모든 원자의 근원 수소 3

[박 종춘]

5. 수소의 성질

 5-1. 수소는 모든 기체 가운데 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 궤도에 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 궤도에 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 불술물을 수소에 결합해 제거하는 것이다.
 식사 등에 포함되는 '당질'과 '식이 섬유'를 통틀어 '탄수화물(Carbohydrate)'이라고 한다. '탄수화물'이란 탄소와 수소의 화합물이라는 의미이다. 즉, 탄수화물이라는 이름은 탄소와 수소를 풍부하게 가지고 있음을 나타낸 것이다.