수소
수소(水素, hydrogen)는 가장 가벼우면서 질량 기준으로 우주의 75%를 구성하고 있는 가장 흔한 원소이다. 원소기호는 H이고, 주로 수소 분자(H2) 상태로 존재한다. 과거에 수소의 발견은 화학과 물리학의 발전의 밑거름이 되었고, 지금은 경제성장에 새로운 원동력이 되고 있다.
목차
개요[편집]
수소는 자연계에 존재하는 원소들 중에 가장 작은 원자들로 구성되어 있다. 수소 원자 두 개가 결합한 이원자 분자 상태가 안정한 원소 상태이며 분자식은 H2이다. 수소는 주기율표에서 원자 번호가 첫번째인 원소이고 원소 기호는 H이다. 우주에서는 우주 질량의 약 75%, 원자의 개수로는 90%를 수소가 차지하고 있다고 할 만큼 수소가 풍부하며, 우주에서 수소의 대부분은 단원자 상태(H)로 존재한다. 수소는 매우 가벼운 원소여서 지구의 대기권에는 극소량이 존재하고, 지구의 지각권에서는 물 분자나 유기 화합물과 같이 화합물을 이룬 상태로 대부분 존재한다. 지구 표면에서는 산소와 규소에 이어 세 번째로 많은 원소이다.[1]
어원[편집]
1766년 영국의 H.캐번디시에 의하여 처음으로 물질로서 확인되어 묽은산과 금속과의 반응에서 생성된다는 사실이 밝혀졌다. 그러나 캐번디시는 그 당시까지 널리 알려져 있던 연소설을 믿고, 연소하기 쉽고 가볍다는 사실로부터 수소를 ‘연소’라고 생각하였고, 나중에는 ‘물’과 ‘연소’와의 화합물이라고 생각하게 되었다. 이후 수소를 연소시키면 물이 생성된다는 사실로부터 그리스어의 물을 뜻하는 히드로(hydro)와 생성한다는 뜻의 제나오(gennao)를 합쳐 hydrogen이라 지었다. 영어 hydrogen은 여기에서 유래했다.[2]
발견[편집]
수소를 최초로 발견한 것으로 추정되는 인물은 16세기 무렵 활동했던 생물학자이자 연금술사, 피라켈수스이다. 그는 독성물질을 연구하던 중 금속에 산성 물질을 넣는 실험을 행한 적이 있었다. 이때 산성 물질로부터 금속이 공격을 받으면 무언가 알 수 없는 거품이 발생한다는 사실을 발견하였지만 안타깝게도 피라켈수스는 이 거품에 대해서깊은 연구를 진행하지 않았다 그 뒤로 200년 뒤 과학자인 헨리 캐번디시는 이 기체는 뭔가 다르다는 것을 알게 되고 캐번디시는 여러 탐구를 계속 수행하였다. 그 후 캐번디시는 무색, 무취, 무미를 띄고 있다는 것을 알게 되었다. 이후 프랑스의 앙투안 라부아지에는 앞서 진행되었던 캐번디시의 실험을 재연하는 과정에서 이미 1776년 월타이어에 의해 발견된 지식인 '실험을 통해 모인 기체를 연소시키면 물이 발생한다'라는 사실을 여러 측면에서 검증하게 되었다. 이 검증을 통해 '물을 만들어내는 신비로운 원소'라는 의미에서 '수소'로 이 원소의 이름을 명명하게 되었고, 이후 수소는 많은 과학 분야에서 놀라운 발견의 방아쇠가 되었다. 돌턴의 원자설 이후 더는 쪼갤 수 없는 물질의 가장 작은 단위가 원자라고 생각할 무렵 스위스에서 고등학교 교사로 재직하던 수학자 요한 발머는 수소 원자의 스펙트럼의 규칙성을 발견했다. 이 수소 원자의 스펙트럼을 통해서 원자보다 더 작은 세계가 있다는 것을 알게 되었다. 수소 원자의 스펙트럼은 우리 은하의 분포는 물론 마젤란 성운의 발견, 초기 우주에 존재했던 가장 밝은 퀘이사의 발견 등 장대한 우주의 비밀을 푸는 단서가 되었다.[3]
특징[편집]
성질[편집]
무색 무미 무취의 기체로 지구상에 존재하는 물질 중에서 가장 가볍다. 항상 수소 분자 H2로 이루어진다. 녹는점은 -259.14℃이고 끓는점은 -252.9℃이다. 임계온도는 －239.9 ℃, 임계압력 12.8atm, 물에는 18℃에서 1부피에 0.0185 부피 녹는다. 임계온도란 기체상에서 액체상으로 상전이가 가능한 가장 높은 한계온도이다. 상온에서는 오르토수소와 파라수소의 3:1 혼합물이다. 또한 상온에서는 반응성이 적지만,온도가 높으면 많은 원소와 직접 반응한다. 산소와의 2:1 혼합물은 500℃이상에서 격렬하게 반응하여 폭발하며, 수소-산소 폭명기(뗿氣)라고 부른다. 그 밖에 황과는 황화수소, 질소와는 암모니아, 염소와는 염화수소를 생성하며 많은 금속과도 직접 반응하여 수소화물을 만든다. 금속염화물이나 산화물을 가열하면 환원되어 금속을 생성한다. 일반적으로 화합물 중에서의 원자가는 +1가 또는 -1가의 값을 가진다.[2]
동위원소[편집]
수소의 주요 동위원소로는 지구에서 발견되는 수소의 99.98%를 차지하는 프로튬(protium, 1H) 외에, 중수소(deuterium, 2H 또는 D)와 삼중수소(tritium, 3H 또는 T)가 있다. 바닷물을 기준으로 했을 때, 지구상에서 존재하는 중수소의 비율은 총 수소 개수의 0.0156%, 총 수소 질량의 0.0312%이다. 빅뱅이 일어날 때, 중수소와 삼중수소는 프로튬에서 헬륨이 만들어지는 핵반응의 중간체이기도 하다. 프로튬의 핵은 양성자 1개로 이루어져 있으며, 중수소의 핵은 양성자 1개와 중성자 1개, 삼중수소의 핵은 양성자 1개와 중성자 2개로 구성되어 있다. 프로튬과 중수소는 안정한 동위원소이지만, 삼중수소는 베타선을 방출하면서 붕괴되어 헬륨 양이온으로 변하는 불안정한 방사성 동위원소이며 반감기는 12.32년이다. 지구상에서 삼중수소는 거의 존재하지 않고, 대기권 외부에서 우주선과 대기가 반응하여 아주 극소량 생성된다.[1]
종류[편집]
수소는 생산 방식과 친환경성 정도에 따라 그레이수소, 블루수소, 그린수소로 구분된다. 오늘날 생산되는 수소의 약 96%는 화석연료로부터 수소를 생산하는 그레이수소다. 그레이수소는 천연가스의 주성분인 메탄과 고온의 수증기를 촉매 화학반응을 통해 수소와 이산화탄소를 만들어내는데, 약 1kg의 수소를 생산하는 데 이산화탄소 10kg을 배출한다. 블루수소는 그레이수소와 생산 방식은 동일하지만, 생산 과정 중 발생하는 이산화탄소를 대기로 방출하지 않고 포집 및 저장 기술인 CCS 기술을 이용해 이산화탄소를 따로 저장한다. 그레이수소보다는 이산화탄소 배출이 적어 친환경성이 높고, 이산화탄소 포집 및 저장 기술 또한 높은 성숙도와 경쟁력이 확보돼 가장 현실적인 대안으로 주목받고 있다. 다만, 이산화탄소를 완전히 제거하진 못해 그에 따른 한계도 존재한다. 수소에너지 중에서도 미래의 궁극적인 청정 에너지원으로 주목하고 있는 것은 그린수소다. 그린수소는 물의 전기분해를 통해 얻어지는 수소로, 태양광 또는 풍력 같은 신재생에너지를 통해 얻은 전기에너지를 물에 가해 수소와 산소를 생산한다. 따라서 생산 과정에서 이산화탄소 배출이 전혀 없어 궁극적인 친환경 수소라 불린다. 각국은 그린수소 생산과 사용을 장려하기 위해 여러 제도를 구축하고 있다. 유럽연합(EU)은 블루수소, 그린수소 인증 기준을 마련하는 한편 수소의 친환경성을 인증하는 수소 원산지 보증제도 시스템을 2016년부터 구축했다. 한국은 2021년 3월 제3회 수소경제위원회에서 청정수소 사용 장려를 위한 청정수소 인증제 도입 계획을 밝히기도 했다.[4]
용도[편집]
산업[편집]
석유 및 화학 공업에서 많은 양의 수소가 사용되고 있는데, 가장 큰 용도는 질소와 반응시켜 암모니아를 얻는 것이다. 다음으로 주요한 용도는 식물성 액체 지방과 반응시켜 고체 지방(예로 마가린)을 생산한다. 이밖에 일산화탄소와 반응시켜 메틸 알코올을 얻는 데 이용되며, 석유화학에서 중질유의 분해, 탈황 공정에 이용되는 등 다양한 용도로 사용한다. 또한 염소(Cl2)와 반응시켜 염산(HCl)을 얻는 데 쓰이며, 금속 산화물을 환원시키는 데도 이용된다. 반도체 산업에서는 무정형 실리콘이나 탄소를 안정화시키는 데도 이용된다.[5] 공기보다 밀도가 낮은 특성으로 수소는 기구나 비행선 등의 각종 탈것에 사용되어 왔다. 하지만 수소는 작은 마찰에도 연소가 되어 폭발할 가능성이 있어 오늘날엔 기구나 비행기에서는 거의 사용하지 않고 있다.
수소자동차[편집]
수소자동차는 수소를 연료로 하는 수소연료전지를 통해 전기를 얻어 구동하는 차량이다. 소전기차(HEV; Hydrogen Electric Vehicle) 또는 수소연료차(HFC; Hydrogen Fueled Car)라고도 한다. 가솔린 내연기관 대신 수소와 공기 중의 산소를 반응시켜 얻은 전기를 이용해 모터를 구동하는 방식으로 운행한다. 연료전지를 동력원으로 하는 차로, 엔진이 없기 때문에 배기가스 및 오염물질을 배출하지 않는다. 차 내부에는 연료전지 스택, 모터, 배터리, 수소탱크 등이 탑재돼 있다. 전기자동차 등과 함께 차세대 교통수단 후보로 경쟁하고 있으며, 내연기관 차량에 비해 연료비가 싸고, 출력이 높으며, 전기자동차에 비해 충전 시간, 주행 거리 등에서 장점이 있다. 하지만 아직까지 충전소 등 교통 인프라에서 전기자동차에 크게 밀리는 상황이다. 작동원리는 수소연료전지차의 핵심인 전기 발생은 수소와 산소가 촉매를 통해 반응하여 생성되는 전기로 모터를 구동시킨다. 즉, 물을 전기분해 하면 양(Anode, 공기극, +)극에서 산소가 생성되고 음(Cathode, 연료극, -)극에서 수소가 생성되는데, 이것을 반대로 하여 수소를 이용해서 물을 만들면 그 과정에서 전기가 생성된다. 먼저, 수소탱크로부터 공급된 수소는 연료전지 스택의 음극으로 이동하여 촉매를 통해 산화 반응해 수소이온과 전자로 분해된다. 분해된 수소이온은 전해질을 통해, 전자는 전선을 통해 양극으로 이동한다. 그리고 외부로부터 공급받은 산소와 수소이온, 전자는 양극에서 화학반응을 통해 물과 열을 발생시킨다. 이렇게 발생된 전기가 모터와 배터리로 공급되고, 물은 외부로 배출된다.[6][7]
수소에너지[편집]
화석연료인 석유, 석탄의 대체 에너지원이다. 수소의 원료인 물이 많고, 연소하더라도 연기를 뿜지 않아서 수소에너지는 미래의 무공해 에너지원으로 인류 궁극의 연료로 지목되고 있다. 세계의 수소 소비량은 수백 억 m3 에 달하지만 대부분 석유탈황, 암모니아 제조 등 화학공업부분의 원료적인 것으로 쓰이며, 생산된 수소는 고압가스, 액체수소, 금속수소화물 등 다양한 형태로 저장이 가능하다. 현재 수소는 주로 기체 상태로 저장하고 있다. 하지만 단위 부피당 수소 저장밀도가 너무 낮아 경제성과 안정성이 부족하여 물을 원료로 해서 값싸게 대량생산할 단계에 아직 이르지 못하고 있다. 액체 및 고체로 저장하기 위한 신기술들이 등장하고 있고 각국은 제조기술 개발에 노력하고 있다. 그래서 연구되고 있는 주된 방법으로 원자력 발전의 전력으로 물을 전기분해하는 방법과 열화학사이클법이 연구되고 있다. 우리나라에서는 1980년대부터 관련 기초연구에 착수하였으며, 대체에너지 기술개발사업 중장기계획에 따라 차세대 신재생에너지 기술개발사업의 하나로 수소에너지 기술을 상용화 단계로 끌어올리기 위한 기초연구 강화에 힘을 쏟고 있다.[8][9]
수소연료전지[편집]
수소연료전지는 수소에너지 경제에서 대체에너지의 불안정한 공급 문제를 경제적으로 조절하고 보완할 수 있는 에너지 기술이다. 연료전지란 수소를 연료로 하여 전기에너지로 전환하는 기술로 물의 전기분해반응의 역반응을 이용해 수소와 산소로부터 전기와 물을 만들어 내는 전기화학기술이다. 건절기간이 기존 화석연료보다 짧고 환경에 해로운 가스를 발생시키지 않기 때문에 도심지역에 발전시설 건설이 가능하다. 따라서 전력의 요구조건에 따라 산간지역, 섬지역 등 기존 화석연료 단지가 들어서기 어려운 조건에서 설치 및 운용을 할 수 있다. 또한 타발전에서의 반응 과정에서 발생하는 열에너지는 에너지 손실을 크게한다. 그러나 연료전지는 발생하는 열을 유효하게 이용하는 것이 가능하다. 연료전지는 환경의 유해한 가스 발생이 거의 없다. 전체 반응에서 결과물은 물을 발생시키므로 무공해 친환경적인 특징을 가지는 기술이다. 다시 말해 연료전지는 높은 발전효율과 친환경성을 동시에 잡으면서도 비교적 제약 없이 건설 및 이용을 할 수 있다는 장점을 지닌다.[10]
각주[편집]
- ↑ 1.0 1.1 〈수소〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 2.0 2.1 〈수소의 모든것〉, 《한국 교육 과정 평가원》
- ↑ 〈(궁금한S) 세상을 바꾼 신비한 원소…'수소'란 무엇일까?〉, 《사이언스 투데이》, 2020-02-14
- ↑ 현대자동차그룹, 〈수소에너지에도 종류가 있다. 그레이수소, 블루수소, 그린수소란?〉, 《HMG 저널》, 2021-08-18
- ↑ 〈우주에서 가장 많은 원소 - 수소〉, 《LG사이언스 랜드》
- ↑ 〈수소자동차〉, 《나무위키》
- ↑ 〈수소자동차〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 〈수소에너지〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 한국학중앙연구원, 〈수소에너지〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 강하은 기자, 〈수소연료전지 빛을 보는 이유 : 2020년 수소연료전지 사업 전망과 해결점〉, 《에너지 설비관리》, 2020-06-02
참고자료[편집]
- (궁금한S) 세상을 바꾼 신비한 원소…'수소'란 무엇일까?〉, 《사이언스 투데이》, 2020-02-14
- 〈수소의 모든것〉, 《한국 교육 과정 평가원》
- 〈수소〉, 《네이버 지식백과》
- 〈우주에서 가장 많은 원소 - 수소〉, 《LG사이언스 랜드》
- 〈수소자동차〉, 《나무위키》
- 〈수소자동차〉, 《네이버 지식백과》
- 강하은 기자, 〈수소연료전지 빛을 보는 이유 : 2020년 수소연료전지 사업 전망과 해결점〉, 《에너지 설비관리》, 2020-06-02
- 현대자동차그룹, 〈수소에너지에도 종류가 있다. 그레이수소, 블루수소, 그린수소란?〉, 《HMG 저널》, 2021-08-18
같이 보기[편집]
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