수소(水素 Hydrogen)의 발생과 합리적 이용

[시너먼]

1. 수소(水素 Hydrogen)음성듣기

   주기율표의 첫 번째 자리를 차지하며, 가장 가벼운 원소이고,

우주 질량의 약 75 %를 차지하는 가장 풍부한 원소이다.

수소는 말 그대로 물(H₂O)을 만드는 원소이다.

수소가 만드는 물은 생명계에 필수적이며,

모든 유기화합물에는 수소가 결합되어 있다.

지구상에 존재하는 원소 상태의 수소는 주로 이원자 분자인 H₂ 기체인 반면,

별에서는 주로 플라즈마 상태로 존재한다.

별의 수소는   핵융합반응을 통해 별의 에너지를 제공하는 연료이다.

태양도 수소 핵 융합으로 에너지를 방출하고, 태양에서 나오는 빛으로 식물이 광합성을 하고,

식물은 먹이 사슬을 통해 사람과 동물의 먹거리가 되기 때문에

수소는 모든 생물의 에너지원이라 볼 수도 있다. 태양도 수소 핵 융합으로 에너지를 방출하고,

태양에서 나오는 빛으로 식물이 광합성을 하고,

식물은 먹이 사슬을 통해 사람과 동물의 먹거리가 되기 때문에

수소는 모든 생물의 에너지원이라 볼 수도 있다.

2. 수소연료 

  SI–기관을 수소로 작동시키기 위해서는 수소를 계량하고

이를 부하변화에 일치시키기 위한 특수한 장치를 필요로 한다.

현재의 기술수준으로도 고성능 수소기관을 제작할 수 있다.

수소는 휘발유에 비해 체적발열량이 낮다.

따라서 1회 주행거리를 최대화하기 위해서는

단열이 잘된 탱크에 수소를 액체상태로 저장할 수 있어야 한다.

그러기 위해서는 －250℃의 저온을 유지하여야 한다[표 9-3]

탱크에 저장된 수소는

필터 → 감압기 → 차단밸브와 분배기 → 각 실린더의 분사밸브로 공급된다.

연소는 기본적으로 공기과잉 상태에서 진행된다.

과잉공기가 열을 흡수하도록 하여

연소온도를 낮추므로서 질소산화물의 생성을 억제한다.

수소기관은 유해물질을 거의 생성하지 않는다.

원자번호	1
원소기호	H
원자량	1.00784, 1.00811g/mol
발견자	캐번디시(영국, 1766)
전자배치	1s1
실온상태	기체
녹는점	-259 ℃
끓는점	-253 ℃
밀도	0.0899 g/L
전기음성도	2.20
존재비	우주 75%, 지각 0.15%, 물 11%
산화상태	-1, 1
천연 동위원소 수	3: 1H(99.98%), 2H(0.02%), 3H(극미량)
원소명 어원	[그리스어] hydro(물) gen(만드는 것)
겉보기 및 특성	색, 냄새, 맛이 없는 가장 가벼운 기체. 폭발성. 우주에서 가장 많은 원소.
생산 또는 합성	천연가스의 수증기 변성, 물전기분해, 산과 금속의 반응.
주요 용도	NH3, HCl, CH3OH 등의 합성. 중질유분해. 불포화 화합물의 수소 첨가. 원유 탈황. 금속 산화물 환원. 에너지저장(수소자동차). 생명에 필수인 물과 유기물의 구성 원소

수소의 발견

수소 기체는

16세기 초반에 연금술사들이

강산에 금속을 넣어 처음으로 인공적으로 만들었으며,

17세기에는 보일(Robert Boyle) 등 여러 과학자들이 수소의 가연성을 관찰하였다.

1700년대 후반에 캐번디시

(H. Cavendish)는 수소 기체가 공기 중의 산소와 반응하여 폭발할 때 물이 되는 것을 발견하고는

당시까지 원소라 여겨졌던 물은 화합물이며, 수소가 원소라는 것을 알아냈다.

수소 기체가 공기 중의 산소와 반응하여 폭발할 때 물이 되는 것을 발견하고는

당시까지 원소라 여겨졌던 물은 화합물이며, 수소가 원소라는 것을 알아냈다.

1793년에 라부아지에(A. L. Lavoisier)는

당시 ‘가연성 공기’라 불리던 것을

그리스어로 ‘물을 생성하는 것’이란 뜻으로 ‘hydrogen’이라 부를 것을 제안하여

지금까지 그렇게 부르고 있다.

1855년에는 분광학적으로 태양에서 수소가 검출되었다.

중수소(²₁H, D)는

1932년에 유리(H. C. Urey) 등에 의해 분광학적으로 발견되었으며,

물의 전기분해와 기체 확산방법을 통해 농축된 중수소를 얻는다.

삼중수소(³ ₁H, T)는

1934년에 라더포드(E. Rutherford) 등이

중수소 화합물에 중수소 핵을 충돌시켜 처음 만들었으며,

1950년에는 대기와 빗물에서도 발견되었다.

인공적으로 삼중수소를 만드는 여러 가지 핵반응이 있으나,

대량 생산은 핵 반응로에서 농축된 ⁶ ₃Li을 중성자와 반응시켜 이루어진다.

보다 무거운 수소 원자인 ⁴H ~ ⁷H도

핵반응으로 만들어졌으나,

이들은 아주 불안하며 자연계에서는 발견되지 않았다.

원자 구조와 원자 성질

수소 원자는 원자핵에 하나의 양성자를,

그리고 주위에 한 개의 전자(1s 전자)를 갖고 있다.

바닥 상태의 전자의 에너지는 -13.6 eV (-1310 kJ/mol)이며,

이는 보어(Bohr)의 원자 모형

으로 정확하게 계산되었다.

따라서 수소 원자의 이온화 에너지는 1,310 kJ/mol이다.

수소는 자연에서 3가지 동위원소로 존재한다.

이들은 ¹H, ²H, 그리고 ³H이다.

이중 ¹H가 99.98 % 이상을 차지하며,

원자핵에는 한 개의 양성자만이 있다.

²H는 수소 원자의 0.0156 %를 차지하며,

원자핵은 1개의 중성자도 갖고 있다.

이를 중수소(deuterium)이라 부르며, 보통 D로 나타낸다.

중수소는 방사능을 내지 않는다.

삼중수소(tritium)라 불리는 ³H는

2개의 중성자를 갖고 있으며, 보통 T로 나타낸다.

이 동위원소는 β^- 붕괴를 하여 질량수 3인 헬륨(³He)이 되는데,

반감기는 12.32 년이다.

삼중수소는

자연계에 극미량(수소원자의 1/10¹⁸) 존재하는데,

이는 주로 상층권에서 대기와 우주선(線)의 핵반응으로 생성된다.

보어의 수소 원자 모형. 이 이론은 물리학의 혁신을 불러왔다.
<출처: JabberWok at wikipedia>

단위 무게당 연소열이 가장 큰 수소

원소 형태의 수소는 거의 대부분 이원자 분자 H₂로 존재한다.

H₂ 기체의 해리에너지는 436 kJ/mol 이다.

H₂의 녹는점은 -259 ^oC (14 K)이고, 끓는점은 -253 ^oC (20 K) 로,

헬륨(He) 다음으로 낮다.

0 ^oC, 1기압에서의 기체 밀도는 0.090 g/L로

모든 기체 중에서 가장 가볍고,

녹는점에서의 액체 밀도는 0.07 g/cm³로, 액체 중에서 가장 가볍다.

수소는 산소, 할로겐족 원소 등 모든 산화성 원소와 반응한다.

수소 기체는 가연성이 매우 커서

공기와 4-74 %의 부피비율로 섞여있거나,

염소 기체와 5-95 %의 부피비율로 혼합되어 있으면

전기 스파크, 열, 또는 빛에 의해 폭발한다.

높은 온도(공기 중에서는 약 500 ⁰C 이상)에서는 외부 자극이 없어도 폭발한다.

수소의 연소열은 143 kJ/g으로 단위 무게당 연소열이 가장 크다.

이는 순수 탄소의 33 kJ/g (무연탄은 27 kJ/g),

메탄 기체의 64 kJ/g, 휘발유의 47 kJ/g 보다 월등히 크다.

수소 기체는 많은 희토류 및 전이 금속에 아주 잘 흡수된다.

이 성질은 수소의 정제와 저장에 유용하게 이용되기도 하지만,

수소가 흡수된 금속이 부서지기 쉬워 수소 기체용 배관이나 저장 탱크의 고안에 어려움을 야기한다.

대부분의 원소와 화합물 형성

수소는 대부분의 원소와 화합물을 형성한다.

특히 탄소와 공유결합을 하고 있는 화합물인 탄화수소(hydrocarbon) 등

유기화합물은 수백만 가지나 알려져 있다.

수소는 전기음성도가 큰 원소 (할로겐 원소, O, N, S 등)와 결합한 화합물에서는

부분 양전하를 갖는다.

이러한 수소는 큰 전자밀도를 갖는 원자와 수소결합을 형성한다.

수소결합은 많은 생물 분자의 구조, 화합물의 회합에 큰 영향을 미치는 요소이다.

수소가 F, Cl, Br, I와 같은 할로겐 원소와 결합한 화합물은 물에 녹아 양성자(H+)를

내어놓기 때문에 산으로 작용한다.

또한 탄소, 질소, 유황, 인 등 비금속과 산소가 결합된

옥소산 음이온 (예로 CO₃ ^2-, NO₃ ^-, SO₄ ^2-, PO₄ ^3-)과 수소 이온의 화합물도 산으로 작용한다.

수소는 전기 음성도가 작은,

즉 전기양성도가 큰 금속 원소(M)와 MHx 형태의 이성분 수소화물(hydride)를 만드는데,

LiH, NaH, MgH₂, AlH₃ 등이 그 예이다.

수소화물에서 수소는 부분 음전하를 띠며,

이들 화합물은 수소보다 환원력이 커서

유기화학 반응에서 강력한 환원제로 사용된다.

제조 방법

실험실에서 수소는 보통 아연(Zn)와 같은 금속을 산과 반응시켜 얻는다.

물의 전기분해도 수소를 쉽게 얻을 수 있는 방법이다.

이 방법은

전기 에너지를 화학 에너지(수소 에너지)로 전환시키는 한 방법으로

점차 그 중요성이 더해지고 있는데, 에너지 효율은 약 80-94 % 이다.

수소는 공업적으로 많이 사용된다.

수소 기체는 그 폭발 위험성 때문에 보통 필요한 현장에서 직접 생산된다.

가장 많이 사용되는 방법은

탄화수소와 고온의 수증기를 촉매를 사용하여 반응시키는 것이다.

예로 천연가스인 메탄(CH₄)과 수증기를

1000 ^oC 부근에서 반응시켜 수소를 얻는 반응은 다음과 같다.

석탄을 수증기와 반응시켜 수소를 얻기도 한다.

수소의 산업적 이용

수소를 이용한 비행선 힌덴부르크호 폭발 사건 사진(1937년). 현대의 비행선은 헬륨을 이용하여 폭발로부터 안전하다. <출처: US Navy>

석유 및 화학 공업에서 많은 양의 수소가 사용되고 있는데,

가장 큰 용도는 질소와 반응시켜 암모니아를 얻는 것이다.

다음으로 주요한 용도는

식물성 액체 지방과 반응시켜 고체 지방(예로 마가린)을 생산하는 것이다.

이밖에 일산화탄소와 반응시켜 메틸 알코올을 얻는 데 이용되며,

석유화학에서 중질유의 분해, 탈황 공정에 이용되는 등 용도가 다양하다.

또한 염소(Cl₂)와 반응시켜 염산(HCl)을 얻는 데 쓰이며,

금속 산화물을 환원시키는 데도 이용된다.

반도체 산업에서는

무정형 실리콘이나 탄소를 안정화시키는 데도 이용된다.

수소 기체는 아주 가볍기 때문에

과거에는 비행선이나 기구(氣球)를 띠우는 데 이용되기도 하였으나,

현재는 보다 안전한 헬륨이 사용된다.

화학, 생물학, 공학에서의 이용

보통 수소(¹H)의 원자핵은

핵의 스핀 양자수가 1/2로,

자기장 하에서 두 가지 에너지 상태로 갈라진다.

이 에너지 상태간의 전이는 라디오파의 작용으로 일어나며,

이 원리를 이용한 것이 양성자 핵자기공명(¹H-nmr)이다.

이 현상은 유기화합물의 구조 분석에 아주 유용하게 이용된다.

중수(D₂O)는 핵 반응로에서 중성자 감속제와 냉각제로 사용된다.

또한 수소가 결합된 화합물과 중수소가 결합된 화합물의 반응 속도를 비교하여(동위원소 효과),

반응의 메커니즘을 규명하는 것이 화학과 생물학 연구에서 아주 유용하게 이용된다.

삼중수소(³H, T)는

방사성 동위원소이기 때문에,

화학과 생물학 연구에서 삼중수소가 들어있는 화합물을 합성하여,

이를 표지하고 추적하는데 이용된다.

중수소와 삼중수소는 다음의 핵 융합반응에도 이용된다.

또한 액체 수소는 끓는점이 아주 낮고,

헬륨보다는 값싸게 얻을 수 있기 때문에,

초전도 연구 등 저온 연구에 사용된다.

에너지 운반체로서의 수소 이용

수소에너지, 수소자동차 등

수소를 연료로 사용하는 것이 언론 매체 등에서 빈번하게 언급되고 있다.

실제로 최초로 제작된 내연기관 자동차는

1806년에

스위스에서 제작된 수소를 연료로 하는 것이었다.

그러나 수소는 중수소와 삼중수소를 핵 융합시킬 때를 제외하고는 에너지원이 아니다.

수소는 자연 상태에서 거의 대부분 수소기체가 아닌 수소 화합물로 존재하기 때문에

이를 연료로 사용하기 위해서는

석탄이나 탄화수소와 같은 다른 연료를 사용하거나

물을 전기 분해시켜 얻어야 한다.

이렇게 얻은 수소를 산소와 반응시키면 에너지가 방출되지만,

이때 방출되는 에너지가 수소를 생산하는 데 사용된 에너지보다 클 수가 없기 때문이다.

즉 수소는 전지와 같이 에너지 운반체이지 에너지원은 아니다.

그럼에도 불구하고

수소를 사용하는 에너지 전환에 많은 관심이 주어지는 이유는 크게 두 가지이다.

하나는

수소를 인구가 작은 곳에서 생산하여 도시에서 자동차 등에 사용한다면,

도시의 환경을 쾌적하게 유지할 수 있다는 것이다.

다른 하나는

원자력 발전의 증대로 심야에는 전력 생산이 수요보다 많아지게 되면,

이때 공급 과잉인 전력을 써서 물을 전기분해시켜 수소를 값싸게 얻을 수 있다는 것이다.

수소를 충전 중인 수소자동차. <출처: ORNL>

수소는

무게당 에너지 밀도는 아주 높으나,

쉽게 액화되지 않기 때문에

부피당 에너지 밀도는 다른 연료에 비해 적은 편이다.

따라서 수소를 실용적인 에너지 운반체로 사용하기 위해서는

같은 부피에 많은 양의 수소를 저장할 수 있는 방법의 개발이 필요하다.

수소 기체가 팔라듐(Pd) 등의 금속에 아주 많이 흡수되지만,

이들 금속은 가격이 아주 비싸다.

따라서 값싸고 저장 용량이 큰 금속 또는 합금의 개발이 필요하다.

원자력의 비중이 커질수록

수소에너지의 경제성은 좋아질 것으로 기대하고 있다.

- 박준우 '화학원소'

3. 수소연료 전기 자동차

   많은 전기자동차를 운행하기 위해서는 대규모의 전력시설이 요구가 된다.

이에 따른 추가적인 전력공급 및 생산의 과정이 필요하지만

수소를 이용한 자동차는 궁극의 친환경 자동차로 부상하게 될 것이다.

하지만 촉매제에 대한 난제가 남아있다.

4. 수소결합(hydrogen bond음성듣기 , 水素結合 )

  수소결합은 이온결합의 특수한 형태이다.

모발 단백질에서 수소결합은 아미노산의 산성부위에 있는 수소원자가

다른 아미노산의 산성부위에 있는 산소원자를 끌어당길 때 일어난다.

수소결합은 물이나 열에 의해서 쉽게 깨지게 되고

그래서 분무기로 모발에 물을 뿌리고

셋팅펌을 하거나 열펌을 하게 되면

화학반응이 빨리 일어나 모발의 구조가 쉽게 변한다.

한 개의 수소결합 자체는 약하지만

모발은 많은 수의 수소결합으로 이루어져 있어

이런 수소결합이 모발 전체 강도의 1/3을 담당하고 있다.

여러 개의 원자로 이루어진 분자 내에서는

전하의 분포가 불균등한 경우가 종종 있다.

이러한 일은 결합에 참여한 전자들이

그 분자의 어느 한 쪽으로 치우쳐서 위치하게 되기 때문이다.

이때 분자의 한 쪽은 전기적으로 음성이 되고 다른 쪽은 양성이 된다.

즉 그 분자의 한쪽은 다른 쪽보다 전자를 많이 갖는다.

이와 같이 전하분포가 불균등한 몇 개의 원자들로 이루어진 분자는

어느 한 편이 전기적으로 양성을 나타내고 다른 편은 음성을 나타낸다.

예를 들어, 물 분자는 산소원자가 수소원자로부터 전자를 끌어들여 음전하를 띠는 반면

수소원자는 전자를 잃고 양전자를 띠게 됨으로써 쌍극성(dipolarity)을 나타낸다.

이렇게 쌍극성을 갖는 물 분자는 2개의 물 분자가 접근하면

한 분자의 양전하 부위와 다른 분자의 음전하 부위 사이에 견인력이 작용하여 결합한다.

물 분자의 구조와 물 분자를 이루는 수소결합

이와 같이 두개의 물 분자는 수소를 사이에 두고 결합하게 되는데,

이런 결합을 수소결합(hydrogen bond)이라고 한다.

수소결합으로 이루어진 물 분자들은 서로 분리되지 않으며

분리시키려면 많은 양의 에너지를 사용해야 한다.

이런 사실은 물의 비등점이 비교적 높다는 것으로부터 알 수 있다.

수소결합은 공유결합이나 이온결합에 비하여 결합력이 약한 것이 특징이다.

그러나 모발 단백질이나 DNA 같은 거대분자들의 경우는

분자 내의 양전하 부분과 음전하 부분이 서로 끌어당겨서

결과적으로 분자를 특정한 양식으로 꼬이고 접히게 만든다.

- 류은주, '모발학 사전'