수소(水素 hydrogen)가 무엇인가?
1. 원소 주기율표의 첫 번째 자리에 있는 원소
2. 가장 가벼운 원소
3. 질량 비로 우주의 약 75 %, 지각의 약 0.15%, 바닷물의 10.82%, 인체의 약 63%를 차지하는, 가장 풍부한 원소
4. 물(H2O), 천연가스, 유기화합물을 구성하는 원소
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.
▷ 플라즈마(Plasma)
초고온에서 음전하를 가진 전자와 양전하를 띤 이온으로 분리된 기체 상태.
별의 수소는 핵융합 반응을 통해 별의 에너지를 제공하는 연료다.
태양 역시 수소 핵 융합으로 에너지를 방출하고, 태양에서 나오는 빛으로 식물이 광합성을 하며, 식물은 먹이 사슬을 통해 사람과 동물의 먹거리가 되기 때문에 결과적으로 수소는 모든 생물의 에너지원이라고 할 수 있다. 태양은 거대한 수소 덩어리이며, 수소 핵융합을 통해 모든 생명에 에너지를 공급하는 것이다.
수소의 특징
수소를 뜻하는 hydrogen의 어원은 그리스어로 물(hydro)을 만들어 내는 것(gen)이라는 뜻이다.
○ 표준 원자량 : 1.008 (g/mol)
○ 발견 : 1766년 영국의 화학자 캐번디시(Cavendish, Henry 1731~1810)
○ 상태 : 무색•무미•무취의 2원자 분자(2H) (1기압의 상온 기준)
○ 밀도 : 0.08966 g/L (1기압, 0°C 기준)
○ 녹는점 : -259.16°C (13.99K) (1기압 기준)
○ 주요 동위원소 : ¹H(Hydrogen, 99.98%), ²H(Deuterium , 0.02%), ³H(Tritium, 극미량)
○ 단위 무게 당 연소열이 가장 큰 원소
○ 대부분의 원소와 화합물 형성
수소의 주요 용도
1. 공업적 용도
○ 암모니아, 염산, 메틸 알코올 등 합성
○ 액체지방의 고체화
○ 원유의 탈황
○ 수소 연료 전지(에너지 운반체)
○ 냉각제(²H₂O=D₂O는 원자로에서 냉각제와 중성자 감속제로, ³H=T는 방사능 추적자로 사용)
2. 의학적 용도
○ 인체 독성 활성산소(Hydroxy Radical)환원, 제거
수소핵융합반응(水素核融合反應 hydrogen nuclear fusion reaction)
수소핵융합반응이란 수소원자 네 개가 헬륨원자 하나로 융합하면서 많은 에너지를 방출하는 반응을 말하는데, 수소핵융합반응으로 고온·고밀도의 별 내부에서 에너지를 생성하는 역할을 한다.
태양과 같은 별에서 나오는 빛과 열에너지는 별 내부의 원자핵이 서로 융합하면서 발생한다. 고온·고밀도인 별의 내부에서 가벼운 원자핵은 충돌을 통하여 더 무거운 핵으로 합쳐지면서 많은 에너지를 방출한다. 이때 별의 내부 온도가 2×107K보다 낮은 경우, 대표적으로 양성자-양성자 연쇄반응, 즉 수소핵융합반응이 일어난다.
수소핵융합반응은 1개의 양성자로 이루어진 수소원자핵(1H) 2개가 연쇄반응을 거쳐 2개의 양성자와 2개의 중성자로 이루어진 헬륨원자핵(4He) 1개가 되는 과정이다.
현재 태양의 표면온도는 약 6,000K°C 이고 내부는 1,600만K°C 로, 이 모든 에너지가 수소핵융합과정에 의해 만들어진다. 이렇게 발생하는 에너지를 핵에너지라고하며 이런 원리를 이용하여 만든 무기가 바로 수소핵폭탄이다.
