속에서 플로지스톤이 빠져나가서 금속의 재가 나중에 남는다고 생각되었다. 그래서 캐번디시는 자신이 분리한 '불타는 공기'가 금속에 포함되어 있던 '플로지스톤'이라고 생각했다. 그리고 캐번디시는 '불타는 공기'와 '탈플로지스톤 공기(산소)'를 섞어서 태우면 물이 생긴다는 사실을 발견하고 1784년에 또 다른 논문을 발표했다.
하지만 프랑스의 화학자 '앙투안 로랑 라부아지에(Antoine Laurent Lavoisier, 1743~1794)'는 플로지스톤설을 부정하고 화학 분야에 혁명을 일으켰다. 라부아지에는 '물질이 불타는 현상은 물질에 공기의 일부 성분이 결합함으로써 일어난다.'고 밝히고, 그 공기의 성분을 1779년에 '산소(Oxygen)'라고 이름 붙였다. 그리고 1789년에는 캐번디시가 발견한 '불타는 공기'를 '수소(Hydrogen)'이라고 이름 붙였다. '물(hydro)'+'-을 만드는 것(-gen)'이므로 Hydrogen은 '물을 만드는 것'이라는 의미이다.
5. 수소의 성질
5-1. 수소는 가장 가벼운 기체
수소는 모든 기체 가운데 가장 가벼운 기체이다. 0℃, 1기압인 경우 수소 1m3의 질량은 단 89.9g밖에 되지 않는다. 같은 부피의 공기의 질량이 1.293kg이며, 수소 다음으로 가벼운 '헬륨(He)'조차 178.5g에 이른다.
그래서 수소는 과거에 대형 비행선을 띄우기 위한 기체로 사용된 적도 있었다. '비행선'은 공기보다 가벼운 기체를 기구에 넣고, 그 부력으로 떠올라 프로펠러 등의 추진 장치를 이용해 나아가는 항공기이다. 비행선은 19세기 중반부터 20세기 초에 걸쳐 개발되었다. 비행선은 '제1차 세계 대전(1914~1918)'에 사용되었고, 독일 체필린사의 '그라프 체펠린(Graf Zeppelin)'호가 1929년에 세계 일주 비행에 성공하는 등 당시 실용적인 항공 수단이 되었다.
5-2. 폭발하기 쉽다.
수소는 거의 어떤 농도에서든 폭발한다. 수소와 공기 혼합체의 경우, 불을 붙여도 수소가 폭발하지 않는 것은 수소가 부피의 약 4% 미만인 저농도이든가 약 75% 이상의 고농도인 경우뿐이다. 약 4~75% 정도 범위의 농도라면 수소는 미세한 열을 가하는 것만으로도 폭발한다.
실용적인 항공 수단으로 자리 잡았던 '항공선'의 시대는 '대폭발 사건'으로 인해 갑자기 끝났다. 1937년 5월 6일, 미국 뉴저지 주에 있는 '레이크허스트(Lakehurst)' 공항에 도착한 체펠린사의 '힌덴부르크호(LZ 129 Hindenburg)'가 계류 작업 중에 원인불명의 대폭발을 일으켜 불타 추락한 것이다. 힌덴부르크호가 도착하기 전까지, 레이크허스트 공항 일대에서는 심한 비와 번개가 치고 있었다. 그래서 '힌덴부르크호의 폭발'은 기체에 생긴 정전기의 불꽃이 기체에서 새어 나온 수소에 인화된 것이 원인이라고 판명되었다. 이 사건으로 인해 수소의 위험성이 전 세계에 알려지면서, 허무하게 비행선의 시대는 끝났다.
6. 수소는 왜 2개가 모여 '분자'를 이룰까?
지구의 대기에 포함된 기체 수소는 일반적으로 수소 원자 2개가 결합하여 '수소 분자(H2)'의 형태로 존재한다. 또 '아연(Zn)'을 '염산(HCl)'에 넣는 실험에서 일어나듯이, 화학 반응으로 발생한 수소 원자도 즉시 2개가 결합해 '수소 분자(H2)'가 된다. 수소 원자는 단독으로 존재하는 것보다 2개가 결합하는 편이 더 안정되기 때문이다.
수소 원자 2개가 결합하면 '전자 궤도(Electron Orbit)'에 전자의 '정원'이 가득 차고 그런 상태가 안정된다. 수소 원자는 'K껍질(K-shell)'이라는 전자껍질의 '1s 궤도'라는 전자 궤도에 전자를 1개 가지고 있다. '1s 궤도'에는 최대 2개의 전자가 들어갈 수 있다. 수소 원자가 2개 결합해 수소 분자가 되면, 2개의 수소 원자는 2개의 전자를 공유한다. 그러면 수소 원자의 전자 궤도는 각각 정원을 가득 채우게 되므로, 수소 원자는 2개가 결합하는 것이 더 안정적이다. 수소 분자처럼 원자가 전자를 공유해 결합하는 결합을 '공유 결합(Covalent Bond)'이라고 한다.
'전자 궤도(Electron Orbit)'에 2개의 전자로 정원이 가득 차는 원자로는 비활성 기체인 '헬륨 원자(He)'가 있다. 헬륨 원자는 원자 1개로 전자 궤도의 정원이 가득 차 있기 때문에, 원자끼리 결합헤 헬륨 분자가 되는 일이 없다.
7. 수소의 화합물
수소는 '수소 분자(H2)'와 '물 분자(H2O)' 다양한 원소와 화합물을 만들 수 있다. 그 이유는 양전기를 띤 양이온도 될 수 있고, 음전기를 띤 음이온도 될 수 있으며, 금속 안에 침입할 수도 있기 때문이다. 수소는 자유자재로 변환하는 원소인 셈이다. 수소는 자유자재로 변환하는 원소인 셈이다.
수소가 다른 원소 한 종류와 만드는 화합물에는 크게 나누어 '이온성 화합물', '금속성 화합물(Metallic Compound), '공유 결합성 화합물(Covalent Compound)'의 세 가지가 있다. 단독의 수소 원자와 수소 분자는 우리 주위에 거의 없다. 하지만 수소는 여러 가지 원소와 화합물을 만듦으로써 우리의 생활을 떠받치고 있다.
아래의 그림은 '수소와 화합물을 만드는 원소'를 주기율표에 표시한 것이다. 각 원소가 수소와 어떤 화합물을 만드는지는 다른 색깔의 선으로 둘러싸서 나타냈다. 선으로 둘러싸지 않는 원소는 수소와의 화합물이 없거나, 어떤 화합물을 만드는지 잘 알려지지 않은 원소들이다.
7-1. 이온성 화합물
수소가 만드는 첫 번째 화합물은 '이온성 화합물(Ionic Compound)'이다. 수소 원자는 '1족의 금속 원소(Li, Na, K, Rb, Cs, Fr)'와 2족의 '칼슘(Ca)', '스트론튬 (Sr)' 바륨(Ba)' '라듐(Ra)'과 결합하면 상대의 전자를 빼앗아 음전기를 띤 수소화 이온(H-)'가 된다. 그리고 전자를 빼앗겨 양전기를 띤 양이온이 된 상대와 전기적인 힘으로 이온 결합을 한다. 예컨대 '수소(H)'와 '리튬(Li)'이 만나면, 수소가 리튬의 전자를 뺏어 '수소화 이온(H-)'과 '리튬 이온(Li+)'이 되고, 결합하여 '수소화리튬(LiH)'이 된다.
7-2. 금속성 화합물
수소가 만드는 두 번째 화합물은 '금속성 화합물(Metallic Compund)'이다. 기체인 수소를 '티타늄(Ti)'과 '팔라듐(Pd)' 등의 금속과 함께 밀폐해 압력을 높이면 '수소 분자(H2)'가 '수소 원자(H)'로 나누어져 금속 안에 침입한다. 수소 원자의 반지름은 0.1nm 이하로 작기 때문에 금속 결정의 틈으로 들어갈 수 있다. 수소가 침입한 금속은 팽창하거나, 성질이 딱딱해지거나 물러진다. 수소와 접촉하는 부품의 내구성이 수소를 이용할 때의 최대 과제이다.
7-3. 공유 결합성 화합물
수소가 만드는 세 번째 화합물은 '공유 결합성 화합물(Covalent Compound)'이다. 수소 원자는 전자를 1개밖에 갖지 않기 때문에 13족~17족의 여러 가지 원소와 전자를 공유하여, '공유 결합성 화합물'을 만든다. 수소 원자는 전자를 1개밖에 갖고 있지 않기 때문에, 여러 가지 원소와 전자를 공유할 수 있다. '모노보레인(BH3)', '메탄(CH4)', '암모니아(NH3)', '물(H2O)', '플루오린화수소(HF)'등은 수소와 원소의 '공유 결합'으로 생긴 '공유 결합성 화합물'이다.
공유 결합성 화합물 가운데 '암모니아(NH3)'는 비료의 원료가 되는 중요합 화합물이다. 그래서 공업용 수소의 용도 가운데 상위권을 차지하는 것이 '암모니아 합성'이다. 한편, 이보다 더 많은 용도는 '석유의 정제'이다. 여러 가지 원소와 공유 결합을 하는 수소의 성질을 이용해 석유에 포함되어 있는 불순물을 수소에 결합시켜 제거하는 것이다.
식사 등에 포함되는 '당질(Glucide)'과 '식이 섬유(Dietary Fiber)'를 통틀어 '탄수화물(Carbohydrate)'이라고 한다. '탄수화물'이란 탄소와 수소의 화합물이라는 의미이다. 즉, 탄수화물이라는 이름은 탄소와 수소를 풍부하게 가지고 있음을 나타낸 것이다.