수소 水素 ⠀|⠀Hydrogen / Protium* * : Proton(양성자) + -ium 1. 개요 주기율표에서 1주기 1족에 속하는 원소. 인간이 현재까지 발견한 원소 중 우주에서 가장 풍부하며, 가장 가볍고 간단한 구조를 가진 원자 번호가 가장 작은 원소다. 표준 원자 모형 색은 ‘흰색(White)’ 2. 역사와 어원 이전까지 연소/산화란 플로지스톤이라는 물질이 빠져나오는 것으로 생각하였다. 1766년, 영국의 화학자 헨리 캐번디시는 이 학설에 의심하고, 반대로 연소/산화는 어떠한 물질이 달라붙는 것으로 생각하였다. 그리고 산으로 철을 녹였을 때 '불타는 기체(수소)'가 발생한다는 실험을 선보였다. 하지만 캐번디시가 사교성이 낮은 은둔형 폐인이기도 해서 수소가 원소라는 이 새 학설은 인정받지 못했다. 1783년, 프랑스의 화학자 앙투안 라부아지에가 수학자 피에르시몽 라플라스와 협업하여 수소를 연소시키면 물이 만들어진다는 실험을 선보이고, 이 물질에 hydrogène이라는 이름을 붙이고 처음 원소로 취급한다. hydrogène는 그리스어 ὕδωρ-γεννεν에서 유래된 단어로 물의 근원이라는 의미이다. 자기 학설을 못 퍼뜨린 캐번디시와 달리, 당시 앙투안 라부아지에는 파리 과학 아카데미 이사였기 때문에 새 학설이 과학계에 크게 논쟁을 일으킨다. 영국의 조지프 프리스틀리는 이러한 프랑스에서의 움직임을 '탈 플로지스톤 공기가 곧 수소'라고 요약해 영국 왕립학회에 발표하였다. 영어로도 물의 근원이라는 뜻을 담아, hydrogen으로 번역되었다. 1784년, 영국과 프랑스가 경쟁적으로 기존 학설을 뒤집는 이 새로운 학설을 실험한다. 영국의 헨리 캐번디시는 앙투안 라부아지에가 했던 실험인 물이 화학적으로 산소와 수소의 결합이라는 실험을 선보인다. 프랑스의 앙투안 라부아지에도 캐번디시가 했던 실험인 산화납을 납으로 환원하면서 나오는 기체가 산소라는 실험을 선보인다. 1789년, 앙투안 라부아지에는 '화학 원론'을 발간하여, 연소, 산화, 호흡, 발효가 모두 같은 것이며, 산과 염기, 그리고 실험에 대하여 종합하였다. 이후 수소는 독일에서 "wasser" stoff, 러시아에서 "водо"род, 그리고 일본에서 "水" 素라고 번역되었다. 수소는 한자 그대로 '물의 근원'이라는 의미가 있다. 한국 역시 이 수소라는 표현을 그대로 들여와 사용한다. 중국은 같은 한자 문화권임에도 水素가 아닌 氫(수소 경, 간체자는 氢)이라는 표현을 쓰고 있으며 물의 근원이라는 의미도 없다. 상온에서 기체이므로 气(기운 기) 부수를 쓰고, 가벼운 원소라는 뜻에서 輕(가벼울 경)의 성부를 따왔다 양성자가 1개인 수소만을 나타낼 때는 따로 氕라는 글자를 쓴다. 3. 화학적 성질 3.1. 구성 양성자 1개에 중성자가 0~6개로 구성된 핵과 전자 1개로 되어 있다. 자연 상태의 수소 대부분(성분비 99.9885%)은 중성자가 없는 경수소이며, 중성자를 1개 포함하는 중수소, 중성자를 2개 포함하는 미량의 삼중수소가 나머지를 차지한다. 인공적으로 중성자 3개 이상을 포함하는 수소를 만들 수 있고, 무려 7중 수소(양성자 1+중성자 6)까지 있으나 모두 반감기가 10~21초 미만으로 짧아 이른 시간 안에 붕괴를 통해 다른 원소가 되어 버린다. 삼중수소도 방사성 동위원소지만 반감기가 10년 이상이라 자연 상태에서도 존재할 수 있다. 참고로 중수소(deuterium)와 삼중수소(tritium)는 동위원소이지만 핵융합 반응식이나 방사성 동위원소의 연구에 자주 쓰이는 만큼, 2H, 3H처럼 첨자를 일일이 붙여 쓰는 게 번거로워서 각각 독자적인 명칭에서 유래한 표기 D, T가 확립되어있고 IUPAC(International Union of Pure and Applied Chemistry)에서도 허용하고 있다. 원래 방사능 연구 초기엔 다른 원소 또한 우후죽순처럼 생겼으나 현재 용인되는 건 이 둘뿐이다. 이 둘과 구분하기 위해 질량수가 1인 수소는 경수소(protium)라고 하며 같은 이유로 각 동위원소의 이온 역시 별개의 명칭이 붙어있다. 전자가 2개까지 들어갈 수 있는 주기율표의 1주기에서 전자 1개를 가지고 있으므로 똑같이 원자가 전자가 1개인 알칼리 금속(나트륨, 칼륨 등) 또는 가장 바깥 궤도를 채우는 데 필요한 전자가 1개인 할로겐(플루오린, 염소, 아이오딘 등)과 비슷한 화학적 성질을 보인다. 이렇게 전혀 성질이 다른 두 종류의 원소들과 성질이 비슷하므로 일단 주기율표상에는 1족에 넣는 때도 있고, 17족에 넣는 때도 있고, 두족에 모두 넣는 때도 있다. 탄소가 있는 14족(이것은 전자 궤도가 절반만 차 있다는 이유)에 집어넣는 예도 있는 모양이지만 주기율표상에서 이 위치에 넣는 경우는 드물다. 대부분은 수소를 1족에 넣지만, 특별 취급하고, 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 네모 칸이 혼자 따로 떨어져 나와 있으면 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 깨져서 양성자와 전자 따로 돌아다니는 상태가 되는데, 이때를 금속의 자유전자 바다 상태와 같다고 해서 금속 수소라고 부른다. 이것이 자전하여 목성의 자기장을 생성한다. 일상에서 볼 수 있는 금속의 특성(금속광택, 전성/연성, 열전도율 등)을 금속 수소가 만족시킬 것으로 예측했는데, 미국 하버드 대학에서 영하 267도 정도의 극저온에서 465만∼495만 기압을 가해[11] 실험실 내에서 처음으로 금속 수소 만드는 데 성공했다고 보고했다. 기사에 따르면 초고압으로 압축된 수소에서 금속광택이 나는 것을 보고 금속 수소가 만들어진 것을 알아챘다고 한다. 그러나 실험 특성상 극히 짧은 순간에만 존재할 수 있는 존재였기 때문에 제대로 된 검증을 하기도 전에 금속 수소 샘플이 소실되면서 이들이 정말 금속 수소 생성에 성공한 것인지는 불분명해졌다. 금속 수소는 고압 환경에서 생성되는 다른 동소체인 다이아몬드와 같이 압력을 풀어도 그 성질을 유지할 것으로 예측된다.
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