수소 [水素, hydrogen, Wasserstoff]

외국어 표기	Hydrogenium(독일어)

H. 원자 번호 1, 원자량 1.0080. 동위 원소의 질량수(존재비 또는 붕괴 형식) 1(99.9849~99.9861%), 2(0.0139~0.0151%), 3(β-). 질량수 2의 동위 원소는 특히 듀테륨이라고 한다. 이에 대하여 질량수가 1인 것을 프로튬이라고 하여 구별하는 경우가 있다(⇀ 중수소). 분자식 H₂. 1766년 H. Cavendish가 비로소 물질로 확인하고, 공기 중에서 연소하면 단지 물만이 생기는 것을 Cavendish가 1781년 증명하였다. 또한 프랑스어 hydrogène(물을 만든다는 의미)이라는 말은 A.L. Lavoisier가 1783년 명명하였다.

【존재】
클라크수 0.87(제9위). 유리된 상태에서 화산이나 천연 가스 속에서 나오는 것도 있지만, 하층(下層)의 공기 속에서는 10^－5vol% 정도의 극히 미량에 불과하다. 그러나 상층의 대기 중에는 비교적 다량으로 존재한다고 생각된다. 또 분광기에 의해 태양 기타 많은 별에 수소 가스 및 원자상 수소가 존재한다고 알려져 있다. 화합물로서는 주로 물로 되고, 또 유기물의 형태로 널리 지구상에 존재하며, 원자 백분율로는 13.5에 달하여 산소, 규소에 이어 제3위이다.

【제법】
공업적으로는 물의 전해나 수성 가스의 정제에 의해 얻어진다(⇀ 수소의 공업적 제조법). 실험실적 제법 :
1) 아연, 알루미늄, 철 등의 금속에 염산 또는 묽은 황산을 넣는다.
2) 10~20%의 수산화나트륨 용액 또는 묽은 황산(1 : 10)의 전기 분해.
3) 포름산나트륨과 수산화나트륨의 혼합물을 400℃로 가열한다.

【구조】
수소 원자는 수소 원자핵(양성자) 1개와 전자 1개로 이루어진다. 그 간단함 때문에 그 구조가 가장 상세히 알려져 있는 원자이다. 가장 에너지가 낮고 안정된 상태(바닥 상태)에서는 주양자수(主量子數) n＝1, 방위 양자수 L＝1의 구대칭(球對稱)을 가진 궤도상에 전자가 존재한다(이것을 1s 궤도라고 한다). 수소 분자는 2개의 수소 원자로 이루어진다. 즉, 0.741Å의 간격에 있는 2개의 수소 원자핵 주위에 2개의 전자가 궤도를 만들고 공유 결합을 형성하고 있다(⇀ 하이틀러-런던의 이론). 수소 분자의 관성 모멘트 0.467×10^－40gㆍcm², 쌍극자 모멘트 0.

【물리적 성질】
무색, 무취, 무미의 가장 가벼운 기체. 액체는 무색. 녹는점 -259.2℃, 끓는점 -252.8℃. 0℃, 1기압에서의 1L의 질량 0.08987g. 기체의 비중(0℃, 1기압, 공기＝1) 0.0695, d^－253(액체) 0.0700, d^－259(고체) 0.0763. 임계 온도 -239.9℃, 임계압 12.8기압, 임계밀도 0.0310g/cm³. 고체는 육방 밀집 패킹의 결정 구조를 취한다.

격자 상수 a 3.75, c 6.12Å. 결합 간격 H-H 0.74Å. 일정 압력 비열 3.44cal/degㆍg(0~200℃). 일정 부피 비열 2.46cal/degㆍg(0~200℃), c_p/c_v 1.40(0~200℃). 증발열 107cal/g, 용융열 14cal/g. 열팽창률 0.00356deg^－1, 열전도율은 크고 공기의 약 7배로 0.00038cal/cmㆍsecㆍdeg. 점성률 0.0087센티푸아즈. 굴절률 n_D 1.0001329. 자화율 χ -1.97×10^－6e.m.u.(20℃). 상온에서 오르토수소과 파라수소과의 비는 3 : 1. 수소는 열에 대해 안정하고, 가열 2000℃에서 겨우 1.22×10^－3이 원자로 해리되는 데 불과하고, 완전히 해리시키는 데는 약 5000℃를 요한다.

물 기타의 용매에 녹기 어렵다. 용해도 물 0℃, 2.1mL/100mL ; 20℃, 1.8mL/100mL ; 100℃, 1.6mL/100mL : 에탄올에는 물보다도 약간 잘 녹는다. 한편 팔라듐, 백금, 니켈, 티탄, 철 등의 금속에 다량의 수소가 흡장(吸藏)된다(예를 들면 팔라듐흑(黑)에는 부피로 850배의 수소가 녹아 들어간다). 수소는 분자 운동 속도가 가장 크고, 또 가장 확산되기 쉬운 가스이다.

【화학적 성질】
상온에서는 수소는 비활성이고 반응성이 부족하지만, 온도를 높이거나 또는 적당한 촉매가 공존하면 대부분의 원소나 화합물과 직접 반응을 일으킨다. 단, 플루오르는 예외로, 액체수소의 저온에서도 폭발적으로 반응해서 플루오르화수소가 생기고, 또 염소와는 빛이 닿으면 광화학적으로 염소가 활성화되기 때문에 상온에서도 격렬하게 잘 반응한다. 산소와 수소의 혼합 가스는 550℃ 이상으로 가열하거나 점화하면 격렬하게 폭발하여, 이른바 산수소 폭명기(酸水素爆鳴氣) 반응을 일으킨다. 이 밖에 황이나 질소와도 온도를 높이면 직접 결합해서 황화수소, 암모니아를 생성한다. 알칼리 금속이나 알칼리 토금속과 가열하면 직접 결합해서 염 유사 수소화물을 생성하고, 또 많은 전이 원소과도 고온에서 반응하여 금속 유사 수소화물을 만든다. 그 밖에 고온에서 금속의 산화물 또는 염화물과도 반응해서 금속을 유리한다. 예를 들면 :

【생물학적 성질】
생물체 내 산화 환원 반응에 관여하고, 유기, 무기의 함수소 화합물(수소 공여체)에서 수소가 다른 수소 수용체로 이동한다. 어떤 경우에는 분자상 수소가 직접 반응에 관여하고, 또 반응 생성물로 발생한다. 광합성일 때에는 보통 물의 광분해로 활성화된 수소가 TPN^＋ 등을 환원해서 에너지를 거두어들임과 동시에 간접적으로 CO₂의 환원에 사용된다. Chlorobium thiosulfatophilum의 어떤 변이주(變異株)는 직접 분자상 수소를 이용해서 다음 식과 같은 반응을 한다.

또 수소 세균 Hydrogemonas facilis는 폭명기 반응으로 얻은 에너지로 CO₂를 환원하고(6H₂＋2O₂＋CO₂ ⇀ CH₂O＋5H₂O), 메탄 세균의 어떤 것은 분자상 수소에서 CO₂를 환원하여 메탄으로 한다. Micrococcus denitrificans는 분자상 질소를 분자상 수소로 환원하는 능력을 가지는데, 황산 환원을 하는 세균이나 토양 세균 중에도 분자상 수소를 이용하는 것이 있다. 포름산 발효, 부탄올 발효를 비롯하여 발효 현상에는 수소 가스의 발생을 수반하는 것이 있다. 이것은 반응 과정 중에 수소 생산을 수반하는 단계가 있기 때문이며, 대장균에 의한 포름산 발효에는 포름산 수소 이탈 효소, 철을 포함한 전자 전달체(시토크롬), 히드로게나아제가 관여해서 수소의 발생이 일어난다고 한다. 이와 같은 현상이 있기 때문에 수소 분압은 발효 속도나 생산물의 양에 영향을 미치며, 예를 들면 Clostridium butylicum의 경우, 수소 분압을 증가시킴에 따라 부티르산 생산은 줄고 부탄올 생산은 증가한다(⇀ 수소 활성화 이론).

【분석법】
1) 혼합 가스 중의 수소는 보통 연소법으로 정량한다. 즉, 이산화탄소, 중탄화수소, 산소, 일산화탄소를 흡수 제거한 후, 과잉의 공기 또는 산소를 혼합해서 연소시키거나(H₂＋1/2O₂ ⇀ H₂O) 혹은 270~280℃로 가열한 산화구리(Ⅱ)에 의해 연소시켜(H₂＋CuO ⇀ Cu＋H₂O) 가스량의 감소에서 수소량을 구한다. 전자의 경우에는 메탄이 공존하면 이것도 동시에 연소하기 때문에 연소 후의 가스 중에 생성된 이산화탄소를 흡수법으로 정량하고 다음 식에 의해 계산한다.

수소의 흡수제로서는 콜로이드상 팔라듐 용액, 과망간산은 용액, 팔라듐 스펀지 등이 있지만, 흡수제로서의 성질이 그다지 뛰어나지 않기 때문에 조금밖에 사용되지 않는다. 질량 분석 : 가스 크로마트그래피도 사용된다. 수소는 일반 가스와 밀도, 열전도도 등 각종 물리적 성질이 현저히 다르기 때문에 이것을 이용하여 2성분 가스(또는 이에 준하는 혼합 가스) 중의 수소의 정량은 매우 하기 쉽다. 이 원리에 의거한 가스 분석계는 많이 고안되어 있지만, 열전도도법에 의한 것이 특히 널리 사용되고 있다.

2) 유기 화합물 중의 수소는 산화되어 물이 되고, 이 물을 정성ㆍ정량한다. 유기 화합물은 탄소, 수소가 보통 성분이기 때문에 태우면 반드시 물이 생긴다. 정성 : 작은 시험관 속에서 시료를 태워 그 관 입구에 괴어 있는 물방울로 판단한다. 정량 : 탄수소 정량 장치을 사용하여 산소 또는 공기 기류 중에서 태워 물로 날려 보내고, 이 물을 흡수관에 흡수시켜 정량한다. 또한 수소 중 활성이 있는 것은 활성 수소 분석법에 의한다.

【용도】
암모니아, 염산, 메탄올의 합성에, 또 유지의 수소 첨가에 액체 연료 등 다량으로 사용된다. 그 밖에 산수소 불꽃으로 금속의 절단, 용접에, 또 기구 충전 가스, 기상(氣狀) 냉각제로 사용된다.