수소에 대해 자세히 알아보기

수소는 우주에서 가장 가벼운 화학 원소이며 다른 수소 원자와 결합하여 여러 용도로 사용되는 기체를 형성할 수 있습니다

수소

Unsplash의 Florencia Viadana 이미지

수소는 지금까지 알려진 모든 원소 중 원자량(1u)이 가장 작고 원자번호(Z=1)가 가장 작은 화학 원소입니다. 주기율표의 IA 족(알칼리 금속)의 첫 번째 주기에 위치했음에도 불구하고 수소는 이 족의 원소와 유사한 물리적, 화학적 특성을 가지지 않으므로 그 일부가 아닙니다. 전반적으로 수소는 우주 전체에서 가장 풍부한 원소이며 지구에서는 네 번째로 풍부한 원소입니다.

수소는 독특한 특성을 가지고 있습니다. 즉, 인간에게 알려진 다른 화학 원소와 유사하지 않습니다. 수소는 일반적으로 메탄 및 물과 같은 여러 유형의 유기 및 무기 물질의 구성에 참여합니다. 화학 물질의 일부가 아닌 경우에는 화학식이 H2인 기체 형태로만 독점적으로 발견됩니다.

자연 상태와 정상적인 조건에서 수소는 무색, 무취, 무미의 기체입니다. 에너지를 저장할 수 있는 능력이 뛰어난 분자이기 때문에 재생 가능한 전기 및 열 에너지원으로의 사용이 널리 연구되었습니다.

수소의 발견

16세기 중반에 Pareselsvs는 일부 금속을 산과 반응시키기로 결정하고 결국 수소를 얻었습니다. 이전에 테스트되었지만 Henry Cavendish는 1766년에 가연성 가스에서 수소를 분리하고 이를 화학 원소로 간주했습니다.

금속이 아니므로 비금속은 주기율표에서 그 특성을 구성합니다. 1773년에 앙투안 라부아지에(Antoine Lavoisier)는 화학물질에 수소라는 이름을 부여했는데, 이는 그리스어에서 유래한 것입니다. 수력 그리고 유전자, 그리고 물 생성기를 의미합니다.

자연의 수소

  • 수소는 여러 유기 물질(단백질, 탄수화물, 비타민 및 지질)과 무기 물질(산, 염기, 염 및 수소화물)의 화학적 구성의 일부입니다.
  • 대기 중에서 그것은 두 수소 원자 사이의 공유 결합을 통해 형성되는 분자 형태 H2로 표시되는 기체 형태로 존재합니다.
  • 수소는 또한 생명의 중요한 자원인 물 분자를 구성합니다.

수소 공급원

지구에서 수소는 가장 순수한 형태가 아니라 결합된 형태(탄화수소와 유도체)로 발견됩니다. 이러한 이유로 수소는 다양한 출처에서 추출되어야 합니다. 수소의 주요 공급원은 다음과 같습니다.

  1. 천연 가스;
  2. 에탄올;
  3. 메탄올;
  4. 물;
  5. 바이오매스;
  6. 메탄;
  7. 조류 및 박테리아;
  8. 가솔린과 디젤.

원자 수소 특성

  • 그것은 세 가지 동위 원소 (원자 번호는 같고 질량 수는 다른 원자), 즉 protium (1H1), deuterium (1H2) 및 tritium (1H3)을 가지고 있습니다.
  • 하나의 전자 수평계만 있습니다.
  • 핵심에는 단일 양성자가 있습니다.
  • 그것은 전자 수준에서 단 하나의 전자를 가지고 있습니다.
  • 중성자의 수는 동위원소에 따라 다릅니다. 양성자(중성자 0개), 중수소(중성자 1개) 및 삼중수소(중성자 2개);
  • 그것은 주기율표에서 가장 작은 원자 반지름 중 하나를 가지고 있습니다.
  • 그것은 어떤 금속 원소보다 더 큰 전기 음성도를 가지고 있습니다.
  • 그것은 어떤 금속 원소보다 더 큰 이온화 잠재력을 가지고 있습니다.
  • 양이온(H+) 또는 음이온(H-)으로 변환할 수 있는 원자입니다.

수소 원자의 안정성은 원자가 껍질(원자의 가장 바깥쪽 껍질)에서 전자를 받을 때 달성됩니다. 이온 결합에서 수소는 금속과 독점적으로 상호 작용하여 전자를 얻습니다. 공유 결합에서 수소는 전자를 금속 또는 자체와 공유하여 단일 결합을 형성합니다.

분자수소(H2)의 특성

  • 실온에서 항상 기체 상태로 발견됩니다.
  • 가연성 가스입니다.
  • 융점은 -259.2°C입니다.
  • 끓는점은 -252.9°C입니다.
  • 그것은 가장 가벼운 기체인 2g/mol과 같은 몰 질량을 가지고 있습니다.
  • 관련된 두 수소 원자 사이에 시그마 공유 결합, 유형 s-s가 있습니다.
  • 원자 사이에는 두 개의 전자가 공유됩니다.
  • 선형 분자 기하학을 가지고 있습니다.
  • 분자는 비극성입니다.
  • 분자는 유도된 쌍극자 힘을 통해 상호 작용합니다.

분자 수소는 여러 화합물과 화학적 친화력이 뛰어납니다. 이 속성은 두 개 이상의 물질이 접촉하지만 그들 사이에 친화력이 없어도 반응이 일어나지 않기 때문에 다른 물질과 반응하는 물질의 능력에 관한 것입니다. 이러한 방식으로 수소화, 연소 및 단순 교환과 같은 반응에 참여합니다.

분자 수소(H2)를 얻는 방법

물리적 방법

분자 수소는 이 혼합물에 존재하는 가스 중 하나이기 때문에 대기에서 얻을 수 있습니다. 이를 위해서는 대기를 분별액화법으로 처리한 후 분별증류를 거쳐야 한다.

화학적 방법

분자 수소는 다음과 같은 특정 화학 반응을 통해 얻을 수 있습니다.

  • 단순 교환: 비귀금속(Me)이 무기산(HX)에 존재하는 수소를 대체하여 염(MeX)과 분자 수소(H2)를 형성하는 반응:
    • 나 + HX → MeX + H2
  • 점결탄의 수화(석탄 부산물): 이 반응에서 석탄의 탄소(C)는 물의 산소(H2O)와 상호 작용하여 일산화탄소와 수소 가스를 형성합니다.
    • C + H2O → CO + H2
  • 물 전기분해: 물이 전기분해 과정을 거치면 산소와 수소 가스가 형성됩니다.
    • H2O(1) → H2(g) + O2(g)

수소 유틸리티

  • 로켓 또는 자동차용 연료;
  • 금속 절단을 위한 아크 플래시 토치(전기 에너지 사용);
  • 용접;
  • 유기 합성, 보다 정확하게는 탄화수소 수소화 반응;
  • 지방을 식물성 기름으로 바꾸는 유기 반응;
  • 할로겐화수소 또는 수소화된 산의 생산;
  • 수소화나트륨(NaH)과 같은 금속 수소화물 생산.

수소폭탄

수소 폭탄, 수소 폭탄 또는 열핵 폭탄은 파괴 가능성이 가장 큰 원자 폭탄입니다. 그 작동은 핵융합 과정에서 비롯되기 때문에 핵융합 폭탄이라고도 할 수 있습니다.

수소 폭탄의 폭발은 약 섭씨 1천만 도의 매우 높은 온도에서 일어나는 핵융합 과정에서 발생합니다. 이 폭탄의 생산 과정은 수소 동위원소인 protium, deuterium, tritium의 결합으로 시작됩니다. 수소 동위원소의 접합은 원자핵이 훨씬 더 많은 에너지를 생성하도록 하는 데, 그 이유는 원자 질량이 수소보다 4배 더 큰 헬륨 핵이 형성되기 때문입니다.

따라서 가볍던 코어가 무거워집니다. 따라서 핵융합 과정은 핵분열 과정보다 수천 배 더 폭력적입니다. 수소폭탄의 위력은 1000만 톤에 달하는 다이너마이트에 달해 원자폭탄보다 훨씬 높은 수준의 방사성 물질과 전자파를 방출한다.

1952년 수소폭탄의 첫 번째 실험에서 TNT 약 1천만 톤에 해당하는 에너지가 방출되었습니다. 이러한 반응이 태양과 같은 별의 에너지원이라는 점은 주목할 만하며, 수소 73%, 헬륨 26%, 기타 원소 1%로 구성되어 있습니다. 이것은 수소 원자가 융합하여 헬륨 원자를 형성하는 핵에서 핵융합 반응이 일어난다는 사실에 의해 설명됩니다.

수소에 대한 재미있는 사실

  • 분자 수소는 공기보다 가볍고 독일 백작 페르디난트 폰 체펠린(Ferdinand von Zeppelin)이 단단한 비행선에 사용했기 때문에 비행선의 이름입니다.
  • 분자 수소는 일부 박테리아와 조류에 의해 합성될 수 있습니다.
  • 수소는 청정 에너지 연료 생산에 사용될 수 있습니다.
  • 메탄 가스(CH4)는 점점 더 중요한 수소 공급원입니다.


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