수소(水素, Hydrogen)는 주기율표의 가장 첫 번째(1족 1주기) 화학 원소로, 원소기호는 H(라틴어 히드로게니움), 원자 번호는 1이다. 표준 원자량은 1.008로, 질량 기준으로 우주의 75%를 구성하고 있는 우주에서 가장 흔한 원소이기도 하다.

순물질은 실온에서 기체상태의 H2로 존재하며, 1족 원소중에서 유일한 비금속 원소이다. 동위원소로는 중수소(2H)와 삼중수소(3H)가 일반적으로 알려져 있으나 질량수 7까지의 수소 동위원소가 보고되었다.

수소(水素)라는 이름의 어원은 ‘물을 만들다’의 독일어 Wasserstoff에서 유래하였다. 영어로도 Hydrogen은 라틴어의 Hydro(물)와 비금속 원소의 접미사 -gen(만들다)이 합쳐진 뜻을 가지고 있다. 프랑스어 hydrogène 역시 라부아지에가 1783년 '물을 생성한다'의 의미로 명명하였다.

 

16세기의 연금술사 파라켈수스는 금속이 산에 녹을 때 어떤 기체가 발생한다는 사실을 발견하여 그 기체를 수소라고 맨 처음 언급하였다. 그 당시에는 수소가 일산화탄소와 같은 다른 가연성 기체와 혼동되었으나, 1766년 헨리 캐번디시는 수소가 다른 가연성 기체와 다르다는 것을 증명했다. 1776년 월타이어는 수소가 연소할 때 물을 만든다는 것을 발견하고, 몇 년 후 라부아지에는 이 기체를 수소라고 명명하였다.

 

수소 기체는 파라셀수스가 금속과 강산을 섞어 처음 만들었다. 그는 이 화학 반응으로 만들어지는 가연성 기체가 새로운 화학 원소임을 알지 못했다. 1671년, 로버트 보일이 수소 기체가 발생하는 반응인 철가루와 묽은 산 용액 간의 반응을 재발견하고 기술하였다.

 

수소 기체를 개별적인 물질로 처음 인식한 것은 헨리 캐번디시였다. 그는 1766년 금속-산 반응에서 나오는 기체를 '인화성 공기'로 확인했고, 1781년에는 그 기체를 연소시키면 물이 생김을 발견했다. 헨리 캐번디시는 보통 수소의 발견자로 인정받는다. 그 뒤 1783년에 앙투안 라부아지에가 피에르시몽 라플라스와 함께 수소가 연소되면 물이 생긴다는 캐번디시의 발견을 재현한 뒤 원소에 수소라는 이름을 붙였다.

 

수소는 제임스 듀어에 의해 재생식 냉각법과 그의 발명품인 진공 보온병을 이용해 1898년 처음 액화되었으며 그 다음 해에 고체 수소도 만들었다.

 

중수소는 헤롤드 유리가 1931년 12월에 발견했고, 삼중수소는 어니스트 러더퍼드, 마크 올리펀트, 파울 하르텍이 1934년 만들었으며 물 분자에서 보통 수소의 자리가 중수소로 대체된 중수는 1932년 헤롤드 유리의 그룹이 발견하였다. 에드워드 다니엘 클라크는 1819년에 수소 기체 취관을 발명했다.

 

 

수소 충전 풍선은 자크 알렉상드르 세사르 샤를이 1783년에 처음 발명하였다. 앙리 지파르가 수소를 이용해 뜨는 비행선을 1852년에 발명하면서 수소가 항공 교통 수단이 공중에 뜨는 수단을 제공하기 시작했다. 그 뒤 독일의 페르디난트 폰 체펠린 백작이 수소를 충전하여 공중에 뜨는 경식 비행선의 아이디어를 발전시켰다. 이 비행선은 나중에 체펠린 비행선으로 불리게 되었으며, 1900년에 처음 비행했고, 1910년에는 규칙적으로 비행하게 되었다.

1914년 8월에 제1차 세계대전이 발발할 때까지 체펠린 비행선은 중대한 사고 없이 3만5천 명의 탑승객을 운반했다. 전쟁 도중에 수소로 뜨는 비행선들은 관찰대나 폭격기로 이용되었다. 그러나 1937년 연료 탱크에서 누출된 수소 가스가 폭발하여 발생한 힌덴부르크호 사건 이후로 현재 많은 나라에서 풍선이나 비행선에 수소를 채우는 것을 법적으로 금지하고 있다.

수소의 화학적성질로는 급격히 불에 타는 가연성 연료이며 연소할 때에는 폭발음과 함께 무색의 불꽃을 내며 타는데, 이때 수소와 산소가 반응하여 물 분자가 형성 된다.     

※ 2H2(g) + O2(g) → 2H2O(l) + 572kJ(반응열, 286 kJ/mol)

수소 기체는 공기 중에서는 4~74%의 농도, 염소 화합물에는 5~95%의 농도일 때 강한 폭발성을 띈다. 혼합물은 자연스레 불꽃, 열 또는 태양광에 의해 폭발하며, 자연발화 온도는 대략 500°C이다. 순수한 수소-산소 불꽃은 자외선과 맨눈으로는 거의 볼 수 없는 매우 밝은 빛을 방출한다. 때문에 수소 가스의 누출을 감지하기 위해서는 불꽃 감지기가 필요하다.

수소의 구성은 양성자 1개에 중성자가 0~6개로 구성된 핵과 전자 1개로 되어 있다. 자연 상태의 수소 대부분(성분비 99.9885%)은 중성자가 없는 경수소이며, 중성자를 1개 포함하는 중수소, 중성자를 2개 포함하는 미량의 삼중수소가 나머지를 차지한다. 인공적으로 중성자 3개 이상을 포함하는 수소를 만들 수 있고, 무려 7중수소(양성자1+중성자6)까지 있으나 모두 반감기가 10-21초 미만으로 짧아 빠른 시간 안에 붕괴를 통해 다른 원소가 되어 버린다. 삼중수소도 방사성 동위원소이나 반감기가 10년 이상이라 자연상태에서도 존재할 수 있다.

수소의 특징으로는 보통 세 가지로 대표할 수 있다. 매우 많으며 매우 가볍다는 것이다. 화학 반응은 매우 격렬하고 이 외에도 무색, 무취의 기체지만 자극성이기 때문에 기침을 유발한다.

항성이 아닌, 행성 중에도 수소 대기를 가지는 경우가 많지만(목성, 토성 등) 지구는 수소를 잡아둘 만한 중력이 부족해 대기 중 구성 비율이 매우 적다. 그래서 우주에는 풍부하지만 지구에서는 쉽게 얻을 수 없는 것이 수소다.  

▲ 수소추출 방법 <출처: 수소융합얼라이언스추진단>

수소는 석유와 같이 채굴 가능한 1차 에너지가 아니므로 갈탄, 석유, 천연가스 등 1차 에너지와 태양광, 풍력 등 재생에너지로부터 생산해야 하며 추출(개칠), 부생수소, 수전해의 세 가지로 구분할 수 있다.

(부생수소 : 석유화학 공정이나 철강 등을 만드는 과정에서 부수적으로 나오는 수소로, 나프타 분해 과정 등에서 생산된다. 부생수소는 부산물로 발생하는 수소를 활용한다는 점에서 생산량에 한계가 있으나, 수소 생산을 위한 추가설비 투자비용 등이 없어 경제성이 높다는 장점이 있다.)

산업적으로는 천연가스에 수증기를 섞어 고온에서 반응시켜 일산화탄소와 수소로 만들어 내어 분리하는 것이 가장 값싼 방법으로 알려져 있으며 전기 분해는 순도가 높기는 하지만 상당히 많은 전기 에너지를 소비하기에 그 자체로서 굉장히 비싼 방법이며, 주로 화학 실험실 등에서나 이용되고 있다.

미래에는 차세대 원자로에서 직접 수소를 생산하는 방안도 연구되고 있다. 초고온 가스 원자로(VHTR)나 페블베드 원자로 같은 경우 섭씨 830도 이상의 고온에서 수증기를 분해해서 직접 수소를 연속 생산 할 수 있지만 아직은 연구단계에 머물러 있고 실용화까지는 갈 길이 멀다. 하지만 수소자동차등 석유 대신 수소를 주요 에너지원이나 연료로 사용하는 수소경제를 실현하려면 반드시 실용화되어야 하는 기술로 물 분해로 생성할 수 있기 때문에 무한하다고 할 수 있으며, 연소시 환경오염물질 발생이 없다는 것이 특징이다.

안전과 주의사항에 있어 수소는 공기와 혼합되었을 때 폭발과 함께 화재를 동반할 수 있다. 하지만, 수소는 원자번호 1번, 즉 공기보다 14배 가벼운 기체이기 때문에 공기중에 누출시에 매우 급속도로 확산되며, 점화 온도(약 500°C)가 높아 자연적 발화 자체가 극히 낮다. 액체 수소 (영하 253도 이하에서 액체화)는 극저온 유체로써 기체수소에 비해 부피기준 1/800 수준이기 때문에 약 10배 이상의 수소효율성이 예상된다. 액체상태의 수소를 직접 피부와 접촉하면 동상에 걸릴 수 있으나 일반인이 직접 접촉하게 되는 경우는 매우 드물다.

수소는 또한 금속재료에 흡수되어 수취화(Hydrogen Embrittlement , 水素脆化)하는 특성이 있기 때문에, 어딘가 수소가 누출되면 수소 취성이 일어나거나, 균열이 가거나, 심할 경우에는 폭발할 가능성도 있으며 외부 공기와 접촉하게 된 수소 기체는 산소 등이 존재할 경우 폭발할 수 있는데 이 때 일어난 화재의 경우 매우 뜨겁고, 거의 보이지도 않아 우연치 않게 화상을 입을 수도 있다.