1. 수소 (Hydrogen)
ㅇ 자연에서 가장 풍부하고, 가장 가벼운 원소
- 양성자 1개와 전자 1개로 구성됨 ☞ 원자 모형, 보어 원자 모형 등 참조
2. 수소의 기본 물리적,화학적 특성
ㅇ 원소기호 : H
ㅇ 원자번호 : 1
ㅇ 전자배치 : 1s1
ㅇ 원자가 전자 (최외곽 전자) 수 : 1개
ㅇ 원자가 : 1가 (monovalent)
ㅇ 원자량(몰질량) : 약 1 (1.00794, 1.08) g/mol
ㅇ 원자 반경 : 53 pm
ㅇ 밀도 : 0.08988 g/㎤ (0 ℃, 1 atm)
ㅇ 녹는점 : - 259.16 ℃ (13.99 K)
ㅇ 끓는점 : - 252.879 ℃ (20.271 K)
ㅇ 전기음성도 : 2.20
ㅇ 결정구조 : 육방정
3. 수소의 성질
ㅇ 통상, 이원자 분자(H2)로 존재
- 수소 원자 1개 보다, 수소 기체 분자(H2)로 존재함이 에너지적으로 더 안정함
ㅇ 자연에서 풍부히 존재
- 우주에서 가장 풍부한 원소로써, 우주 중 수소 75% (약 3/4), 헬륨 25 % 정도 라고 함
- 단, 지구는, 수소,헬륨이 가벼워 중력이 못 붙잡어서, 대기 중 수소 0.0005 %, 헬륨 10 % 정도
ㅇ 크기가 작고, 가볍고, 무색, 무취, 가연성 기체 (H2)
- 작은 몰질량, 비 극성 분자
ㅇ 가연성 큼
- 공기 혼합물 내 수소 함유 부피 비 18 ~ 60% 정도에서, 폭발성 있음
ㅇ 다른 원소와 반응성이 큰 편임
- 크기가 작아, 전자에 대한 인력이 커서, 비금속 원소와 공유결합을 함
- 例) 수소와 산소와의 2:1 결합 => 물(H2O), 2:2 결합 => 과산화수소(H2O2)
ㅇ 전자 상태의 특이성
- 수소는, 단 전자 원자(one-electron atom)로,
. 슈뢰딩거 방정식의 정확해(analytic solution)를 갖는 거의 유일한 원자임
- 이에따라, 원자 껍질, 오비탈 개념의 기준 모델로써,
. 원자 스펙트럼 선(발머계열, 라이먼계열 등)은 원자 구조 이해의 출발점임
4. 수소의 화학적 역할
ㅇ 산 염기 반응 : (센 산,약한 산을 구분하는데 유용)
- 수소 이온(H+)은 실제로 자유 상태로 존재하지 않음
. 수용액에서 → H3O+ (하이드로늄 이온) 형태로써,
. pH 정의의 핵심을 이룸 : pH = - log [H+]
ㅇ 산화 환원 반응 : (분자 내 원자의 산화 상태(산화수)를 파악하는데 유용)
- 수소의 산화상태(산화수)는 상황에 따라 달라짐
. 대부분의 화합물 : +1
. 금속 수소화물 (MH) : −1
- 例) NaH, CaH2
5. 수소의 동위 원소
ㅇ 자연에서 수소는, 3개의 동위 원소 형태로 존재함
- 1H (수소,proton) : 원자핵에 1개 양성자 만 있고, 중성자는 없음
- 2H or D (중수소,deuterium) : 원자핵에 1개 양성자, 1개 중성자 있음 (0.02%)
- 3H or T (삼중수소,tritium) : 원자핵에 1개 양성자, 2개 중성자 있음
6. 수소 결합 (Hydrogen Bond)
ㅇ 수소가, 크기가 아주 작고 전기음성도가 큰 원자(플루오린,산소,질소 등)와의 공유결합시,
- 두 쌍극자 간에 강한 인력 발생
. 전기음성도가 큰 원자( F,O,N 등)는 공유된 전자쌍을 끌어당기고 부분적인 음 전하를 띔
. 부분적인 양 전하를 띈 수소는 인접 분자 내 원자의 비공유된 전자쌍과 상호작용하며
인력 발생
* [참고] ☞ naver 지식백과 등
ㅇ 例) 물 등
7. 수소화 (Hydrogenation)
ㅇ 화학반응에서 수소를 흡수 또는 첨가하는 반응
8. 수소 기체의 제조
ㅇ 물의 전기분해
- 例) 2H2O (l) → 2H2 (g) + O2 (g)
. 음극(Cathode) (환원반응) : 2e- + 2H2O (l) → H2 (g) + 2OH- (aq)
. 양극(Anode) (산화반응) : 2H2O (l) → O2 (g) + 4H+ (aq) + 4e-
ㅇ 수소 보다 이온화 경향이 큰 금속(아연 등)을 묽은 산에 넣는 등
- 例) Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2
9. 금속 수소화물 (Metal Hydrides)
ㅇ 수소 저장 재료로 중요 : 수소 에너지원 기술의 핵심
- 例) LaNi5H6, MgH2