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[궁금한S] 세상을 바꾼 신비한 원소…'수소'란 무엇일까?

[앵커]
수소는 가장 가벼우면서 질량 기준으로 우주의 75%를 구성하고 있는 가장 흔한 원소인데요.

과거 수소의 발견은 화학과 물리학 발전의 토대가 됐고, 현재는 경제 성장의 새로운 원동력이 되고 있습니다.

수소는 어떻게 발견됐고, 현재는 어디에서 활용되고 있을까요? 지금 바로 화면으로 만나보시죠.

[이효종 / 과학유튜버]
안녕하세요! 과학의 모든 궁금증을 해결하는 궁금한 S의 이효종입니다.

궁금한 S와 함께할 오늘의 이야기 만나볼게요.

여러분은 수소에 대해 얼마나 알고 계시나요? 우주에서 가장 존재량이 많다! 모든 물질 가운데 가장 가벼운 기체 원소다, 화석연료를 대체할 차세대 에너지원으로 주목받고 있다! 뭐 이런 다양한 지식이 있죠? 그런데 수소는 알고 보면 더 놀랍고 신비한 일을 할 수 있답니다.

물질의 변화를 들여다볼 때 과학에서는 보통 두 가지의 변화를 이야기합니다.

하나는 물리적 변화, 그리고 다른 하나는 화학적 변화이죠. 물리변화는 모양이나 상태만 변하는, 말 그대로 물리적으로 부수고 깨는 형태의 변화를 말하고, 화학변화는 모양과 함께 물질의 결합상태가 변해, 성질까지 변하는 것을 말하죠.

그래서 화학변화가 일어날 경우 기존의 물질과는 다른 성질의 물질이 반응 중 등장해, 냄새가 나는 기체가 발생하거나, 색이 변하거나 하는 현상들이 발생합니다. 오늘 보여드릴 이 실험도, 그러한 화학적 변화 중 하나이지요.

자, 그럼 간단한 실험재료를 소개해드릴게요. 아주 작은 비커 두 개와 마그네슘 조각, 묽은 염산 용액이 있습니다. 이 염산은 10% 정도의 염화수소가 잘 용해된 용액입니다.

이 염화수소가 물속에 들어가면 수소이온을 굉장히 많이 방출하게 되는데, 수소이온의 농도가 높을수록 산성의 성질이 강하다는 걸 우리는 잘 알고 있습니다. 아시다시피 염산은 매우 강한 산성이죠? 이렇게 비커 속에 마그네슘 조각 조금이랑 염산을 조금 넣으면 어떤 일이 일어날까요?

보이세요? 무언가 보글보글 끓는 격렬한 반응이 일어났는데요. 그런데 자세히 보니까 마그네슘 조각이 사라졌습니다. 대체 이 안에서 무슨 일이 일어난 것일까요?

이번에는 보글보글 올라오는 기체를 좀 더 명확하게 보기 위해서 삼각 플라스크와 고무풍선을 준비했습니다. 먼저, 묽은 염산을 삼각 플라스크 속에 넣어줍니다. 다음으로 이 마그네슘 조각을 고무풍선 안에 집어넣은 다음에 고무풍선을 삼각플라스크 위에 씌워서 안쪽으로 마그네슘 조각이 들어갈 수 있도록 해줄게요.

마그네슘 조각들이 묽은 염산에 들어가자마자 보글보글 거품이 끓으며 격렬한 반응이 일어나는 것을 알 수 있죠? 이때 발생하는 기체를 고무풍선에 모아보겠습니다. 바로 이 고무풍선 안에 모여 있는 기체가, 수소입니다.

이런 신기한 반응이 일어나는 이유는 무엇일까요? 묽은 염산 속에는 정말 많은 수소이온이 존재하는데요. 이 이온들이 마그네슘 금속을 산화시키면서 즉, 금속의 전자를 빼앗아오면서 자신은 수소 기체가 되는 격렬한 산화-환원 반응이 일어나는 것입니다. 격렬한 산화-환원 반응 때문에 이 플라스크는 매우 뜨거운 온도를 가지고 있어요.

이렇듯 우리는 수소 기체가 산화-환원 반응을 통해 일어난다는 사실을 잘 알고 있지만, 이러한 지식체계가 없었던, 과거의 과학자들은 이 수소를 어떻게 발견할 수 있었을까요?

수소를 최초로 발견한 것으로 추정되는 인물은 16세기 무렵에 활동했던 생물학자이자 연금술사, 파라켈수스입니다. 그는 앞서 행했던 실험과 마찬가지로 독성물질을 연구하던 중 금속에 산성 물질을 넣는 실험을 행한 적이 있었는데요.

바로 이때 산성 물질로부터 금속이 공격을 받으면 무언가 알 수 없는 거품이 발생한다는 사실을 발견했습니다. 그러나 안타깝게도 파라켈수스는 이 거품에 대해서 깊은 연구를 진행하지는 않았습니다.

그러나 이로부터 약 200년이 지난 후 한 자연 철학자에 의해 이 기체는 뭔가 다르다는 것을 알게 되는데요.

이 과학자는 바로 '헨리 캐번디시'입니다. 캐번디시는 산성 물질에 닿은 금속에서 발생하는 이 기포를 차곡차곡 모아서 여러 탐구를 수행했습니다. 그 후 그는 이 기체가 무색, 무취, 무미를 띄고 있다는 것을 알게 되었는데요. .

이후 프랑스의 앙투안 라부아지에는 앞서 진행되었던 캐번디시의 실험을 재연하는 과정에서 이미 1776년 월타이어에 의해 발견된 지식인 '실험을 통해 모인 기체를 연소시키면 물이 발생한다'는 사실을 여러 측면에서 검증하게 되었는데요. 이 검증을 통해 '물을 만들어내는 신비로운 원소'라는 의미에서 '수소'로 이 원소의 이름을 명명하게 되었고, 이후 수소는 많은 과학 분야에서 놀라운 발견의 방아쇠가 되었습니다.

돌턴의 원자설 이후 더는 쪼갤 수 없는 물질의 가장 작은 단위가 원자라고 생각할 무렵 스위스에서 고등학교 교사로 재직하던 수학자 요한 발머는 수소 원자의 스펙트럼의 규칙성을 발견했는데요. 이 수소 원자의 스펙트럼을 통해서 원자보다 더 작은 세계가 있다는 것을 알게 되었죠.

수소 원자의 스펙트럼은 우리 은하의 분포는 물론 마젤란 성운의 발견, 초기 우주에 존재했던 가장 밝은 퀘이사의 발견 등 장대한 우주의 비밀을 푸는 단서가 되기도 했습니다.

그렇다면 현재 수소는 어디에 이용되고 있을까요?

공기보다 밀도가 낮은 특성으로 수소는 기구나 비행선 등의 각종 탈것에 사용되어 왔습니다. 하지만 수소는 작은 마찰에도 연소가 되어 폭발할 가능성이 있어 오늘날엔 기구나 비행기에서는 거의 사용하지 않고 있죠. 이러한 1차원적 활용을 넘어, 이제는 2차전지의 연료로써 사용되거나, 각종 연구단지 등에서 연구의 용도로 사용되는 게 일반적입니다. 일상 속에서 찾아본다면.... 음... 수소 자동차가 있겠네요!

수소자동차는 대기 오염을 일으키는 휘발유나 디젤 자동차의 대안으로 나온 전기 자동차입니다. 수소 기체와 산소 기체의 강력한 친화력을 이용하여 두 기체 사이에 존재하는 전해질을 통해 이온을 그리고 도선을 통해 전자를 교환함으로써 그 과정에서 발생하는 열과 전기를 이용하는 연료전지를 사용하고 있습니다.

오늘은 주기율표 1번! 우주 탄생 이래로 가장 먼저 만들어지기도 한 기본이 되는 원소인 수소에 대해 알아봤는데요. 우주에서 제일 많은 이 수소가, 환경오염 등의 문제를 해결하고 미래의 에너지 산업을 책임질 수 있길 기대해보겠습니다.

그럼 궁금한 S는 여기서 이만 인사드릴게요. 과학에 대한 궁금증이 있다면 언제든 유튜브에 사이언스 투데이를 검색해주세요. 이상 궁금한 S였습니다.
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