수소

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일반적 성질
이름, 기호, 번호	수소, H, 1
화학 계열	비금속
족, 주기, 구역	1, 1, s
모양	무색
원자 질량	1 g/mol
전자 배열	1s1
껍질 별 전자 수	1
물리적 성질
상태	기체
밀도	(0 °C, 101.325 kPa) 0.08988 g/L
녹는점	14.01 K (-259.14 °C, -434.45 °F)
끓는점	20.28 K (-252.87 °C, -423.17 °F)
삼중점	13.8033 K, 7.042 kPa
융해열	(H2)0.117 kJ/mol
기화열	(H2)0.904 kJ/mol
열용량	(25 °C) 28.836 J/(mol·K)
증기압 압력(Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k 온도(K) 15 20
원자의 성질
결정 구조	육방정계
산화 상태	1,-1 (양쪽성 산화물)
전기 음성도	2.20 (폴링 척도)
이온화 에너지	1차: 1312.0 kJ/mol 2차: - kJ/mol 3차: - kJ/mol
원자 반지름	25 pm
원자 반지름 (계산)	53 pm
공유 반지름	37 pm
반데발스 반지름	120 pm
그 밖의 성질
자기적 질서	???
열전도율	(300 K) 180.5m W/(m·K)
음속	(기체, 27 °C) 1310 m/s
CAS 등록번호	1333-74-0
동위 원소
본문: 수소 동위 원소 동위 원소 존재비 반감기 DM DE (MeV) DP 1H 99.985% 중성자 0개인 H은 안정 2H 0.015% 중성자 1개인 H은 안정 3H 미량 12.32 β- 0.019 3He

수소(水素, hydrogen)는 주기율표의 가장 첫번째(1족 1주기) 화학 원소로 원소 기호는 H이다. 수소 원자는 우주에서 가장 흔하며 가볍고 무색의 원자이다. 1족 원소로서는 유일한 비금속 원소이다.

동위원소로는 중수소와 삼중수소가 있다.

수소(水素)라는 이름은 풀면 ‘물의 재료’로, ‘물(hydr(o)-)을 만드는 것(-gen)’에서 온 hydrogen을 직역한 것이다. 온 세상에서 가장 흔한 원소이며, 실제로 두 개의 수소 원자가 산소 원자와 결합해 물을 구성하는 원소이다.

두 개의 수소 원자로 수소 기체를 이루게 되면, 급격히 불에 타는 가연성을 가진 연료이며, 양이온의 형태로 존재하면 금속을 부식시키는 등 산성 용액의 특징을 나타내는 주요한 원인이 된다. 실험실에서 수소의 존재를 확인하는 간단한 방법으로서, 수소는 성냥불을 대면 "퍽" 소리를 내며 탄다.^[1]

16세기 연금술사 파라켈수스는 금속이 산에 녹을 때 어떤 기체가 발생한다는 사실을 발견하여 그 기체를 수소라고 맨 처음 언급하였다. 그 당시에는 수소가 일산화탄소와 같은 다른 가연성 기체와 혼동되었으나 1766년 헨리 캐번디시는 수소가 다른 가연성 기체와 다르다는 것을 증명한다. 1776년 월타이어는 수소가 연소할 때 물을 만든다는 것을 발견하고 몇 년 후 라부아지에는 이 기체를 수소라고 명명하였다.

목차 1 양자적 이성질체 2 동위원소 3 역사 3.1 발견과 사용 3.2 양자 이론에서의 역할 4 관련 항목 5 주석

[편집] 양자적 이성질체

전자의 배치에 따라 오르토 수소나 파라 수소를 형성한다. 전자가 수소 분자의 바깥을 향하면 오르토 수소이다.

비교적 전환 속도가 느리므로 서로 구분할 수 있으며 상온에서는 오르토 수소와 파라 수소가 3:1 정도의 비율로 존재한다.

스스로 타는 성질이 있고 폭발하는 성질이 있다. 다른 물질이 타게 도와주는 성질을 가졌다.

[편집] 동위원소

수소에는 세 개의 자연에서 발견되는 동위원소 (¹H, ²H, ³H) 가 있다. 다른 매우 불안정한 동위원소들은 실험실에서 합성된 적이 있으나 자연에서는 발견되지 않는다.^[2][3]

¹H는 자연에서 발견되는 수소 중 99.98%를 차지하는 가장 흔한 동위원소로 원자핵이 양성자 단 하나로 이루어져 있어 경수소라는 형식적 이름을 가지나 이 이름은 잘 사용되지 않는다.^[4]

²H는 다른 안정한 동위원소로 중수소라고 불리며 원자핵이 양성자 하나와 중성자 하나로 이루어져 있다. 모든 중수소는 빅 뱅 때 생겨나 지금까지 남아 있는 것으로 여겨진다. 중수소는 방사성을 띠지 않으며 독성 위험도 크지 않다. 중수소와 그 화합물들은 화학 실험에서 방사능을 띠지 않는 표지나 ¹H-NMR 분광법의 용매로 사용되며^[5], 상업적 핵융합의 잠재적 연료이기도 하다.^[6]

특히 중수소가 많이 포함된 물을 중수라고 부르며 중성자 감속제나 원자로 용매로 사용된다.

³H는 삼중수소라고 불리며 원자핵이 양성자 하나와 중성자 두 개로 이루어져 있다. 삼중수소는 방사성을 띠어 12.32년의 반감기를 갖는 베타 붕괴를 통해 ³He로 붕괴된다. 적은 양의 삼중수소가 우주선과 대기의 상호작용으로 생겨나 자연에 존재한다. 삼중수소는 핵무기 실험에서 방출되기도 한다.^[7] 삼중수소는 핵융합 반응에 사용되거나^[8] 동위원소 지구화학에서 추적자로 사용된다.^[9]

수소는 각 동위원소의 다른 이름이 흔히 사용되는 유일한 원소이다. (방사능의 초기 연구에서, 많은 방사성 동위원소들이 이름지어졌으나 그 이름들은 더 이상 사용되지 않는다) D와 T라는 표기가 ²H와 ³H 대신 중수소와 삼중수소를 나타내는 데 사용되기도 하며^[10] IUPAC도 이를 인정하고 있다. (²H, ³H이 권장되기는 한다).^[11]

[편집] 역사

[편집] 발견과 사용

수소 기체는 파라셀수스에 의해 금속과 강산을 섞어 처음 만들어졌다.^[12] 그는 이 화학 반응에 의해 만들어지는 가연성 기체가 새로운 화학 원소임을 알지 못했다. 1671년에, 로버트 보일이 수소 기체가 발생하는 반응인 철가루와 묽은 산 간의 반응을 재발견하고 기술하였다.^[13]

수소 기체를 개별적인 물질로 처음 인식한 것은 헨리 캐번디시였다. 그는 1766년 금속-산 반응에서 나오는 기체를 "인화성 공기"로 확인했고 1781년에는 그 기체를 연소시키면 물이 생김을 발견했다. 헨리 캐번디시는 보통 수소의 발견자로 인정받는다.^[14][15] 그 뒤 1783년에 앙투안 라부아지에가 피에르시몽 라플라스와 함께 수소가 연소되면 물이 생긴다는 캐번디시의 발견을 재현한 뒤 원소에 수소라는 이름을 붙였다.^[15]

수소는 제임스 듀어에 의해 재생식 냉각법과 그의 발명품인 진공 보온병을 이용해 1898년 처음 액화되었다.^[15] 그는 그 다음 해에 고체 수소도 만들었다.^[15] 중수소는 헤롤드 유리가 1931년 12월에 발견했고, 삼중수소는 어니스트 러더퍼드, 마크 올리펀트, 파울 하르텍이 1934년 만들었다.^[14] 물 분자에서 보통 수소의 자리가 중수소로 대체된 중수는 1932년 헤롤드 유리의 그룹에 의해 발견되었다.^[15] 에드워드 다니엘 클라크는 1819년에 수소 기체 취관을 발명했다. 1823년에는 되베라이너 등과 석회광이 발명되었다.^[15]

수소 충전 풍선은 자크 알렉상드르 세사르 샤를이 1783년에 처음 발명하였다.^[15] 앙리 지파르가 수소를 이용해 뜨는 비행선을 1852년에 발명하면서 수소가 항공 교통 수단이 공중에 뜨는 수단을 제공하기 시작했다.^[15] 그 뒤 독일의 페르디난트 폰 체펠린 백작이 수소에 의해 뜨는 경식 비행선의 아이디어를 발전시켰다. 이 비행선은 나중에 체펠린 비행선으로 불리게 되었으며 1900년에 처음 비행했고 1910년에는 규칙적으로 비행하게 되었다. 1914년 8월에 제1차 세계대전이 발발할 때까지 체펠린 비행선은 중대한 사고 없이 35000명의 탑승객을 운반했다. 전쟁 도중에 수소에 의해 뜨는 비행선들은 관찰대나 폭격기로 이용되었다.

첫 무착륙 대서양 횡단은 1919년 영국 비행선 R34에 의해 이루어졌다. 정기적인 여객 서비스가 1920년대에 재개되었고 미국에서의 헬륨의 발견은 비행선에 더 큰 안전성을 보장했으나 미국 정부는 비행선에 사용할 목적으로 쓰이는 헬륨을 파는 것을 거부했다. 그래서, 힌덴부르크에는 수소가 사용되었고 힌덴부르크는 1937년 5월 6일에 비행 도중의 화재로 파괴되었다.^[15] 이 사고는 라디오로 생방송되었다. 샌 수소의 점화가 원인으로 여겨졌으나 수사는 알루미늄 섬유의 정전기로 인한 점화를 원인으로 지적했다. 하지만 수소의 비행선에의 사용은 이 사건으로 막을 내렸다.

니켈-수소 전지는 1977년 미 해군의 NTS-2에 처음 사용되었고,^[16] 국제 우주 정거장^[17]과 마스 오디세이^[18], 마스 글로벌 서베이어^[19]에도 장착되었다.

[편집] 양자 이론에서의 역할

양성자 하나와 전자 하나만으로 구성되는 비교적 간단한 원자 구조 때문에, 수소 원자와 수소 원자가 내는 스펙트럼은 원자 구조 이론의 발전에 중심이 되어 왔다.^[20] 게다가 그에 따르는 수소 분자와 그 양이온H₂⁺의 간단함은 화학 결합의 본질에 대해 더 완전히 이해할 수 있도록 해 주었다. 이 간단함으로 인해 수소 양이온과 수소 분자 양이온에 대해 슈뢰딩거 방정식의 완전해를 구할 수 있다.

뚜렷하게 관찰된 양자적 효과 중 하나는 양자역학 이론이 완전히 정립되기 반 세기 이전에 이루어진 수소에 대한 맥스웰의 관찰이다. 맥스웰은 수소 분자의 비열용량이 상온에서는 이원자 분자의 비열용량 경향을 따르고 극저온으로 내려가면 단원자 분자의 비열용량 경향과 비슷해지는 설명할 수 없는 현상을 관찰했다. 양자역학에 따르면, 이 현상은 양자화된 회전 에너지 수준 사이의 차이가 수소의 낮은 질량 때문에 매우 커지기 때문이다. 이런 에너지 수준 간의 큰 차이가 낮은 온도에서 같은 양의 열 에너지가 회전 운동으로 바뀌는 것을 막는다. 한편 더 무거운 원자들로 구성된 이원자 분자들에서는 에너지 수준 간의 차이가 크지 않기 때문에 이런 효과가 나타나지 않는다.^[21]

[편집] 관련 항목

위키미디어 공용에 관련 미디어 자료 분류가 있습니다. 수소

• 수소폭탄
• 수소 결합
• 수소 동위 원소

[편집] 주석

1. ↑ 김봉래 외 2 [2006년 7월 1일]. 《완자 화학 Ⅰ(1권)》, 초판, 비유와상징, 정답 친해 2쪽
2. ↑ Gurov, Yu. B. (2004). Spectroscopy of superheavy hydrogen isotopes in stopped-pion absorption by nuclei. Physics of Atomic Nuclei 68 (3): 491–97. doi:10.1134/1.1891200.
3. ↑ Korsheninnikov, A. A. et al. (2003). Experimental Evidence for the Existence of ⁷H and for a Specific Structure of ⁸He. Physical Review Letters 90 (8): 082501. doi:10.1103/PhysRevLett.90.082501.
4. ↑ Urey, Harold C. (1933). Names for the Hydrogen Isotopes. Science 78 (2035): 602–603 . PMID 17797765. doi:10.1126/science.78.2035.602. 2008년 2월 20일에 확인.
5. ↑ Oda, Y (1992). 1H NMR studies of deuterated ribonuclease HI selectively labeled with protonated amino acids. 저널 of Biomolecular NMR 2 (2): 137–47. doi:10.1007/BF01875525. 2008년 2월 12일에 확인.
6. ↑ Broad, William J., “Breakthrough in Nuclear Fusion Offers Hope for Power of Future”, November 11, 1991 작성. 2008년 2월 12일 확인.
7. ↑ Staff. Tritium. 2008년 2월 12일에 확인.
8. ↑ Nave, C. R. (2006). Deuterium-Tritium Fusion. 2008년 3월 8일에 확인.
9. ↑ (1998 작성). “Fundamentals of Isotope Geochemistry”. 2008년 3월 8일에 읽어봄.
10. ↑ Krogt, Peter van der. Hydrogen. 2008년 2월 20일에 확인.
11. ↑ § IR-3.3.2, Provisional Recommendations, Nomenclature of Inorganic Chemistry, Chemical Nomenclature and Structure Representation Division, IUPAC. Accessed on line October 3, 2007.
12. ↑ Andrews, A. C. (1968). "Oxygen", The Encyclopedia of the Chemical Elements. Reinhold Book Corporation. LCCN 68-29938
13. ↑ Winter, Mark. Hydrogen: historical information. WebElements Ltd. 2008년 2월 5일에 확인.
14. ↑ ^{가 나} “Hydrogen”. Van Nostrand's Encyclopedia of Chemistry. Wylie-Interscience. 2008년 3월 21일에 읽어봄.
15. ↑ ^{가 나 다 라 마 바 사 아 자} Emsley, John (2001). Nature's Building Blocks. Oxford University Press
16. ↑ NTS-2 Nickel-Hydrogen Battery Performance 31. Aiaa.org. 2009년 4월 6일에 확인.
17. ↑ Validation of International Space Station electrical performance model viaon-orbit telemetry. Gltrs.grc.nasa.gov (2002년 8월 2일). 2009년 4월 6일에 확인.
18. ↑ A lightweight high reliability single battery power system for interplanetary spacecraft. Ieeexplore.ieee.org. 2009년 4월 6일에 확인.
19. ↑ Mars Global Surveyor. Astronautix.com. 2009년 4월 6일에 확인.
20. ↑ Crepeau, Bob (2006년 1월 1일). Niels Bohr: The Atomic Model. 2008년 4월 13일에 확인.
21. ↑ Berman, R., Cooke, A. H.; Hill, R. W.. Cryogenics. doi:10.1146/annurev.pc.07.100156.000245.