수소(hydrogen)의 종류

수소 • 중수소 •  3중수소

 

 

 

수소는 인간이 밝혀 낸 우주물질의 75%를 차지하고 있으며 수소는 생명의 탄생 및 생명활동에 직접 연관이 있는 생명의 원소다.

수소는 인체의 63%를 구성하고 있으며, 다른 모든 원소와 반응하기 때문에 인체 역시 수소에 의해 만들어지고 유지된다고 해도 과언이 아니다.

적정한 수소의 비율과 정상적인 수소의 기능을 알고 유지시키는 것은 인체의 항상성과 건강을 유지하는 가장 기본적이면서 효과적인 방법이다.

 

우주수소의 동위원소 중에서 질량수 1인 것을 경수소(프로튬 또는 H), 그 밖 의 것을 무거운 수소, 즉 중수소라고 한다.

보통은 질량수 2(중성자1+양성자1)인 것을 중수소 또는 듀테륨(D 또는 ²H)이라 하고, 질량수 3(중성자2+양성자1)인 것을 삼중수소 또는 트리튬(T 또는 ³H)이라고 하는 경우가 많다. 3중수소는 (경)수소 및 중수소와 달리 베타 방사선을 방출하는 방사능 물질이다.

 

 

 

수소(hydrogen 水素 Wasserstoff)

 

 

 

원소기호 : H

원자 번호 : 1

원자량 : 1.0080

동위 원소의 질량수(존재비 또는 붕괴 형식) : 1(99.9849~99.9861%=H), 2(0.0139~0.0151%=²H or D), 3(β-=³H or T)

질량수 2의 동위 원소는 특히 듀테륨(중수소 deuterium, 분자식:H₂)이라고 한다. 이에 대하여 질량수가 1인 것을 프로튬(Protium), 질량수 3인 것을 트리튬(Tritium)이라고 하여 구별하는 경우가 있다.

1766년 H. Cavendish가 비로소 물질로 확인하고, 공기 중에서 연소하면 단지 물만이 생기는 것 역시 Cavendish가 1781년 증명하였다.

이에 프랑스어 hydrogène(물을 만든다는 의미)이라는 말은 A.L. Lavoisier가 1783년 명명하였다.

 

 

 

 

중수소 (Heavy hydrogen , Deuterium)

 

 

 

중수소는 수소의 동위원소(isotope)중 하나로 양성자(proton) 1개와 중성자(neutron) 1개로 이루어진 중양성자(deuteron)를 원자핵(nucleus)으로 가지는 원소로서, 수소-2라고도 한다. 영어 용어인 deuterium(듀테륨)은 두 번째를 뜻하는 그리스어 'δεύτερος(deuteros)'로부터 유래한 것이다.

원소기호는 D 또는²H로 쓸 수도 있다.

 

▷ 동위원소란 핵(nucleus)을 이루는 중성자(neutron)의 수는 다르지만 양성자(proton)의 수는 같아서 원자번호가 같고 화학적 성질도 같은 원소를 부르는 말이다. 주기율표에서 같은(동) 위치에 있는 원소라는 뜻이다.

▷ 양성자는 중성자(neutron)와 함께 핵(nucleus)을 이루고 있는 핵자(nucleon)의 하나이다. 영어 용어인 proton에서 ‘proto’는 그리스어로 ‘첫 번째’라는 뜻으로 이것을 직역하면 ‘으뜸입자'라는 뜻이고 이 용어가 처음 만들어졌을 때에는 ‘핵을 이루는 기본입자’라는 것을 강조한 것인데 이것이 한자권 국가들에서 한자로 된 용어를 정할 때 ‘양의 전하를 띤 핵자’라는 뜻을 강조하여 양성자로 불리게 된 것이다. 거의 같은 성질을 가진 '전하를 띠지 않은 핵자'인 중성자와 대비하여 정해진 이름이다.

수소원자의 원자핵이 바로 양성자이며 다른 원자핵 안에도 양성자가 들어 있다는 사실은 러더퍼드(E. Rutherford, 1871-1937)가 처음으로 발견하였다. 원자핵에 있는 양성자의 수가 원소의 원자번호이며 중성원자에 있는 전자의 수와 같다.

 

양성자 1개를 핵으로 가지는 수소의 동위원소 1H는 수소-1 또는 프로튬(protium)이라 하고, 양성자 1개와 중성자 2개로 이루어진 핵을 가지는 수소의 동위원소 3H는 T로도 적으며 삼중수소 또는 수소-3 또는 트리튬(tritium)이라고 한다. 지구에서 1H와 D이 존재비율은 약 6000:1이다.

 

수소(수소-1)의 핵인 양성자와 중수소(수소-2)의 핵인 중양성자는 단순히 질량이 2배 차이가 날 뿐 아니라 각각 스핀이 1/2과 1로서 페르미온(fermion)과 보손(boson)이라는 점에서 물리적으로 완전히 다른 성질을 가진다.

 

▷ 중양성자는 양성자(proton) 1개와 중성자(neutron)가 결합하여 만든 핵(nucleus)으로 수소의 동위원소 중 하나인 중수소(deuterium)의 핵이다.

 

스핀이 다르기 때문에 둘 다 전하량은  이지만 자기쌍극자모멘트(magnetic dipole moment)도 달라서 핵자기공명(NMR, nuclear magnetic resonance) 스펙트럼에서 서로 다른 모양으로 나타난다. 이를 이용하여 화합물에서 불안정한 수소기의 위치를 알아낼 수 있다. 화합물의 불안정한 수소기는 물에 들어 가면 H+로 떨어져 나오는데 물속에 약간의 중수를 섞어 놓으면 이것이 D+로 치환될 수 있다. 1H보다 D가, D보다 T가 결합력이 더 강하다. 치환된 D는 1H의 NMR 스펙트럼을 보여주지 않기 때문에 어떤 위치에서 치환이 일어났는지를 알려준다.

 

수소와 중수소의 원자스펙트럼은 각각의 핵의 질량 차이가 반영되어 약간 달라진다. 수소 원자와 중수소 원자에서 핵-전자 계의 환산 질량(reduced mass)은 각각

 

수소 원자와 중수소 원자에서 핵-전자 계의 환산 질량(reduced mass)

 

 

로 전자의 질량과 핵의 질량의 비율, 즉 0.511/938.27 ~ 0.0005446과 0.511/1875.62 ~ 0.0002724 만큼씩 작아지므로, 중수소 원자의 환산질량이 수소의 환산질량보다 0.03%만큼 더 커진다. 이에 따라 중소수 원자의 에너지준위는 수소 원자에 비해 그만큼 낮아지고 중수소에서 나오는 빛은 수소 원자에 비해 약간 파란색 쪽으로 이동한 것처럼 나타난다. 비록 0.03%의 차이이지만 적외선 영역에서는 파장의 차이가 감지된다.

 

▷ 원자 스펙트럼(Atomic spectrum , Atomic spectra) 원자는 물질의 궁극적인 기본 단위가 아니라, 더 작은 단위(미립자=소립자=전자, 양성자, 중성자)가 모여 구조를 가지고 있다. 이 가운데 전자가 전이(transition)하면서 특정한 파장의 빛을 방출하거나 흡수하는데 이들의 모임을 원자스펙트럼이라고 한다.

▷ 에너지준위(Energy level) 원자, 분자 혹은 고체 물질 등과 같이 양자역학적 계에서 형성된 전자들이 존재할 수 있는 양자화된 상태들이 가지는 에너지 값이다.

▷ 양자역학(Quantum mechanics) 물리 대상의 운동과 상호작용을 기술하는 체계로서, 빛과 물질이 가진 입자의 성질이나 파동의 성질을 잘 조화하여 상보적으로 기술한다. 원래는 20세기에 이르러 복사(radiation) 현상이나 원자의 안정성과 같은 원자 크기 이하의 현상을 설명하기 위하여 확립된 이론 체계이다. 그러나 양자역학은 작은 크기의 현상에 국한되지 않고 모든 현상을 기술하는 보편적인 체계라는 것이 밝혀지고 있다.

 

분자에 결합되어 있는 수소가 중수소로 바뀌면 분자의 물리적인 성질이 달라진다. 일반적인 물 H2O의 어는점과 끓는점이 0.00°C와 100.0°C인데 중수(heavy water) D2O는 3.82°와 101.4°C로 조금씩 높다. 이것은 D2O의 분자량 20.0276 g·mol-1이 H2O의 분자량 18.01528 g·mol-1보다 약 11% 더 무겁다는 것으로 어느 정도 설명이 된다.

 

▷ 분자량(Molecular weight) 분자량은 분자의 질량이다. 분자 질량이라고도 부른다. 이 양은 분자를 구성하는 원자들의 원자량(atomic weight)의 합으로 구한다.

 

중수소는 방사성물질(radioactive substance)은 아니기 때문에 방사능(radioactivity)의 문제는 없으며, 어느 정도까지는 중수를 마셨다고 해도 심각한 문제가 발생하지는 않는다.

75 kg인 사람의 몸에는 약 50 kg의 물이 있으며 이 물의 약 1/6000인 10 g 정도는 중수이다. 하지만 중수의 비율이 높아지면 생물에는 여러 영향이 나타나고 때로는 심각할 수도 있다.

 

중수는 단세포생물부터 포유류까지 거의 모든 생물의 생체리듬을 느리게 만든다. 아직 그 이유는 규명되지 않고 있다.

생쥐나 개는 몸 속에 있는 물의 25%가 중수이면 불임이 되고, 50%정도가 되면 일주일 정도밖에 살지 못한다. 90%의 중수를 포함한 물에서 물고기와 올챙이는 곧바로 죽는다.

 

중수는 원자로(nuclear reactor)에서 중성자를 감속하는 데 매우 효율적이다. 일반적인 물은 중성자를 흡수하기 때문에 연쇄반응이 일어나도록 하기 위해서는 우라늄-235와 우라늄-238의 비율을 4%정도로 높인 농축우라늄을 사용해야 한다. 중수를 감속재로 사용하는 원자로에서는 0.7%의 우라늄-235를 포함하고 있는 천연우라늄을 연료로 사용할 수 있다.

 

▷ 감속재(Moderator) 원자로에서 핵분열로 방출되는 고속 중성자를 감속시켜 핵분열 확률을 높이고 연쇄반응을 지속시키기 위해 사용하는 물질로, 원자로 구조의 주요 부분 중 하나이다. 중성자가 핵연료 원자핵에 포획된 후 핵분열이 일어나는 확률은 중성자 에너지가 낮을수록 더 높은 경향을 보인다.

 

 

 

3중수소(Dwuterium)

 

 

 

삼중수소(三重水素 , tritium)도 역시 수소의 동위원소 중 하나로써 원소기호는 T 또는 ³H다.

1개의 양성자와 2개의 중성자로 이루어진 삼중수소의 핵은 보통 수소(경수소) 핵질량의 3배이며, 반감기가 12.5년인 방사성 물질이다.

 

삼중수소는 천연에서 산출되며, 자연계에서 가스 형태보다는 삼중수소화된 물 또는 수증기 형태로 존재한다.

자연에 존재하는 모든 종류의 수소 중 보통의 수소가 차지하는 비율은 약 99.983%이고, 극히 일부분인 0.015%만이 중수소(²H, D)가 차지하고 있으며, 삼중수소가 차지하는 비율은 극히 적어 무시할 수 있을 정도다.

하지만 삼중수소가 중요한 것은 원자력발전소 등에서 원자로를 운전하는 경우에 인위적으로 대량 생산되고, 수소나 중수소와 달리 베타선이라는 방사선을 방출하기 때문이다.

 

1934년 물리학자 러더퍼드, 올리펀트, 하르텍이 중수소(D 또는 2H)에서 고에너지를 갖는 중양성자로 포격시켜 삼중수소를 발견하였다. (반응식 : D＋D → H＋T)

 

삼중수소는 핵분열 원자로에서 리튬 6(6Li)과 중성자 사이의 핵반응에 의해서 가장 효과적으로 만들어지는데, 중수소와 삼중수소 사이의 핵반응은 열핵무기의 에너지원으로 사용되고 있다. 삼중수소는 감마선을 방출하지 않고 에너지가 매우 약한 베타 방사선만을 방출하기 때문에 방사선 영향이 다른 방사성 핵종에 비해 상대적으로 훨씬 적은 것으로 알려져 있다.

 

삼중수소가 체내로 섭취될 때에는 보통 호흡기 계통으로 2/3, 피부로 1/3이 흡수되는데, 체내에 들어간 삼중수소는 약 80% 정도가 체액 속에 들어가며, 약 10일 정도면 절반가량이 체액으로부터 몸 밖으로 배출된다.