수소 H

발견의 역사

타는 기체가 있다는 사실은 오래전부터 알려져 있었다. 1671년 로버트 보일은 묽은 산에 쇳가루를 넣으면 잘 타는 기체가 나온다고 기록했지만, 이를 독립된 물질로 보지는 않았다.

결정적인 연구는 1766년 영국의 헨리 캐번디시가 했다. 그는 금속과 산으로 이 기체를 정밀하게 만들어 밀도를 재고, 공기와 다른 별개의 기체라고 밝히며 '가연성 공기'라고 불렀다. 1781년 무렵에는 이 기체가 탈 때 물이 생긴다는 것을 보여 주었고, 이는 물이 원소라는 오래된 생각을 무너뜨리는 계기가 되었다.

앙투안 라부아지에가 물의 생성과 분해 실험을 재현한 뒤 1783년 지금의 이름을 붙였다. 같은 해 파리에서는 자크 샤를이 수소 기구를 처음 띄웠다. 1931년에는 해럴드 유리가 무거운 수소인 중수소를 발견해 1934년 노벨 화학상을 받았다.

이름의 유래

영어 이름 hydrogen은 그리스어 hydro(물)와 genes(만드는)를 합친 말로 '물을 만드는 것'이라는 뜻이다. 수소가 타서 물이 된다는 발견에서 나온 이름이며, 원소 기호 H는 이 이름의 첫 글자다. 한국어 '수소(水素)'는 19세기 일본에서 네덜란드어 waterstof(물의 물질)를 한자로 옮긴 말이 들어와 굳어진 것으로, 역시 '물의 바탕이 되는 원소'라는 의미를 담고 있다.

주요 용도

• 암모니아 합성: 수소와 질소로 비료 원료를 만드는 하버-보슈 공정이 가장 큰 수요처다.
• 석유 정제: 연료 속 황을 제거하고 무거운 기름을 가벼운 제품으로 쪼개는 데 쓴다.
• 화학·식품: 메탄올의 원료이며, 식물성 기름을 굳혀 마가린 등을 만드는 수소 첨가 반응에도 쓰인다.
• 에너지: 연료전지는 수소와 산소로 전기를 만들고 물만 배출한다. 액체 수소는 오래전부터 로켓 추진제로 쓰였다.
• 산업 설비: 대형 발전기의 냉각 기체, 금속 가공 시 산화를 막는 환원 분위기로 쓴다.

현재 수소는 대부분 천연가스에서 만들며, 재생 전기로 물을 분해해 얻는 '그린 수소'가 에너지 전환의 핵심 과제로 꼽힌다.

동위원소

수소는 동위원소마다 따로 이름이 있는 유일한 원소다. 중성자가 없는 경수소(프로튬, 1H)가 자연 수소의 99.98% 이상을 차지하고, 중성자 하나를 가진 중수소(2H, D)도 안정하다. 대략 수소 원자 6,400개 중 1개가 중수소다. 중수(D2O)는 일부 원자로의 감속재로, 중수소 치환 용매는 NMR 분석의 표준 용매로 쓰인다.

삼중수소(3H)는 방사성으로 반감기가 약 12.3년이다. 전원 없이 빛나는 비상구 표지와 시계 문자판, 지하수 연령 측정에 쓰이며, 중수소와 함께 핵융합로의 연료로 연구되고 있다.

생활 속 원소

모든 물 분자에는 수소 원자가 두 개 들어 있고, 사람 몸무게의 약 10%가 수소다. 지방·당·단백질·DNA 모두 수소를 포함하며, DNA 두 가닥을 붙잡는 것도 수소 결합이다.

수소 기체는 색과 냄새가 없고 공기보다 훨씬 가볍다. 공기 중 약 4~75%의 넓은 농도 범위에서 불이 붙고, 낮에는 불꽃이 거의 보이지 않아 누출 관리에 주의가 필요하다. 1937년 힌덴부르크호 화재 사고 이후 수소를 채운 여객 비행선 시대는 막을 내렸다.