수소

3. 화학적 성질

수소는 현재 주기율표에서 가장 바깥쪽 껍질에 전자를 하나 가진 리튬 위에 배열한다. 하지만 수소는 알칼리 금속들이 위치해있는 1족 원소치고는 화학적 성질이 할로젠 원소들과 여러 면에서 더 비슷하기 때문에, IUPAC에서는 수소를 17족으로 옮겨야 한다고 주장하기도 한다.

3. 1. 연소

3. 2. 반응성

3. 3. 산으로서의 작용

4. 물리적 성질

대기압에서 수소(H)의 열적 및 물리적 특성은 다음과 같다.^[73][74]

4. 1. 상 (Phases)

• 기체 수소
• 액체 수소
• 슬러시 수소
• 고체 수소
• 금속 수소
• 플라스마 수소

4. 2. 전자 에너지 준위

4. 3. 스핀 이성질체

5. 동위원소

수소는 자연에서 발견되는 세 가지 동위원소(¹H, ²H, ³H)를 가진다. 이 외에도 매우 불안정한 동위원소들(⁴H, ⁵H, ⁶H, ⁷H)이 실험실에서 합성되었지만, 자연에서는 발견되지 않는다.^[222][223]

• '''¹H''' (경수소, 프로튬): 가장 흔한 수소 동위원소로, 자연에 존재하는 수소의 99.98% 이상을 차지한다. 원자핵은 양성자 하나로만 구성되어 있으며, 중성자가 없는 유일한 안정 동위원소이다.^[224]

• '''²H''' (중수소, 듀테륨, D): 원자핵이 양성자 하나와 중성자 하나로 이루어져 있다. 대폭발 때 생성되어 현재까지 남아있는 것으로 추정된다. 방사성을 띠지 않으며, 독성 위험도 크지 않다. 중수소와 그 화합물은 화학 실험에서 방사능을 띠지 않는 표지나 ¹H-NMR 분광법의 용매^[225], 상업적 핵융합의 잠재적 연료^[226]로 사용된다. 중수소가 많이 포함된 물은 중수라고 불리며, 중성자 감속재나 원자로 용매로 사용된다.

• '''³H''' (삼중수소, 트리튬, T): 원자핵이 양성자 하나와 중성자 두 개로 이루어져 있다. 방사성 동위원소로, 12.32년의 반감기를 가지는 베타 붕괴를 통해 ³He (헬륨-3)으로 붕괴된다. 우주선과 대기의 상호작용으로 자연에서 소량 생성되며, 핵무기 실험에서 방출되기도 한다.^[227] 핵융합 반응^[228], 동위원소 지구화학에서 추적자^[229], 자체 발전 조명 장치, 방사성 표지자 등으로 사용된다.

6. 분포

수소(H)는 우주에서 가장 풍부한 화학 원소로, 일반 물질의 75%를 질량으로, 원자 수로는 90% 이상을 차지한다.^[96] 하지만 우주의 대부분 질량은 화학 원소 형태가 아닌, 암흑 물질과 암흑 에너지와 같은 질량 형태로 존재하는 것으로 추정된다.^[96]

수소는 별과 가스 행성에 풍부하게 존재한다. 수소 분자 구름()은 항성 생성과 관련이 있다. 수소는 태양 질량의 약 1배 이하의 별에서는 양성자-양성자 반응을 통해, 태양보다 질량이 큰 별에서는 CNO 순환 핵융합을 통해 별의 에너지 생성에 중요한 역할을 한다.^[97]

7. 수소 화합물

수소는 다양한 원소와 결합하여 화합물을 형성한다. 전기음성도가 더 큰 원소와 결합하면 부분적인 양전하를 띠게 되며, 특히 플루오린, 산소, 질소와 결합할 때는 수소 결합을 형성하여 생체 분자의 안정성에 중요한 역할을 한다.^[40][41]

수소 화합물은 종종 수소화물이라고 불리며, 수소가 음이온 특성을 갖는 경우(H^-)에 사용된다. 길버트 N. 루이스가 제안한 수소화물 음이온의 존재는 1920년 용융 수소화리튬(LiH)의 전기분해를 통해 증명되었다.^[50] 수소화물은 13족 원소, 특히 보란(보론 수소화물)과 알루미늄 착물에서 가교 리간드 역할을 한다.^[102]

• 메탄: CH₄
• 에탄올: C₂H₅OH
• 벤젠: C₆H₆

7. 1. 공유 결합 화합물과 유기 화합물

• 메탄: CH₄
• 에탄올: C₂H₅OH
• 벤젠: C₆H₆

7. 2. 수소화물 (Hydrides)

7. 3. 양성자와 산

8. 수소 생산

수소(H₂) 생산에는 여러 방법이 있지만, 상업적으로는 수증기 개질(종종 수성 가스 전환 반응과 결합), 탄화수소의 부분 산화, 물 전기 분해의 세 가지 방법이 주를 이룬다.^[128]

9. 용도

• 수소화를 통해 암모니아 등의 화합물을 합성할 수 있다.^[253]
• 삼중수소는 비정형 실리콘 및 탄소의 깨진 결합을 안정화하고 금속 적합성을 높이는 데 사용된다. 또한, 특정 산화 금속(ZnO, SnO₂, CdO, MgO, ZrO₂, HfO₂, La₂O₃, Y₂O₃, TiO₂, SrTiO₃, LaAlO₃, SiO₂, Al₂O₃, ZrSiO₄, HfSiO₄,SrZrO₃)에 전자쌍을 제공한다.^[254]
• 전기, 유리, 광섬유, 조명 공업, 항공기 부품 검사 등에 사용된다.
• 로켓, 잠수함 추진제, 제철소, 철 구조물, 알루미늄 용접, 태양열 발전기, 수소연료자동차, 수소연료전지에 사용된다.
• 핵무기에 사용된다.

9. 1. 산업 분야

• 환원제: 금속 광석(산화물)의 환원,^[253] 니트로벤젠을 환원하여 아닐린 생산, 나일론 66 생산에서 벤젠의 촉매 환원, 일산화탄소를 환원하는 메틸알코올 합성 등에 사용된다.
• 연료: 연소해도 물 이외의 배출물(미립자상 물질이나 이산화탄소 등의 배기가스)을 내지 않기 때문에 대체에너지로 기대되고 있다. 단, 연소 조건에 따라 질소산화물이 생성되는 것은 불가피하다. 내연기관 연료로 수소연료엔진을 탑재한 수소자동차가 판매되고 있으며, 로켓 연료나 연료전지에도 사용된다. 주로 연료전지자동차용 "수소 스테이션" 설치가 시작되고 있다.^[191] 피닌파리나 H2 스피드와 같은 스포츠카에도 사용된다.
• 식품첨가물^[192][193]
• 부양 가스: 1 L의 수소를 채운 풍선은 1.2 g의 질량을 부양시킨다. 이 성질 때문에 기구나 비행선 등에 사용되었지만, 힌덴부르크호 폭발 사고 이후, 위험성이 적은 헬륨으로 대체되었다. 참고로, 이 사고의 직접적인 원인은 외피의 도료에 인화된 것으로 여겨진다.
• 냉각제: 액체 수소는 초전도 현상을 포함한 저온학 조사에 사용된다. 또 일부 발전소에서는 수소 가스를 냉각 매체로 사용하는 발전기도 있다. 이는 공기보다 열전도율이 7배 높고 풍손이 적기 때문이다. 수소 가스가 새지 않도록 수소 가스 압력보다 높은 압력의 기름을 흘려 차폐해야 하는 작업이 발생한다.
• 세척: 공업 분야에서는 반도체의 세척은 RCA 세척이 주류이며, 암모니아나 불화수소산이 사용되지만, 그 대체로 수소를 물에 녹인 수용액은 폐수 처리 면에서 환경 부하가 낮고, 반도체 기판 표면의 미립자 제거·세척에 사용된다.
• 용접: 수소 분자를 일단 2개의 수소 원자로 해리시켜, 그것을 재결합시키면 다량의 열을 발생한다. 이것을 이용한 금속 용접법이 있다.
• 기타: 테크니컬 다이빙이나 군대 등에서 심해 잠수 시 사용이 시도되었지만, 동시에 산소도 사용하기 때문에 폭발 가능성이 사용 중에 상존하는 등 위험하기 때문에 사용되지 않는다. 표준수소전극이 표준전극전위의 기준으로 사용되고 있다.
• 삼중수소는 금속 물질을 안정화시키는 물질로, 비정형 실리콘과 비정형 탄소의 깨진 ("dangling") 결합의 안정화와 금속 적합성을 늘리는 데 사용된다. 그리고 이것은 특정 경우에서 전자쌍을 주는 물질로서 다양한 산화 금속(ZnO, SnO₂, CdO, MgO, ZrO₂, HfO₂, La₂O₃, Y₂O₃, TiO₂, SrTiO₃, LaAlO₃, SiO₂, Al₂O₃, ZrSiO₄, HfSiO₄,SrZrO₃)에게 전자쌍을 내어준다.^[254]
• 전기공업, 유리공업에 사용된다.
• 광섬유, 조명공업에 사용된다.
• 수소연료전지에 사용된다.
• 항공기 부품검사에 사용된다.

9. 2. 에너지 분야

• 수소 연료 전지: 수소와 산소의 화학 반응을 통해 전기를 생산한다. 수소차, 건물용 연료 전지 등에 사용된다.

• 수소 엔진: 수소를 직접 연소시켜 동력을 발생시킨다. 수소차, 로켓 연료 등에 사용된다.
• 수소 터빈: 수소 연소를 통해 발전한다.
• 에너지 저장: 잉여 전력을 이용해 수소를 생산, 저장 후 필요시 연료 전지 등을 통해 다시 전기 생산한다. 수소는 변동 재생 에너지가 과잉일 때 생산되어 저장되었다가 열을 발생시키거나 전기를 재생산하는 데 사용될 수 있다.^[138]

• 장거리 에너지 수송: 전력망 대신 수소 파이프라인 등을 이용한 에너지 수송한다.

9. 3. 기타

• 냉각제: 액체 수소는 초전도 현상을 포함한 저온학 조사에 사용된다. 일부 발전소에서는 공기보다 열전도율이 7배 높고^[253] 풍손이 적은 수소 가스를 냉각 매체로 사용하기도 한다.
• 부양 가스: 1L의 수소를 채운 풍선은 1.2g의 질량을 부양시킨다^[253]. 이 성질 때문에 기구나 비행선 등에 사용되었지만, 힌덴부르크호 폭발 사고 이후, 위험성이 적은 헬륨으로 대체되었다.
• 극저온 연구: 액체 수소는 초전도 현상을 포함한 저온학 조사에 사용된다.
• 핵융합 연료: 중수소와 삼중수소는 핵융합 연료로 사용된다.
• 동위원소 표지: 수소의 동위원소는 화학 및 생물학 연구에서 표지로 사용된다.
• 우주 개발: 로켓 연료나 연료전지에도 사용된다. 우주왕복선의 주 엔진에는 1회 발사에 1500000L의 액체 수소가 사용된다.

10. 수소 에너지와 관련된 논란

수소 에너지는 친환경적인 에너지원으로 주목받고 있지만, 생산 과정과 인프라 구축에 있어 여러 논란이 존재한다.

수소 생산 방식은 다양하며, 각 방식에 따라 환경에 미치는 영향이 다르다. 천연가스를 이용한 수증기 개질 방식은 이산화탄소 배출 문제가 있으며, 탄소 포집·활용·저장 기술(CCUS) 기술을 적용한 블루 수소나 재생 에너지를 이용한 그린 수소 등 다양한 생산 방식이 연구되고 있다.^{[188][189][190]}

수소 저장 및 운송에는 기술적인 어려움이 따른다. 수소는 폭발 위험성이 높고, 원자 크기가 작아 저장 용기를 통과하거나 약화시킬 수 있다. 고압 압축이나 액화 방식, 수소 흡장 합금을 이용한 저장 방식 등이 연구되고 있지만, 각각의 방식은 여전히 해결해야 할 과제를 안고 있다.

10. 1. 생산 과정에서의 환경 문제

10. 2. 수소 인프라 구축 문제

11. 안전 및 주의사항

수소는 급격히 불에 타는 과민성 연료이다. 수소 기체는 공기 중에서 4~74%의 농도일 때 강한 폭발성을 띤다. 혼합물은 자연스레 불꽃, 열 또는 태양광에 의해 폭발하며, 자연발화 온도는 대략 500°C이다.^[218] 순수한 수소-산소 불꽃은 자외선과 맨눈으로는 거의 볼 수 없는 매우 밝은 빛을 방출한다. 때문에 수소 가스의 누출을 감지하기 위해서는 불꽃 감지기가 필요하다.

수소는 공기와 섞일 경우 폭발 및 화재의 위험이 있다.^[246] 하지만, 수소는 원자번호 1번으로 공기보다 14배 가벼운 기체이기 때문에 공기 중에 누출될 시 매우 급속도로 확산되며, 점화 온도(약 500°C)가 높아 자연적으로 발화하는 경우는 매우 드물다.^[247][248] 액체 수소는 극저온 유체이므로 피부와 접촉하면 동상에 걸릴 수 있다.^[249]

수소는 또한 금속재료에 흡수되어 수소 취성(Hydrogen Embrittlement , 水素脆化)을 일으키는 특성이 있다. 따라서 수소가 누출되면 수소 취성이 일어나거나,^[250] 균열이 가거나, 심할 경우에는 폭발할 가능성도 있다.^[251] 외부 공기와 접촉하게 된 수소 기체는 산소 등이 존재할 경우 폭발할 수 있는데, 이때 일어난 화재는 매우 뜨겁고 거의 보이지 않아 우연치 않게 화상을 입을 수도 있다.^[252]

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