수소와 수소 화합물의 성질

 

수소는 우주 생성의 기점인 빅뱅 후 처음 몇 초 안에 생성되었고 우주에 존재하는 모든 원자의 89%가 수소인 만큼 가장 풍부하게 존재하는 원소입니다. 그러나 수소분자는 아주 가볍고 매우 빠른 속도로 운동하기 때문에 지구 중력을 벗어나 우주 공간으로 날아가 버려 지구상에서는 수소 분자가 대부분 존재하지 않습니다. 수소 원자는 산소와 같은 무거운 원자와 결합하여 화합물을 이룬 상태에서만 존재하는데, 지구상에서는 대부분 물 분자를 이루어 바다나 광물과 진흙 안에 포획된 상태로 존재합니다. 수소는 석탄, 석유 천연가스 등의 화학 연료를 구성하는 탄화수소에도 포함되어 있습니다. 따라서 수소 원자만을 얻어내기 위해서는 에너지가 필요합니다. 따라서 수소를 연료로 사용하기 위해서는 수소를 연소시켜 얻을 수 있는 것보다 적은 에너지를 이용하여 수소를 생산할 수 있어야 합니다. 그래야 다른 에너지원보다 경쟁력이 있을 테니까요. 

 

수소는 미래의 에너지원으로 수소전기차에 이용되고 있습니다. 수소는 연소 시 물만 생성되기 때문에 환경오염을 유발하지 않는다는 점에서 매우 친환경적인 에너지원입니다. 수소전기차는 연소시킬 산소를 대기로부터 얻는데, 이때 순도가 높은 산소를 얻기 위해 공기 청정 시스템이 포함되어 있어 대기오염도 줄여주는 효과도 있다고 할 수 있습니다. 또한 석유, 석탄 및 천연가스의 매장량은 한정적이기 때문에 점차 고갈되어 가겠지만, 수소는 물로부터 얻을 수 있기 때문에 무한하기도 합니다.   

 

수소 원소의 성질

수소 원소는 1족의 원소들과 동일한 원자가전자 배치를 가지고 있고 1가 양이온을 형성한다는 점을 제외하고는 알칼리 금속과의 유사성이 거의 없습니다. 수소는 어느 족에도 포함시키기 어려운 고유한 성질을 지닌 원소입니다.

 

수소는 무색, 무취, 무미인 물리적 성질을 가지고 있는 기체입니다. 수소 분자는 비극성이고 전자 수가 적어서 분자 간에는 London 힘에 의한 아주 약한 인력만이 존재합니다. 다시 말해 분자 간에 작용하는 힘이 매우 약합니다. 수소는 매우 낮은 온도(20K)로 냉각시켜야 액화됩니다. 수소전기차에 수소를 충전시킬 때도 액체 상태의 수소를 연료탱크에 저장합니다. 액체 상태의 액화 수소의 물리적 특징 중 중요한 하나는 밀도(0.0070g/m3)가 매우 작다는 점입니다. 수소의 밀도는 물의 밀도의 1/10에도 미치지 못하는 값으로 액화 수소는 매우 가볍고, 알려진 모든 연료 중에서 비엔탈피(specific enthalpy)가 가장 큽니다. 

 

수소 화합물의 성질

수소는 양이온과 음이온을 모두 형성하는 특이한 물질입니다. 이런 특성을 갖게 된 이유는 전자 배치때문으로, 완결된 원자가전자 배치를 갖기 위해서는 추가로 하나의 전자만 필요하기 때문에 -1가 이온을 형성하기도 합니다. 또한 수소는 중간 정도의 전기음성도를 갖고 있어, 비금속 및 준금속 모두와 공유 결합을 형성할 수 있습니다. 

 

수소화 이온의 크기는 불화 이온과 염화 이온의 사잇값인 154 pm으로 큰 편입니다. 이러한 이유로 수소화 이온은 큰 편극성을 보이며 양이온과의 결합에서 상당한 공유 결합적 성질을 갖습니다. 수소화 이온은 두 개의 전자를 가지고 있는데, 수소의 핵전하는 +1이기 때문에 전자를 잃어버리기 쉽습니다. 따라서 이온성 수소화물은 강력한 환원제로 작용하며, 수소화 이온은 물과 접촉하자마자 즉시 반응합니다. 

 

질소, 산소, 불소와 같이 전기음성도가 아주 큰 원자와 수소 결합한 화합물은 매우 강한 분자 간 상호작용을 갖습니다. 수소 결합은 같은 조합의 원자 간 공유 결합의 5% 정도의 세기를 갖습니다.

 

불활성 기체와 인듐, 탈륨을 제외한 모든 주족원소는 수소와 이성분 화합물을 형성합니다. 이성분 수소화물들을 비교하면 주기적 경향을 발견할 수 있습니다. 주족 원소 수소화물의 화학식은 족 번호와 직접 연관되어 있고, 원소의 전형적인 원자가를 보여 줍니다. 이성분 수소화물의 성질은 수소와 결합하는 원소의 특성과 관련이 있습니다. 강한 전기양성도의 금속 원소는 수소와 이온 결합 화합물을 형성하며, 이 경우 수소가 수소 음이온으로 존재합니다. 이런 화합물을 이온성 수소화물이라 부릅니다. 베릴륨을 제외한 s 구역의 모든 원소가 이온성 수소화물을 형성하는데 수소 기체하에서 금속을 가열하면 만들 수 있습니다. 금속성 수소화물은 검은색의 전기 전도성을 갖는 분말성 고체로 d 구역 금속을 수소 기체 속에서 가열하면 만들 수 있습니다. 비금속 원소들은 공유 결합 성격의 분자성 수소화물을 만들며, 이 화합물은 개별 분자로 구성됩니다. 상온에서 암모니아, 할로겐 수소, 가벼운 탄화수소와 같이 기체로 존재하는 것도 있고, 물이나 분자량이 큰 탄화수소와 같이 액체로 존재하는 것도 있습니다.