지구 수소 비율 - jigu suso biyul

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본 게시물은 2013년 6월 23일에 최신화 되었습니다.

< 원소기호 >

수소의 원호기호는 'H'로 표기합니다.

수소의 영문 'Hydrogen'의 첫 번째 알파벳을 따왔습니다.

< 원자번호 >

수소의 원자번호는 1번입니다.

원자번호는 해당 원소의 양성자 또는 전자의 수를 나타내는데, 

이를 통하여 수소는 양성자 1개, 전자 1개를 기본으로 가지고 있음을 알 수 있습니다.

< 화학계열 >

수소는 화학계열 '비금속'에 속하는 원소입니다.

비금속은 충격에 깨지거나 흩어지고, 전기가 안 통하는 것이 특징입니다.

< 원자량 >

수소의 평균 원자량(질량)은 1.00794 g/mol 입니다.

여기서 'mol'은 원자의 개수를 나타내는 단위이며, 원자 6.02 X 1023 개를 모아 1mol이라고 정의합니다.

따라서 수소 원자 6.02 X 1023개의 질량은 1.00794g이 됩니다.

< 밀도 >

수소의 밀도입니다. 부피 1L 당 g 수를 나타냅니다. 

기준은 지구상의 1기압, 0℃에서의 평균 밀도입니다.

< 맛 / 색 / 향 >

< 상태변화 >

수소의 녹는점(어는점)은 -259.14℃, 끓는점은 -252.87℃ 입니다. 

이는 가장 낮은 온도의 한계라 할 수 있는 절대온도 - 273.15℃에 가까우며, 

지구 표면의 온도가 -89.2℃ ~ 56.7℃임을 감안하면 수소는 기체상태로 존재한다는 것을 알 수 있습니다.

   영국의 귀족 출신 물리학자이자 화학자였던 Henry Cavendish는 그 당시 '가연성 공기'라고 불리던 기체를 모아 그 성질에 관해 처음으로 연구를 했다. 

   그는 철, 아연 등의 금속에 묽은 염산 또는 황산을 반응시켜 '가연성 공기'를 얻었는데, 각각의 금속과 반응해서 얻은 '가연성 공기'가 모두 동일한 것임을 발견했다. 하지만 Cavendish는 이 공기의 실체를 대기의 한 성분을 이루는 순수한 물질로 생각하지 못했다.

   '수소'라는 이름은 프랑스의 화학자 A. L Lavoisier가 처음으로 붙였다. Lavoisier는 Cavendish의 연구결과를 '호흡하기 편한 공기(산소)'와 '가연성 공기(수소)'가 반응하여 물이라는 화합물을 만드는 과정으로 이해했다. 

   이후, Lavoisier는 가열된 관에 수증기를 통과시켜 이 둘을 분해하는 실험에 성공했고, 이때 '가연성 공기'를 처음으로 '물을 만드는 원리(Hydro(water) + generating)'의 줄임말인 '수소(Hydrogen)'라 불렀다.

   영국의 화학자 John Dalton은 가장 가벼운 원소이자 수많은 화합물의 구성성분인 수소를 기준으로 물질의 무게 비율을 정해야 한다고 생각했다. 그는 당대의 유명한 화학자들이 실험한 결과를 토대로 수십 개의 원소들을 무게 비로 나타낸 원자량 표를 만들었다. 당시의 수소는 다른 원소들의 무게를 가늠할 수 있는 상대적인 기준이었다.

   1900년대 초반에 들어 물리학자들과 화학자들은 원자 모형에 대하여 열띤 연구를 진행했다. 덴마크의 물리학자 Niels Bohr는 수소를 연구하여 수소 원자가 원자핵 주위에 1개의 전자를 가지고 있다는 것을 알아냈으며, 수소의 원자모형을 제시하고 이를 실험적으로 확인했다.

미국은 중수소와 삼중수소의 핵융합을 이용한 최초의 수소폭탄을 만들어 실험했다.

수소는 양(+)의 전하를 띠는 양성자 1개와 음(-)의 전하를 띠는 전자 1개로 이루어져 있으며,

양성자는 중심에 위치하고 전자는 그 주위에 분포하고 있습니다.

(원형의 점선은 가정한 것으로서 실제로 전자는 원형으로 돌지 않습니다.)

   동위원소는 해당 원소의 기본적인 구조에서 중성자가 추가되거나 빠짐으로 인해 질량이 그만큼 달라지는 원소를 말합니다. 즉, 원소의 기본 구조는 유지한 채 중성자의 수가 다른 것입니다.

   현재까지 알려진 수소의 동위원소는 기본적인 수소를 포함하여 모두 7개입니다. 여기서는 가장 많이 알려진 3개를 소개합니다. 나머지 4개는 아주 극미량으로 자연에 존재하거나 오직 실험실에서 만들어지는 것이므로 그 비중이 작습니다.

위 그림은 수소의 동위원소 3개의 구조입니다. 여기서 노란색 동그라미는 중성자를 나타냅니다.

   경수소는 우리가 흔히 수소라고 칭하는 것으로, 지구상에 존재하는 수소의 양 중 약 99.984%를 차지합니다. 다른 이름으로 프로튬(Protium)이라 부르기도 합니다.

   수소의 두 번째 동위원소인 중수소는 게임에서 흔히 연료나 에너지원으로 쓰이는 '듀테륨(Deuterium)'으로도 유명합니다. 수소의 약 0.0156%를 차지하며, 중수(중수소 원자 2개와 산소 원자 1개가 결합한 것)의 형태로 발견됩니다. 중수는 경수(일반적인 물)에 약 13 ~ 150 ppm(1톤 당 13 ~ 150 g) 정도 있는데, 굉장히 적은 양 같지만 지구표면 전체의 물의 양으로 계산하면 지구상에 존재하는 중수의 양은 대략 18 ~ 208조 톤이므로 실로 어마어마한 양임을 알 수 있습니다.

   삼중수소는 그 양이 0.0005% 이하인 극히 드물게 존재하는 동위원소입니다. 트리튬(Tritium)이라고도 부르는데, 자연에서는 대기 속의 질소와 우주에서 오는 우주선(우주에서 오는 입자나 방사선)의 상호작용에 의해 생기는 것이 일반적입니다. 인공적인 발생은 주로 원자력 발전소에서 이루어지는데, 우라늄의 핵 반응을 조절하기 위해 중수를 사용하게 되는 과정에서 중수에 포함된 중수소가 중성자 하나를 획득하여 삼중수소가 만들어지게 됩니다.

   중수소와 삼중수소는 미래의 에너지 자원으로 그 가치가 높습니다. 중수소 원자 1개와 삼중수소 원자 1개를 핵융합시키면 높은 에너지가 발생하는데, 이 현상을 이용한 것이 바로 핵융합 발전입니다.

대한민국, 유럽, 중국, 미국, 인도, 일본, 러시아가 공동으로 연구, 개발하고 있는 국제 핵융합로 ITER의 내부 모습

대한민국 국가 핵융합 연구소에 위치한 K-STAR의 외부 모습

K-STAR의 내부 모습. 핵융합이 일어나는 곳이며 '토카막'이라 한다. 우리나라 토카막 장치는 세계 최고 수준을 자랑한다.

   현재 전 세계에서 활발한 연구가 진행되고 있는 핵융합 발전은 바다에 있는 어마어마한 양의 중수소를 이용하는 덕분에 차세대 대체 에너지원으로 각광받고 있습니다.

   우리나라는 이미 국제 핵융합로(ITER) 연구 및 개발에 참여하고 있으며, 국가 핵융합 연구소에서 자체적으로 한국형 핵융합로(K-STAR)를 제작하여 세계 최고 수준의 핵융합 연구를 진행하고 있습니다.

   우주에 존재하는 원소들의 총량에서 수소는 약 75%를 차지합니다. 별들이 만들어지는 과정에 꼭 필요한 원소이며, 대부분의 별들은 수소를 핵융합의 연료로 사용하여 빛을 냅니다.

   지구에서는 존재 비율이 0.9% 밖에 되지 않지만, 생명체의 필수 요소인 물의 구성원이자 대단히 많은 화합물을 이루는 데에 참여하는 원소로서 막강한 영향력을 보여주고 있습니다.

수소가 채워져 있는 풍선에 불꽃을 대면 '펑'하는 소리와 함께 공기 중에서 연소한다.

수소는 강력한 인화성을 가진 원소로, 자연 상태의 수소 기체는 500 ~ 571℃ 에서 발화가 됩니다.

우주왕복선 메인 엔진의 연소 시험 모습. 순수한 수소 기체와 산소기체의 불꽃은 눈에 잘 보이지 않는 빛을 낸다.

발화하는 과정에는 산소가 관여하게 되고 이때 수소와 반응하여 물을 생성합니다. 

이러한 반응은 공기 중의 수소 농도가 4 ~ 76%일 때 잘 일어납니다. 

널리 알려진 3가지 방법을 소개합니다. 

< ① 물의 전기분해 >

   물에 전류를 흘려주면 ＋극에서는 수소 기체가 - 극에서는 산소 기체가 발생합니다. 이때, 순수한 물은 전기가 통하지 않기 때문에 수산화나트륨이나 황산을 녹여 전류가 통하도록 합니다.

< ② 메탄 스팀 리포밍 / MSR >

   천연가스에 포함된 메탄을 이용한 수소 제조 방법입니다. 기본적인 공정은 위의 과정으로 이루어지며, 전 세계 수소 생산의 절반이 MSR 방식으로 이루어집니다.

< ③ 산 - 금속반응 >

   금속을 황산(황화수소) 또는 염산(염화수소)처럼 산성을 띠는 화합물을 섞은 물에 넣으면 수소 기체가 발생합니다. 산성을 띠는 화합물을 물에 녹이면 수소가 이온화되어 자유롭게 다니는데, 이때 수소보다 이온화 되려는 성향이 큰 금속을 집어넣으면 금속이 이온화 되는 과정에서 수소 이온에 전자를 주고, 전자를 얻은 수소 이온은 수소가 되는 원리입니다.

< ① 암모니아, 염산, 메탄올 등의 합성재료 >

수소는 산성을 띠는 화합물이나 알코올류 합성에 대량으로 쓰입니다.

< ② 금속의 절단과 용접 >

수소와 산소의 연소반응을 통해 고온의 열을 이용하여 금속을 절단하거나 붙일 수 있습니다.

보통 수소-산소 용접기의 불꽃 온도는 2800℃ 내외입니다.

< ③ 수소연료전지 >

   수소연료전지는 수소를 공기 중의 산소와 반응시켜 전기를 발생시키는 장치입니다. 전기에너지를 발생시킨 후에는 물이 생성되므로 친환경 차세대 에너지로 각광받고 있습니다. 수소연료전지는 우주 및 자동차 분야에서 가장 활발하게 연구되고 있습니다.

수소연료전지의 내부구조를 간단히 나타낸 그림

2004년 기아자동차에서 컨셉으로 내놓은 수소연료자동차 <스포티지>의 내부 구조

현대-기아자동차가 2010년 개발한 수소연료전지차 <투싼 ix>. 현대-기아자동차 그룹은 양산체제를 구축하여2013년 상반기부터 2015년까지 1000여대를 생산할 계획이다.

<자료 제작자 및 제공 사이트>

사진 1 / ITER 내부 : John Greenwald

사진 5 / 우주왕복선 메인 엔진 연소 시험 : NASA

사진 9 / 수소연료전지차 <스포티지> : 기아자동차

사진 10 / 수소연료전지차 <투싼ix> : 현대-기아자동차

수소차는 어떤 점에서 친환경적인가?

수소는 어떻게 만들어지나요?

왜 수소경제?

왜 수소인가?