수소는 원자번호 1번, 원소 기호 H인 원소이다. 수소는 평균 원자량이 1.007 94u 이며 1H는 1.007 825u 이다. 수소는 가장 가벼운 원소이며, 우주 전체질량의 약 75%차지할 정도로 가장 많은 원소이다.
수소(水素)는 '물을 만드는 재료'라는 뜻으로 독일어의 Wasserstoff에서 유래했다. 그리고 그리스어의 물 'hydro' 와 생긴다 'genes'를 합쳐 hydrogen이 되었다. 1766년 영국의 화학자 캐번디시(Henry Cavendish)는 산과 철 등의 반응에서 생긴, 공기보다 훨씬 가벼운 기체를 발견하게 되었다. 1783년 프랑스의 화학자 라부아지에(Antoine-Laurent de Lavoisier)가 물을 만든다하여 Hydrogen이라 명명하였다.
수소의 동의원소는 1H, 2H, 3H이 우주에 존재하는 동위원소이며, 굉장히 불안정한 핵을 가진 4H, 7H는 우주에서 관찰할 수 없고 오로지 실험실에서 합성으로만 생겨난다.
수소의 동위원소중 99.98%이상을 차지하는 것은 1H로, 경수소라는 형식적인 이름을 가지며 영어로는 protium이라 한다. 1H는 핵에 양성자 하나만을 가지며 중성자는 가지지 않는다.
2H는 중수소라 하며 영어로는 deuterium이라 하고 2H대신 D라고 표현을 하기도 한다. 중수소는 한개의 양성자와 한개의 중성자를 가진다. 모든 중수소는 빅뱅 직후에 생성된 것으로 여겨진다. 중수소는 방사성이 없으며 독성도 크지 않다. 중수소가 만드는 물 D2O이나 HOD는 중수(heavy water)라고 부른다. 그리고 중수소와 중수소가 만드는 화합물들은 화학 실험에서 방사성을 띄지 않는 표지로 사용되기도 하고 1H-NMR 분광법의 용매로 사용된다. 중수(heavy water)는 핵반응에서의 중성자 감속제이자 냉각제로 사용한다. 중수소는 핵융합의 잠재적인 연료이다.
[경수소 기체로 충전한 방전관 튜브]
[중수소 기체로 충전한 방전관 튜브]
3H은 삼중수소라 하며 영어로는 tritium이라 하고 3H대신 T라고 표현을 하기도 한다. 한개의 양성자와 두개의 중성자를 가진다. 삼중수소는 방사성이 있으며, 3He로 베타붕괴를 하며, 반감기는 12.32년이다. 삼중수소의 적은 양은 대기와 우주선이 반응해서 자연적으로 생성된다. 핵 무기 실험을 통해 삼중수소가 생겨나기도 한다. 삼중수소는 핵융합의 연료로 사용하기도 하며, 동위원소 지구화학(Isotope geochemistry)에서 추적자로 사용한다. 삼중수소 기체 (T2)는 Tritium illumination 이라는 현상에 사용한다. Tritium illumination는 삼중수소 기체(T2)로 가시광산 영역의 빛을 내게 하는 현상을 의미한다. 다른말로 Self-powered lighting이라고 하기도 한다. 삼중수소는 전자를 방출하며 베타 붕괴를 하면서 인광물질과 상호작용을 하게 된다. 인광물질은 전자를 받으면서 형광을 내는데, 이때 나오는 형광이 가시광선의 영역이다. 이 과정을 방사선발광(Radioluminescence)이라고 한다.
[Tritium illumination을 이용한 등]
수소는 두가지 형태로 이온화할 수 있는데, 음전하를 가진 음이온은 H-며, 수소음이온은 영어로 hydride anion 이라고 한다. 양전하를 가진 양이온은 H+이며, 전자가 없고 오로지 양성자만 있어서 영어로 proton 이라고 한다.
수소 원자는 이론적인 용도로도 사용된다. 한개의 양성자와 한개의 중성자를 가진 H는 슈뢰딩거 방정식(Schrödinger equation)에 의해서 양자역학적으로 완벽하고 정확하게 풀 수 있으며, 수소 원자의 에너지를 알 수 있다.
[수소원자를 표현하는 슈뢰딩거 방정식]
또 H2+ 에 대해서 Born-Oppenhimer의 근사법을 써서 풀어서 완벽한 해를 얻을 수 있다. 하지만 이 외에 He와 같은 다전자 원자나 분자에 대해서는 슈뢰딩거 방정식으로 완벽한 해를 얻을 수는 없다.
수소 원자에 대해서 슈뢰딩거 방정식을 풀면 수소 원자에 있는 전자의 에너지 준위를 알 수 있다. 에너지를 계산하면 다음과 같은 식이 나온다.
n=1 일때가 가장 에너지가 낮은 상태, 즉 바닥 상태이다. -13.6eV가 가장 낮은 에너지인데, 이는 92nm의 파장을 가지는 자외선의 광자가 가지는 에너지와 같은 양이다. 그리고 n이 달라질 때마다 그 차이에 해당하는 에너지를 빛으로 내게 되는데 밑의 그림은 n=3, n=4, n=5, n=6에서 n=2로 전자가 전이할 때 나타내는 빛이다.
[수소의 스펙트럼. 발머 계열에 해당한다.]
수소 기체는 산소와 반응해서 연소하여 물을 만든다. 수소 기체는 가연성이 매우 크고 공기중에 4%~75%의 부피를 차지할 경우 폭발하게 된다. 수소의 연소엔탈피는 ΔcH˚ = -286 kJ/mol 이다.
2H2(g) + O2(g)→ 2H2O(l) + 572kJ
수소 기체가 4%~74%, 염소 기체가 5%~95% 섞인 기체는 스파크, 열, 태양빛에 의해서 강력한 폭발력이 가진 혼합물이다. 그리고 수소 기체의 자연발화 온도는 500℃ 이다. 순수한 수소기체와 산소기체의 불꽃은 자외선과 맨눈으로는 거의 보이지 않는 빛을 낸다.
[Space Shuttle main engine의 불꽃이 거의 보이지 않는다.]
H2는 염소와 플루오린과 실온에서도 격렬하게 반응한다. 반응해서 할로젠화 수소 즉, 독성이 있는 염화수소(HCl)과 플루오린화수소(HF)를 생성한다.
수소 화합물
공유결합, 유기화합물
H2는 표준 조건 하에서 반응성이 매우 크진 않지만 대부분의 원소들과 화합물을 이룬다. 수십만개의 탄화수소들이 알려져 있지만, 수소와 탄소가 직접 반응해서 생성되는 것은 아니다. 수소는 할로젠(F,Cl,Br,I)와 같이 수소보다 전기음성도가 큰 원소들과 화합물을 이룬다. 이 경우 수소는 부분적인 양전하를 가진다. 수소가 질소(N), 산소(O), 플루오린(F)와 공유결합을 하고 주위에 질소, 산소, 플루오린이 올 경우, 공유결합은 아닌 매우 강력한 결합이 생기는데 이걸 수소 결합이라고 한다. 수소 결합은 많은 생체 분자들에서 안정성에 매우 중요한 역할을 한다. 수소는 역시 수소보다 적은 전기음성도를 가지는 금속과 준금속과도 화합물을 이룰 수 있는데, 그러면 수소는 부분적인 음전하를 가진다. 수소가 음전하를 가지는 화합물들은 수소화물(Hydride)라고 한다.
수소는 탄소와 함께 매우 다양한 화합물들을 만든다. 이러한 화합물들이 살아있는 것들로부터 만들어지기 때문에, 이러한 화합물들을 유기화합물(Organic compounds)이라고 부른다. 그리고 유기화합물을 다루는 학문을 유기화학 (Orgainc Chemistry)라고 생명체 내에서 유기화합물들을 다루는 학문을 생화학 (Biochemistry)라고 한다. 어떤 정의에 의하면, "유기(Organic)" 화합물은 오직 탄소만을 지칭하는 것으로 한다.
무기 화학(Inorganic chemistry)에서는 수소화물(Hydride)는 또한 두 금속사이에서 배위 화합물을 이루며 리간드를 형성한다. 이러한 기능은 주로 13족에서 일어난다. 그중 특별히 붕소화수소(borane, boron hydrides)와 알루미늄 화합물을 이룬다.
1934년 헤럴드 유리는 중수소의 발견의 업적으로 노벨상을 수상한다. 아래를 클릭하면 1934년 노벨화학상 연설문을 볼 수 있다.
1934년 노벨 화학상 연설문" less="접기">
중수소의 발견- 1934년 노벨 화학상
헤럴드 유리, Harold Clayton Urey
전하, 그리고 신사 숙녀 여러분.
얼마전 한 축제에서 저명한 정치가가 연설을 하였는데, 그는 오늘날 기술 분야에서 발명 활동을 확인하고 신중하게 실현하는 것이 실체적으로 꼭 필요하다고 언급하였습니다. 이 놀라운 발언은 기술의 창의성과 기능을 계속 자유롭게 사용할수록 더욱 증가할 실업률의 위험을 우려한 것입니다.
스웨덴 왕립과학원이 올해 노벨 화학상을 수여하기로 결정한 연구자의 발견을 숙고할 때 화학자들도 비슷한 생각이 들 수 있습니다. 새로운 발견은 사고의 맥락에서 심각한 무질서를 만들어내는데, 그런 후에야 우리의 생각은 냉정하게 하는 데 익숙해집니다. 비슷한 종류의 예가 화학을 비롯한 다른 과학에서 모두 일어나지만 발견에 의해 제공되는 새로운 견해가 익숙해지자마자 사람들은 흡족해하면서 앞으로 나아가는 큰 진보를 이룬 과정으로 깨닫게 됩니다.
먼저 동위원소의 의미를 설명하는 것이 이자리에 선 저의 역할입니다. 예를 들면 오랫동안 구리금속은 원자량 63.6을 가지는 단순한 원소로 간주하였는데, 이것은 원자량을 임의로 채택한 기본단위보다 구리 원자가 63.6배 더 무겁다는 것을 의미합니다. 이전에는 그랬지만 앞에서 언급한 기본 단위는 더이상 수소 원자의 정확한 질량이 아닙니다. 실제로는 더 작지만 현재 우리의 목적을 위해서 수소 원자량을 기본단위로 하고 있다는 것을 무시하겠습니다.
이전의 노벨 화학상 수상자인 영국의 두 연구자 소디와 애스턴은 1910년부터 계속해 온 연구 결과 완전히 균일한 어떤 원소들이 사실은 원자량이 서로 다른 2개 이상의 물질이지만 화학적으로 동일하다고 할 수 있는 혼합물이라는 매우 놀라운 사실을 발견하였습니다. 애스턴은 질량분광기라는 장치를 설계하여 전기력과 자기력의 도움으로 확실하게 동위원소의 존재를 규명하고 그들의 상대적인 원자량을 결정하였습니다. 그래서 구리가 원자량 63과 65를 가진 두 동위원소의 혼합이라는 것을 입증하였습니다.. 이런 혼합은 꼭 맞는 비율로 계산하면 중간 원자량인 63.6을 가질 수 있습니다. 다른 예로 동위원소의 수가 더 많은 경우가 있는데, 예를 들면 주석의 경우는 7개 이상이었습니다.
그러나 애스턴은 이 동위원소들의 원자량이 거의 정수이고 여러 동위원소들 사이에 화학적으로 차이가 없다는 것을 밝혔습니다. 이것은 어떻게 동위원소들의 혼합이 균일한 화학원소처럼 여겨질 수 있는지를 설명합니다.
현대의 원자이론에 따르면 원소들의 화학적 특성은 원자 질량의 크기에 직접 의존하는 것이 아니라 항상 정수인 양성의 단위전하 수(원자핵)에 의존하는데 이것은 태양 주위를 도는 행성처럼 전자라도 하는 자유 음성전기와 동등한 숫자입니다.
동위원소들이 동일한 화학적 특성을 가진다는 것을 알게 되고 동위원소들의 원자량이 모두 정수에 가깝다는 것이 입증된 후에 화학자들은 냉정하게 그들의 발견을 받아들였습니다. 이것은 100년전에 발표하였던 모든 원소들의 원자량은 수소원자량의 곱이며, 결국 정수배라는 프라우트의 매우 흥미로운 가설에 증거를 제공하였습니다.
약 3년 전에 해럴드 유리 교수는 모든 원소 중 가장 간단한 수소의 동위원소 발견에 도전하였습니다. 그 연구를 시작했을 때 유리교수는 뉴욕 컬럼비아 대학교의 화학과 조교수로 발령이 났고 지난 봄에는 정교수로 승진하였습니다.
수소 원자량은 대략 1이고 동위원소들의 원자량은 정수에 의해 차이가 나기 때문에 일반적인 수소에 가장 가까운 수소동위원소는 지금까지 알려진 수소의 2배(100퍼센트 이상)가 되는 거의 2에 가까운 원자량을 가져야합니다. 지금까지 알려진 동위원소의 원자량중에 꽤 큰 원자량을 가진 원소들의 경우 단지 몇개의 기본 단위만 다르므로, 그들의 상대적인 원자량의 차이는 결국 큰 원자량을 갖는 원소의 동위원소의 몇 퍼센트에 불과합니다. 그로므로 그와 같은 원소의 동위원ㄴ소들이 화학적인 관점에서 왜 차이가 없는지를 설명할 수 있습니다. 그러나 이전에 알려진 수소보다 100퍼센트나 큰 원자량을 가진 수소 동위원소에 대해서는 어떻게 적용할 수 있겠습니까? 이것은 그 자체로 흥미로운 문제였고, 나중에 자세히 이야기하겠지만 화학적 관점에서도 두 수소 동위원소 사이에 현저한 차이가 있음을 인정하는 것이 해답이였습니다. 위에서 언급했듯이 일반 동위원소들에 대한 예상을 가지고 이 문제를 생각하면 화학자들은 혼란에 빠지고 냉정을 잃게 됩니다.
유리교수가 이 문제를 전인미답의 경지에서 처음 시도한 것은 아닙니다. 왜냐하면 수소 동위원소의 존재를 의마하는 가설이 있었고 결정적인 결과를 이끌지는 못했지만 그것을 증명한 수많은 실험이 있었기 때문입니다. 유리 교수는 인간이 이성적인 방식으로 문제에 접근했고 마침내 해결하는 것을 증명해 보였습니다.
현대 이론의 도움으로 그는 질량 2의 중수소가 질량 1인 경수소보다 휘발성이 덜하며 그 결과 액체 수소를 증류하여 두 동위원소를 어느정도 분리하는 것이 가능한지를 계산할 수 있었습니다. 그러나 수소의 끓는점이 대략 -250도이기 때문에 수소를 액체로 만들려면 매우 강력한 냉각기를 확보해야합니다. 유리 교수는 액체수소 제조를 위한 아무런 장치도 없었으므로 결국 워싱턴 표준국에 있는 그의 친구인 브릭웨드 박사에게 의뢰하였습니다. 설비가 매우 잘 갖추어진 브릭웨드 박사의 연구소에서 농축된 형태의 동위원소를 얻기 위해 액체 수소를 증류하였습니다. 또한 유리 교수는 조수인 머피 박사의 도움으로 그가 고대하고 있는 수소 동위원소의 스펙트럼이 어떤 모양일지 관해 계산했습니다. 그가 기대했던 시료를 얻자 분광학적 방법으로 조사를 하였고, 결국 새로운 동위원소의 존재를 입증하였는데 일반적인 수소에 비해 약 5000분의 1의 비율로 존재합니다. 이 결과가 1932년 1월에 발표되었습니다.
이 결과는 그 자체로 매우 흥미있는 것이었습니다. 특히 흥미로운 것은 화학적인 관점에서 두 동위원소 사이에 명백한 차이점이 드러났다는 사실입니다. 이미 언급했듯이 그와 같은 종류의 차이를 이전에는 입증할 수 없었습니다. 그러나 유리교수는 성공을 하였으며 무엇보다 단순하고 명백한 화합물의 전형적인 예로써 늘 간주되었던 물에 대한 우리의 개념을 변화시켰습니다.
물의 가장 작은 입자, 즉 분자는 원자량이 1인 두개의 수소원자와 원자량이 16인 한개의 산소 원자로 구성되어 있습니다. 수소 원자량은 기본 단위로 해서 총 분자량이 18이기 때문에 물은 2/18 혹은 1/9, 약 11퍼센트의 수소와 나머지는 산소로 구성되어야합니다. 그러나 두 수소원자가 두배 무거운 동위원소로 대치되면 물은 수소질량 4와 산소질량 16으로 구성되어 결국 20퍼센트의 수소를 포함할 것입니다. 그러므로 물의 각 입자는 20대 18의 비율로 더 무거워야합니다.
물에는 두 종류의 수소가 존재하기 때문에 물로부터 직접 수소 동위원소를 얻을 수 있습니다. 물로부터 중수를 분리하는 최상의 방법은 물을 전기분해 하는 것인데, 예를 들면 가성소다를 첨가하여 전도성을 띠게한 물에 전류를 흘려보내는 것입니다. 그러면 수소 기체가 음극에서 모아지는데 방출된 수소기체에 더 많은 양의 경수소가 포함되고 물 자체에는 결국 중수소가 풍부하게 되는 것을 발견했습니다. 이 방법의 원래 아이디어는 1934년 2월 6일에 타계한 워싱턴 표준국의 워시번에 의한 것이고, 비록 유리 교수가 시료의 분광학적 시험을 돕기는 했지만 방법을 더 발전시킨 것도 워시번이였습니다. 자연적인 물에 중수와 일반 물분자의 비율은 대략 1대 5,000입니다.
캘리포니아 버클리 대학교에서 루이스와 그의 동료들이 처음으로 순수한 형태로 중수를 얻었습니다. (1933년 7월) 우리가 알고 있듯이 물 1리터는 1000그램이고 중수 1리터는 약 1100그램인데, 100그램은 대략 분자량의 증가에 해당합니다. 중수의 어는점은 0도(일반 물)가 아니라 +3.8도이고 끓는점은 일반 물보다 1.4도 더 높습니다. 중수는 일반 물보다 점성이 높고 염의 용해도는 더 낮습니다. 그리고 암모니아, 염산, 아세트산, 당, 알부민 등을 구성하는 일반 수소 대신 전체 혹은 일부를 중수소로 대치하는 것이 가능합니다. 중수소와 경수소는 이전에 알려진 동위원소에 비하여 다른 화학적 특성을 가지므로 각가 이름을 부여하는 것이 바람직하다고 생각하여 유리 교수는 중수소를 듀테륨Deuterium, 일반수소를 프로튬protium이라고 불렀습니다. 일반수소는 듀테륨에 비해, 그리고 일반 물은 중수에 비해 반응속도가 다른 것으로 밝혀졌는데, 결국 반응수율도 다르게 얻어졌습니다. 생화학 효과중에서 알코올의 발효 과정이 일반물보다 중수에서 더 느리게 진행되고 담배씨의 발아와 곰팡이균의 진화가 더딘 것 등이 주목할 만한 것입니다. 중수소의 원자핵이 전기장에 의해 빠른 발사체로 가속되면 원자들을 쪼개고 원소 변형에 아주 효과적인 것이 증명되었습니다. 이 과정에서 만들어진 방사성 소듐의 의학적 중요성은 앞으로 밝혀질 것입니다.
이와 같은 초기발견은 의심할 여지 없이 화학분야에 매우 중요합니다. 그리고 가까운 미래에 인류에게 직접적이고 실용적인 이점을 가져다 주는 것이 밝혀질 것이며, 시간이 증명할 것입니다.
1893년에 태어난 유리교수는 이미 미국에서 매우 가치있는 영예, 즉 이론화학에서 가장 중요한 업적을 이룬 월러드 기브스 추모 메달을 수상하였습니다. 지난 봄 메달 시상식에서 유리 교수는 발견의 역사를 생생하게 설명하는 강연을 하였는데, 예를 들면 그가 1931년 8월 점심식사를 하는 중에 그렇게 고대하던 동위원소 농축에 대한 아이디어가 마음속에 섬광같이 지나갔던 일을 설명하였습니다. 그리고 이어서 워싱턴으로부터 수소 기체 시료가 오기를 몇 달 동안 기다려야했고, 시료가 도착하자 4개월이 걸릴 일을 머피박사와 한달 동안 밤낮으로 분광학적 연구를 하여 마침내 결과를 얻었다고 말했습니다. 그들이 겪었던 가장 고통스러운 경험은 스펙트럼에서 나타난 새로운 선들이 실제로 그들이 찾고 있는 동위원소로부터 나온 것인지 장치의 미세한 결함에 의한 이른바 '허깨비 선'인지를 오랫동안 확실하게 결정할 수 없었던 것입니다. 그때 흡연양은 10배로 증가하였고, 그 당시 유리 교수의 부인조차 완전히 독수공방 신세였던 것을 포함하여 가까운 사람들에게는 매우 참기 힘든 시기였습니다.
그들의 이와 같은 조급증은 이미 언급했듯이 수소 동위원소가 존재해야 한다는 가설이 있었디 때문에 정당화되었습니다. 1932년 1월, 결과가 발표되었을 때 주로 미국과 유럽 국가들, 그리고 스웨덴 과학자들은 새롭고 경이로운 아이디어에 사로잡혔으며 그로 인해 현재 이 문제에 관한 논문이 200편에 이릅니다. 이 일에 힘쓴 여러 연구자들의 대열에서 증수 제조 문제에 공헌한 고故 워시번의 이름을 의심할 여지 없이 제일 앞에 놓아야합니다. 현재 중수는 여러 곳에서 기술적으로 생산되고 있는데, 특히 노르웨이 루칸 지역에서는 노르웨이 수력회사가 전기분해 과정으로 수소 제조를 위하여 거대한 공장을 세웠으며 24시간마다 0.5kg을 생산하고 있습니다.
그러나 실제적이고 기본적인 중수 발견의 공로는 대부분 유리 교수의 업적이기 때문에 과학원은 중수 발견을 인정하여 올해 노벨 화학상을 수여하기로 결정하였습니다.
스웨덴 왕립과학원 노벨 화학위원회 위원장 W.팔메
- 이날 유리 교수는 아버지로서의 특별한 행사와 부인에 대한 배려 때문에 수상식에 참석할 수 없었다.
<당신에게 노벨상을 수여합니다|노벨 화학상|, 노벨 재단 엮음, 우경자·이연희 옮김>
