수소 원소의 용도, 특징, 기호, 역사, 관련주 (Hydrogen)

 

수소의 특성

수소는 홑 원소 물질 상태로 용기에 가둬 두지 않으면 지구상에 거의 존재하지 않습니다. 우주에서 가장 많고 지구에서는 물의 형태로 존재하며 가솔린, 천연가스, 메탄올, 프로판 같은 유기화합물로도 존재합니다.

수소는 반응성이 높고 물을 전기분해 하면 수소와 산소를 얻을 수 있습니다. 또한 산소와 반응해 쉽게 물로 변하기도 합니다. (수소를 연소하면 산소와 결합해 물이 됩니다.)

수소는 공기의 14분의 1의 무게로 가장 가벼운 기체 원소입니다. 이것을 활용해 수소 기구와 비행선에 사용되었지만 위험하고 폭발 사고도 발생하였습니다. 그래서 수소 대신 헬륨을 사용한 비행선이 개발되기도 합니다.

 

원소기호: H

원자번호: 1번

원자량: 1.008

녹는점: -259.16℃

끓는점: -252.88℃

 

수소 원소 기호 H

수소는 물에서 얻을 수 있는데 물은 2개의 수소와 1개의 산소로 구성됩니다.

물은 지구 표면에 70% 이상 존재하므로 수소를 얻을 수 있는 풍부한 자원입니다.

수소 기체는 수소 원자 두 개가 합쳐진 상태(수소 분자 H₂)로 존재합니다.

 

수소의 동위원소

수소의 동위원소는 프로튬(protium, ¹H), 듀테륨(중수소, deuterium, ²H, D), 트리튬(삼중수소, tritium, ³H, T)가 있습니다.

프로튬 – 질량수 1인 것은 프로튬 이라고 부릅니다. 중수소보다 가볍기 때문에 경수소로 분류합니다. 일반적인 수소 원소입니다.

 

  프로튬 (protium,  ¹ H),  듀테륨(중수소 , deuterium,  ² H, D),  트리튬(삼중수소 , tritium,  ³ H, T)

중수소 – 듀테륨 이라고 하며, 양성자(Proton) 1개와 중성자(Neutron)가 1개로 구성된 중양성자(deuteron)를 원자핵(nucleus)으로 가지는 원소입니다. 원소기호는 ²H 또는 D로 표기합니다.

중수소는 중수를 사용하는 원자로에서도 사용되고 수소핵자기공명 분광기(NMR), 핵융합을 사용하는 인공태양, 약품 등에 사용됩니다.

 

삼중수소 – 트리튬 이라고 하며, 양성자(Proton) 1개와 중성자(Neutron)가 2개로 구성됩니다. 원소기호는 ³H 또는 T로 표기합니다. 프로튬보다 3배는 무겁습니다.

삼중수소는 수소폭탄의 원료로 사용되며, 시계 초침, 나침반과 같은 발광체의 용도로도 사용됩니다.

삼중수소는 약한 방사선이 방출되는 방사성동위원소입니다. 섭취하게 되면 체내에서 장기간 방사선을 발생하여 돌연변이나 암을 유발할 수 있습니다.

 

 

수소의 발견, 역사

16세기 연금술사 파라켈수스는 금속에 산성 물질을 넣으면 알 수 없는 거품이 발생

1766년 영국의 화학자 헨리 캐번디시(Henry Cavendish)는 산성 물질과 금속 물질이 만났을 때 발생하는 기포를 모아 연구하였는데 무색, 무취, 무미의 특성을 가지는 기체라는 것을 발견합니다. 그는 이 기체가 무엇인지는 몰랐습니다.

1783년 프랑스의 화학자 앙투안 로랑 라부아지에(Antoine Laurent Lavoisier)는 수소를 연소하면 물이 발생한다는 사실을 검증함. 물을 만들어내는 신비한 원소라는 뜻의 ‘수소’라는 이름으로 명명함. (그리스어로 물(hydro)과 생성한다(genes)의 합성어 ‘hydrogen’이라는 원소명을 지음)

1938년 영국의 물리학자 윌리엄 그로브(William Grove)가 물에 전기를 가하면 산소와 수소로 분리된다는 사실을 발견합니다. 또한 수소와 산소의 화학반응을 이용해 전기를 만들어 냈습니다.

 

1937년 수소 비행선 힌덴부르크(hindenburg)호 폭발 36명 사망

1965년 미국의 우주선 제미니5호에 수소연료전지를 사용하고 전기와 물을 공급합니다.

수소의 활용

 수소연료전지는 수소를 통해 전기에너지를 발생시키고 수소와 산소가 결합해 수증기를 배출합니다. 수소에서 전자가 분리되고 수소는 전해질을 통해 산소가 있는 +극으로 이동하며 분리된 전자의 이동으로 전기를 발생시킵니다. 이후 수소와 전자는 산소와 결합해 물이 되고 열을 발생합니다. 수소는 직접적인 에너지원이 아니고 전기에너지를 발생하고 저장할 수 있는 물질인 것이죠.

 

수소자동차

수소연료전지를 이용한 자동차입니다. 수소와 산소의 반응으로 생산된 전기를 이용한 전기자동차입니다. 현대자동차의 넥소가 수소전기차입니다.

수소자동차는 대기오염물질은 배출하지 않습니다. 또한 대기의 미세먼지를 정화하는 기능도 있습니다.

수소폭탄

수소폭탄은 핵융합 원리를 이용합니다. 수소의 원자핵을 고온에서 융합하고 헬륨 원자핵을 만들 때 발생되는 강력한 에너지가 사용됩니다. 원자폭탄은 우라늄을 핵분열시켜 많은 양의 방사능을 방출하는 폭탄입니다. 수소 폭탄은 삼중수소를 사용합니다.

 

우주 발사 로켓

로켓은 액체수소를 사용합니다. 수소를 분사하여 산소와 반응해 뜨거운 가스를 만들면 노즐 밖으로 분출된 추진력으로 로켓을 쏘아 올립니다.

 

 

수소에너지를 생산하는 방법

1.     수증기 개질 – 천연가스를 활용한 수증기개질 반응은 상업적으로 가장 보편화된 방법입니다. 전 세계적으로 생산되는 수소는 연간 7천만톤 정도 되는데 이중 75%가 천연가스에서 추출됩니다. 보편적이고 저렴한 이 방법은 단점으로 이산화탄소 발생이 있습니다.

2.     전기분해 – 생산단가가 높아 상용화하기엔 좀 더 기술개발이 필요합니다.

3.     가스화 – 석탄 등의 원료를 고온에서 합성가스를 생산하여 정제 후 수소 생산. 많은 이산화탄소가 발생합니다.

4.     부생수소 – 원유를 정제하는 과정에서 발생, 경유, 휘발유에 비해 상대적으로 낮은 가격

수소 관련주

효성첨단소재(298050) – 수소저장용기의 탄소섬유 생산

일진하이솔루스(271940) – 현대차 넥쏘 수소탱크 공급업체

두산퓨얼셀(336260) – 국내 발전용 연료전지 점유율 1위

에스퓨얼셀(288620) – 연료전지 생산

범한퓨얼셀(382900) – 연료전지 생산