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수소

Hydrogen
수소, H
플라즈마 상태에서 보라색 빛이 납니다.
수소
외모무색기체
표준 원자량 Ar°(H)
  • [1.00784, 1.00811]
  • 1.0080±0.0002 (abridged)[1]
주기율표의 수소
수소 헬륨
리튬 베릴륨 붕소 탄소 질소 산소 플루오린 네온
나트륨 마그네슘 알루미늄 실리콘 유황 염소 아르곤
칼륨 칼슘 스칸듐 티타늄 바나듐 크롬 망간 코발트 니켈 구리 아연 갈륨 게르마늄 비소 셀레늄 브로민 크립톤
루비듐 스트론튬 이트리움 지르코늄 니오븀 몰리브덴 테크네튬 루테늄 로듐 팔라듐 실버 카드뮴 인듐 주석 안티몬 텔루륨 요오드 제논
세슘 바륨 란타넘 세륨 프라세오디뮴 네오디뮴 프로메튬 사마륨 유로퓸 가돌리늄 테르븀 디스프로슘 홀뮴 에르븀 툴륨 이터븀 루테튬 하프늄 탄탈룸 텅스텐 레늄 오스뮴 이리듐 플래티넘 골드 수은(원소) 탈륨 이끌다 비스무트 폴로늄 아스타틴 라돈
프랑슘 라듐 악티늄 토륨 프로탁티늄 우라늄 넵투늄 플루토늄 아메리슘 큐륨 베르켈륨 칼리포르늄 아인슈타이늄 페르뮴 멘델레븀 노벨륨 로렌시움 러더포디움 두브늄 시보르기움 보륨 하시움 미트네륨 다름슈타디움 뢴트게늄 코페르니슘 니혼륨 플레로븀 모스코비움 리보모륨 테넨신 오가네손


H

중성자 수소 헬륨
원자번호 (Z)1
그룹.그룹 1: 수소 및 알칼리 금속
기간1교시
블록 s블록의
전자구성1s1
포탄당 전자1
물성
단계 STP에서가스의
융점(H2) 13.99 K (−259.16 °C, −434.49 °F)
끓는점(H2) 20.271 K (−252.879 °C, −423.182 °F)
밀도 (STP에서)0.08988g/L
액체일 때에0.07 g/cm3 (solid: 0.0763 g/cm3)[2]
액체일 때에0.07099 g/cm3
삼중점13.8033 K, 7.041 kPa
임계점32.938 K, 1.2858 MPa
융해열(H2) 0.117 kJ/mol
기화열(H2) 0.904 kJ/mol
몰열용량(H2) 28.836 J/(mol·K)
증기압
P (Pa) 1 10 100 1k 10k 100k
(K) 15 20
원자적 성질
산화상태-1, 0, +1 (암포테릭 옥사이드)
전기음성도폴링 눈금: 2.20
이온화 에너지
  • 1st: 1312.0 kJ/mol
공유반지름오후 31±5
반데르발스 반지름오후 120시
Color lines in a spectral range
수소의 스펙트럼선
기타속성
자연발생원시의
결정구조 육각형의
Hexagonal crystal structure for hydrogen
음속1310 m/s (gas, 27 °C)
열전도율0.1805W/(m⋅K)
자기순서반자성의[3]
몰 자기 감수성−3.98×10−6 cm3/mol (298 K)[4]
CAS 번호12385-13-6
1333-74-0 (H2)
역사
디스커버리헨리 캐번디시[5][6] (1766)
이름자앙투안 라부아지에[7] (1783)
수소 동위 원소
주동위원소 썩음
흥겨운 ­춤 반감기 (t1/2) 모드 ­ 제품
1 99.9855% 안정적인.
2 0.0145% 안정적인.
3 추적하다 12.32 y β 3
카테고리: 수소
참고 문헌

수소화학 원소기호 H원자 번호 1을 가지고 있습니다. 가장 가벼운 원소이며 표준 조건에서는 화학식 H2 가진 이원자 분자기체입니다. 무색, 무취, 무미,[8] 무독성, 가연성이 높습니다. 수소는 우주에서 가장 풍부한 화학물질로, 모든 정상 물질의 약 75%를 차지합니다.[9][note 1] 태양과 같은 별들주로 플라즈마 상태의 수소로 구성되어 있습니다. 지구상의 수소의 대부분은 이나 유기 화합물과 같은 분자 형태로 존재합니다. 가장 일반적인 수소 동위원소(기호 H)의 경우, 각 원자는 하나의 양성자, 하나의 전자, 그리고 중성자를 가지고 있지 않습니다.

초기 우주에서는 빅뱅 이후 첫 1초 동안 수소의 핵인 양성자의 형성이 이루어졌습니다. 우주 전체에서 중성 수소 원자의 출현은 약 37만 년 후, 전자가 양성자에 결합된 상태로 유지될 수 있을 정도로 플라즈마가 냉각된 재결합 시대에 일어났습니다.[10]

수소는 비금속(극도로 높은 압력에서 금속성이 되는 경우는 제외)이며 대부분의 비금속 원소와 쉽게 단일 공유 결합을 형성하여 및 거의 모든 유기 화합물과 같은 화합물을 형성합니다. 수소는 산-염기 반응에서 특히 중요한 역할을 하는데, 이러한 반응은 보통 용해성 분자 사이에서 양성자의 교환을 수반하기 때문입니다. 이온성 화합물에서 수소는 수소화물로 알려진 음전하(즉, 음이온) 또는 기호 H+ 표시된 양전하(즉, 양이온) 의 형태를 취할 수 있습니다. H+ 양이온은 단순히 양성자(기호 p)이지만 수용액이온 화합물에서의 행동은 근처의 극성 분자 또는 음이온에 의한 전하의 스크리닝을 포함합니다. 수소는 슈뢰딩거 방정식을 해석적으로 풀 수 있는 유일한 중성 원자이기 때문에,[11] 수소의 에너지와 화학적 결합에 대한 연구는 양자역학의 발전에 핵심적인 역할을 했습니다.

수소 가스는 16세기 초에 금속에 대한 산의 반응에 의해 처음으로 인공적으로 생산되었습니다. 1766년에서 1781년 사이에 헨리 캐번디시는 수소 가스가 이산적인[12] 물질이라는 것과 연소될 때 물을 생성한다는 것을 처음으로 인식했습니다. 그리스어로 수소는 "물-포머(water-former)"를 의미합니다.

산업 생산은 주로 천연 가스증기 개질, 석유 개질 또는 석탄 가스화로부터 이루어집니다. 또한 물의 전기 분해와 같은 보다 에너지 집약적인 방법을 사용하여 적은 비율이 생성됩니다.[13][14] 대부분의 수소는 생산지 근처에서 사용되며, 가장 큰 두 가지 용도는 화석 연료 처리(예: 수소 분해)와 암모니아 생산입니다. 수소는 연료 전지에서 에너지원으로 사용되어 전기를 생산하거나 연소를 통해 열을 발생시킬 수 있습니다.[15] 연료 전지에서 수소가 소비될 때 사용 시점에서 배출되는 것은 수증기뿐입니다.[15] 수소의 연소는 질소 산화물의 열 형성으로 이어질 수 있습니다.[15] 수소 원자는 금속을 흡수할 수 있습니다.[16]

특성.

연소

공기 중의 산소와 수소의 연소. 바닥 캡을 제거해 공기가 바닥에 들어가도록 하면 용기 안의 수소가 위에서 올라와 공기와 섞이면서 연소됩니다.
A black cup-like object hanging by its bottom with blue glow coming out of its opening.
우주왕복선 메인 엔진은 수소를 산소와 함께 태우면서 최대 추진력으로 거의 보이지 않는 불꽃을 만들어냈습니다.

수소 가스(이수소 또는 분자 수소)[17]는 가연성이 높습니다.

2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l) (572 kJ/2 mol = 286 kJ/mol = 141.865 MJ/kg)[note 2]

연소 엔탈피는 -286kJ/mol입니다.[18]

수소 가스는 4~74%[19] 농도의 공기와 5~95%의 염소와 폭발성 혼합물을 형성합니다. 공기 중 자발적 점화 온도인 수소 자기 점화 온도는 500°C(932°F)입니다.[20]

불꽃

순수한 수소-산소 화염은 자외선을 방출하고 높은 산소 혼합물은 과염소산암모늄 합성물사용하는 우주왕복선 고체 로켓 부스터의 가시광선에 비해 우주왕복선 메인 엔진의 희미한 플룸에서 볼 수 있듯이 육안으로는 거의 보이지 않습니다. 연소 중인 수소 누출을 감지하려면 화염 감지기가 필요할 수 있습니다. 이러한 누출은 매우 위험할 수 있습니다. 다른 조건의 수소 불꽃은 파란색 천연가스 불꽃과 유사한 파란색입니다.[21] 힌덴부르크 비행선의 파괴는 수소 연소의 악명 높은 사례였고 그 원인은 여전히 논쟁 중입니다. 사진에서 보이는 불길은 비행선 피부에 있는 탄소 화합물이 타면서 생긴 것입니다.[22]

반응물

H2 할로겐이나 산소와 같은 이원자 원소에 비해 반응성이 없습니다. 이러한 낮은 반응성의 열역학적 기초는 매우 강한 H-H 결합이며, 결합 해리 에너지는 435.7 kJ/mol입니다.[23] 낮은 반응성의 운동적 기초는 H2 비극성 특성과 약한 편광성입니다. 염소, 불소와 자연적으로 반응하여 각각 염화수소불화수소를 형성합니다.[24] H2 반응성은 금속 촉매의 존재에 의해 강한 영향을 받습니다. 따라서 H2 O2 또는 공기의 혼합물은 스파크 또는 불꽃에 의해 최소 500°C로 가열될 때 쉽게 연소되지만 촉매가 없을 때는 실온에서 반응하지 않습니다.

전자 에너지 준위

Drawing of a light-gray large sphere with a cut off quarter and a black small sphere and numbers 1.7x10−5 illustrating their relative diameters.
중심 양성자의 크기가 표시된 수소 원자의 묘사, 원자 지름은 보어 모델 반경의 약 2배로 표시됨(스케일링이 아닌 이미지)

수소 원자에서 전자의 바닥 상태 에너지 준위는 -13.6eV[25]91nm 파장의 자외선 광자와 맞먹습니다.[26]

수소의 에너지 수준은 원자의 보어 모델을 사용하여 상당히 정확하게 계산할 수 있습니다. 보어 모델은 전자를 지구의 태양 궤도와 유사하게 양성자를 "궤도"시키는 것으로 개념화합니다. 그러나 전자기력에 의해 원자 전자와 양성자가 함께 붙잡혀 있는 반면, 행성과 천체는 중력에 의해 붙잡혀 있는 것입니다. 보어가 초기 양자역학에서 가정한 각운동량의 이산화 때문에 보어 모델의 전자는 양성자로부터 특정한 허용 거리만 차지할 수 있으며 따라서 특정한 허용 에너지만 차지할 수 있습니다.[27]

수소 원자에 대한 더 정확한 설명은 슈뢰딩거 방정식, 디랙 방정식 또는 파인만 경로 적분 공식을 사용하여 양성자 주위의 전자의 확률 밀도를 계산하는 순수 양자 기계적 처리에서 비롯됩니다.[28] 가장 복잡한 처리는 특수 상대성 이론과 진공 분극의 작은 효과를 허용합니다. 양자역학적 처리에서 바닥상태 수소원자에 있는 전자는 각운동량이 전혀 없는데, 이는 '행성 궤도'가 전자의 운동과 어떻게 다른지를 보여줍니다.

스핀 이성질체

분자 H2 두 개의 스핀 이성질체, 즉 핵의 스핀 상태만 다른 화합물로 존재합니다.[29] 오르토 수소 형태에서는 두 핵의 스핀이 평행하여 총 분자 S = displaystyle S = 1을 갖는 스핀 삼중항 상태를 형성하고, 파라 수소 형태에서는 스핀이 반평행하고 스핀 S = 0 {\displaystyle S = 0}을 갖는 스핀 단일항 상태를 형성합니다. 오르토 대 파라 수소의 평형 비율은 온도에 따라 달라집니다. 상온 또는 고온에서 평형 수소 가스는 파라폼의 약 25%와 오르토폼의 약 75%를 포함합니다.[30] 오르토 형태는 파라 형태보다 1.455 kJ/mol만큼 높은 에너지를 갖는 들뜬 상태이며,[31] 저온으로 냉각되면 몇 분 동안 파라 형태로 전환됩니다.[32] 형태의 열 특성은 허용되는 회전 양자 상태가 다르기 때문에 열 용량과 같은 열 특성이 다릅니다.[33]

H에서의2 오르토 대 파라 비율은 액체 수소액화 및 저장에서 중요한 고려 사항입니다: 오르토에서 파라로의 전환은 발열성이며 냉각 과정에서 먼저 파라 수소로 전환되지 않으면 대부분의 액체가 증발할 만큼 충분한 열을 생성합니다.[34] 이러한 액체의 손실을 방지하기 위해 수소 냉각 중에 산화 제2철활성탄 화합물과 같은 오르토-파라 상호 변환을 위한 촉매가 사용됩니다.[35]

페이즈

수소 가스는 무색 투명하며, 여기에는 유리 앰플이 들어 있습니다.
Phase diagram of hydrogen on logarithmic scales. Lines show boundaries between phases, with the end of the liquid-gas line indicating the critical point. The triple point of hydrogen is just off-scale to the left.
수소의 위상도. 온도와 압력 척도는 로그이므로 한 단위는 10배 변화에 해당합니다. 왼쪽 가장자리는 대기압 정도인 10Pa에5 해당합니다.[image reference needed]

컴파운드

공유 및 유기 화합물

H2 표준 조건에서는 그다지 반응성이 없지만 대부분의 원소와 화합물을 형성합니다. 수소는 할로겐(F, Cl, Br, I) 또는 산소와 같이 전기적으로 더 부정적인 원소와 화합물을 형성할 수 있습니다. 이러한 화합물에서 수소는 부분적으로 양전하를 띕니다.[36] 수소는 좀 더 전기적인 음극, 특히 불소, 산소, 질소와 결합하면 단독쌍을 갖는 다른 전기적인 음극과 중간 강도의 비공유결합 형태로 참여할 수 있는데, 이 현상을 수소결합이라고 하는데, 이 현상은 많은 생물 분자의 안정성에 매우 중요합니다.[37][38] 또한 수소는 금속이나 메탈로이드와 같이 전기적으로 덜 부정적인 원소를 가진 화합물을 형성하고, 여기서 부분적으로 음전하를 띕니다. 이러한 화합물은 종종 수소화물로 알려져 있습니다.[39]

수소는 탄화수소라고 불리는 탄소와 함께 광범위한 화합물을 형성하고, 생물과 일반적인 연관성 때문에 유기 화합물이라고 불리는 헤테로 원자를 가진 더 큰 배열을 형성합니다.[40] 그들의 특성에 대한 연구는 유기 화학으로[41] 알려져 있고 살아있는 유기체의 맥락에서 그들의 연구는 생화학으로 알려져 있습니다.[42] 어떤 정의에 따르면 "유기" 화합물은 탄소만 포함하면 됩니다. 그러나 대부분 또한 수소를 포함하고 있으며, 이러한 종류의 화합물에 특정 화학적 특성의 대부분을 부여하는 것은 탄소-수소 결합이기 때문에 화학에서 "유기"라는 단어의 일부 정의에 탄소-수소 결합이 필요합니다.[40] 수백만 개의 탄화수소가 알려져 있으며, 대개 원소 수소가 거의 관여하지 않는 복잡한 경로에 의해 형성됩니다.

수소는 많은 희토류전이 금속[43] 매우 잘 녹으며 나노 결정과 비정질 금속 모두에 잘 녹습니다.[44] 금속에 대한 수소 용해도결정 격자의 국부적인 왜곡이나 불순물에 의해 영향을 받습니다.[45] 이러한 특성은 뜨거운 팔라듐 디스크를 통과하여 수소를 정제할 때 유용할 수 있지만 가스의 높은 용해도는 많은 금속을 취화시키[16]데 기여하여 파이프라인 및 저장 탱크의 설계를 복잡하게 하는 야금학적 문제입니다.[46]

수소화물

수소화나트륨 샘플

수소의 화합물은 종종 수소화물이라고 불리는데, 이 용어는 상당히 느슨하게 사용됩니다. 수소화물(hydride)이라는 용어는 H 원자가 H 표시되는 음 또는 음이온의 특성을 획득했음을 시사하며, 수소가 더 많은 의 원소와 화합물을 형성할 때 사용됩니다. 길버트 N이 제안한 수소화물 음이온의 존재. 1916년 루이스는 1족과 2족의 염과 같은 수소화물에 대해 1920년 Moers에 의해 용융된 리튬 수소화물(LiH)의 전기분해에 의해 입증되어 양극에서 화학양론적 양의 수소를 생성했습니다.[47] 1족과 2족 금속 이외의 수소화물의 경우, 수소의 낮은 전기음성도를 고려할 때, 이 용어는 상당히 오해의 소지가 있습니다. 그룹 2 수소화물의 예외는 고분자인 BeH입니다2. 리튬 알루미늄 수소화물에서 [AlH4] 음이온은 Al(III)에 단단히 부착된 수소화물 중심을 운반합니다.

수소화물은 거의 모든 주족 원소로 형성될 수 있지만, 가능한 화합물의 수와 조합은 매우 다양합니다. 예를 들어 100개 이상의 쌍성 보란 수소화물이 알려져 있지만 쌍성 알루미늄 수소화물은 단 1개에 불과합니다.[48] 이항 수소화 인듐은 더 큰 복합체가 존재하지만 아직 확인되지 않았습니다.[49]

무기화학에서 수소화물은 배위 복합체에서 두 개의 금속 중심을 연결하는 가교 리간드 역할도 할 수 있습니다. 이 기능은 특히 13족 원소, 특히 붕산(붕소수소화물)과 알루미늄 복합체, 그리고 클러스터된 카르보란에서 일반적으로 사용됩니다.[50]

양성자와 산

수소의 산화는 그 전자를 제거하고 H+ 제공하는데, H는 전자를 포함하지 않고 보통 하나의 양성자로 구성된 핵을 포함합니다. 그래서+ H는 종종 양성자라고 불립니다. 종은 산에 대한 논의의 중심입니다. 브뢴스테드 밑에서-산-염기 이론, 산은 양성자 공여체이고 염기는 양성자 수용체입니다.

양성자+ H는 전자를 가진 다른 원자나 분자에 멈출 수 없는 인력을 가지고 있기 때문에 용액이나 이온 결정에 존재할 수 없습니다. 플라스마와 관련된 높은 온도를 제외하고, 그러한 양성자는 원자와 분자의 전자 구름으로부터 제거될 수 없고, 그것들에 부착된 채로 남아 있을 것입니다. 그러나 '양성자'라는 용어는 때때로 느슨하고 은유적으로 사용되어 이러한 방식으로 다른 종에 부착된 양전하 또는 양이온성 수소를 가리킵니다. 따라서 단일 양성자가 종으로 자유롭게 존재한다는 의미 없이 "H+"로 표시됩니다.

용액 내의 벌거벗은 "용해된 양성자"의 영향을 피하기 위해, 산성 수용액은 때때로 "수소 이온" ([HO3])+이라고 불리는 덜 가능성이 있는 가공된 종을 포함하는 것으로 간주됩니다. 그러나 이 경우에도 이러한 용매화 수소 양이온은 [HO94]에 더 가까운 종을 형성하는 클러스터로 조직화되는 것으로 보다 현실적으로 생각됩니다.+[51] 물이 다른 용매와 산성 용액에 있을 때 다른 옥소늄 이온이 발견됩니다.[52]

지구에서는 이국적이지만, 우주에서 가장 흔한 이온 중 하나는 양성자 분자 수소 또는 삼수소 양이온으로 알려진 H+3 이온입니다.[53]

동위 원소

수소배출(스펙트럼)관
중수소 방전(스펙트럼) 튜브

수소에는 H, H, H로 표시되는 세 가지 자연 발생 동위원소가 있습니다. 다른 매우 불안정한 핵(4
H
~H)은 실험실에서 합성되었지만 자연에서는 관찰되지 않았습니다.[54][55]

  • 1
    H
    는 99.98% 이상의 존재비로 가장 흔한 수소 동위 원소입니다.
    이 동위원소의 은 단 하나의 양성자로 구성되어 있기 때문에, 이 동위원소는 기술적이지만 거의 사용되지 않는 공식 명칭인 프로튬(protium)으로 불립니다.[56] 중성자가 없는 것은 모든 안정 동위원소 중에서 유일합니다. 왜 다른 것들은 존재하지 않는지에 대한 논의는 쌍성자를 참조하세요.
  • 또 다른 안정한 수소 동위 원소인 2
    H
    중수소로 알려져 있으며, 핵 안에 하나의 양성자와 하나의 중성자를 포함하고 있습니다.
    우주의 거의 모든 중수소는 빅뱅 당시에 생성된 것으로 생각되고, 그 이후에도 견뎌왔습니다. 중수소는 방사성 물질이 아니며 심각한 독성 위험을 나타내지 않습니다. 일반 수소 대신 중수소를 포함한 분자가 풍부한 물을 중수라고 합니다. 중수소와 그 화합물은 화학 실험과 H-NMR 분광법을 위한 용매에서 비방사성 표지로 사용됩니다.[57] 중수는 원자로의 중성자 감속재와 냉각제로 사용됩니다. 중수소는 또한 상업적 핵융합의 잠재적 연료입니다.[58]
  • 3
    H
    삼중수소로 알려져 있으며 핵 안에 하나의 양성자와 두 개의 중성자를 포함하고 있습니다.
    반감기는 12.32년으로 베타 붕괴를 통해 헬륨-3로 붕괴됩니다.[50] 시계의 손과 다이얼 마커를 칠하는 등 데이터 디스플레이의 가시성을 향상시키기 위해 발광 페인트에 사용할 수 있을 정도로 방사능이 있습니다. 시계 유리는 관련된 소량의 방사선이 케이스에서 빠져나가는 것을 방지합니다.[59] 소량의 삼중수소는 우주선과 대기 가스의 상호작용에 의해 자연적으로 생성됩니다. 삼중수소는 핵무기 실험 중에 방출되기도 했습니다.[60] 그것은 핵융합 [61]반응, 동위원소 지구화학의 추적자,[62] 그리고 전문화된 자체 전력 조명 장치에 사용됩니다.[63] 삼중수소는 화학적, 생물학적 표지 실험에서도 방사성 표지로 사용되었습니다.[64]

오늘날 일반적으로 사용되는 동위원소에는 원소 중에서 독특한 이름이 지정되어 있습니다. 방사능에 대한 초기 연구 과정에서 다양한 무거운 방사성 동위원소에 고유한 이름이 붙었지만, 이제는 중수소와 삼중수소를 제외하고는 그러한 이름이 사용되지 않습니다. 기호 D와 T(HH 대신)는 때때로 중수소와 삼중수소에 사용되지만 기호 P는 에 이미 사용되고 있으므로 프로튬에는 사용할 수 없습니다.[65] 국제순수응용화학연합(IUPAC)은 명명법에서 H와 H가 선호되지만 D, T, H, H 중 하나를 사용할 수 있도록 허용하고 있습니다.[66]

안티뮤온과 전자로 구성된 이색적인 원자 뮤오늄(기호 Mu)도 수소의 가벼운 방사성 동위원소라고 할 수 있습니다.[67] 뮤온은 수명 2.2 µ로 붕괴하기 때문에 뮤온은 너무 불안정하여 관찰 가능한 화학적 성질을 나타내지 못합니다. 그럼에도 불구하고, 뮤오늄 화합물은 안티몬과 양성자 사이의 질량 차이로 인해 양자 시뮬레이션을 위한 중요한 테스트 사례이며,[69] IUPAC 명명법에는 각각 염화수소수소화나트륨과 유사한 뮤오늄(MuCl) 및 뮤오나이드(NaMu)와 같은 가상 화합물이 포함되어 있습니다.[70]

열 및 물리적 특성

대기압에서 수소(H2)의 열 및 물리적 특성 표:[71][72]

온도(K) 밀도(kg/m^3) 비열(kJ/kg °C) 동적점도(kg/ms) 운동점도(m^2/s) 열전도율(W/m °C) 열확산율(m^2/s) 프란틀 번호
100 0.24255 11.23 4.21E-06 1.74E-05 6.70E-02 2.46E-05 0.707
150 0.16371 12.602 5.60E-06 3.42E-05 0.0981 4.75E-05 0.718
200 0.1227 13.54 6.81E-06 5.55E-05 0.1282 7.72E-05 0.719
250 0.09819 14.059 7.92E-06 8.06E-05 0.1561 1.13E-04 0.713
300 0.08185 14.314 8.96E-06 1.10E-04 0.182 1.55E-04 0.706
350 0.07016 14.436 9.95E-06 1.42E-04 0.206 2.03E-04 0.697
400 0.06135 14.491 1.09E-05 1.77E-04 0.228 2.57E-04 0.69
450 0.05462 14.499 1.18E-05 2.16E-04 0.251 3.16E-04 0.682
500 0.04918 14.507 1.26E-05 2.57E-04 0.272 3.82E-04 0.675
550 0.04469 14.532 1.35E-05 3.02E-04 0.292 4.52E-04 0.668
600 0.04085 14.537 1.43E-05 3.50E-04 0.315 5.31E-04 0.664
700 0.03492 14.574 1.59E-05 4.55E-04 0.351 6.90E-04 0.659
800 0.0306 14.675 1.74E-05 5.69E-04 0.384 8.56E-04 0.664
900 0.02723 14.821 1.88E-05 6.90E-04 0.412 1.02E-03 0.676
1000 0.02424 14.99 2.01E-05 8.30E-04 0.448 1.23E-03 0.673
1100 0.02204 15.17 2.13E-05 9.66E-04 0.488 1.46E-03 0.662
1200 0.0202 15.37 2.26E-05 1.12E-03 0.528 1.70E-03 0.659
1300 0.01865 15.59 2.39E-05 1.28E-03 0.568 1.96E-03 0.655
1400 0.01732 15.81 2.51E-05 1.45E-03 0.61 2.23E-03 0.65
1500 0.01616 16.02 2.63E-05 1.63E-03 0.655 2.53E-03 0.643
1600 0.0152 16.28 2.74E-05 1.80E-03 0.697 2.82E-03 0.639
1700 0.0143 16.58 2.85E-05 1.99E-03 0.742 3.13E-03 0.637
1800 0.0135 16.96 2.96E-05 2.19E-03 0.786 3.44E-03 0.639
1900 0.0128 17.49 3.07E-05 2.40E-03 0.835 3.73E-03 0.643
2000 0.0121 18.25 3.18E-05 2.63E-03 0.878 3.98E-03 0.661

역사

검색 및 사용

1671년, 아일랜드의 과학자 로버트 보일은 철가루묽은 산 사이의 반응을 발견하고 기술하여 수소 가스를 생산했습니다.[73][74]

우리는 식염수의 정령[염산]을 제공했는데, 이것은 아주 특이한 방법으로 날카롭고 구멍을 뚫는 방법으로 만들어졌기 때문에, 우리는 3~4온스의 물을 담을 수 있는 유리병에 넣었는데, 이것은 키미스트나 약방에 일반적으로 판매되는 것과 같지 않은 편리한 양의 강철 파일링입니다. (보통 녹이 슬지 않는 사람들) 하지만 좋은 강철 조각에서 일부러 벗겨지기 전에 시간이 좀 있었습니다. 이 금속 가루는 생리대를 조금 사용하여 비올에 적셔졌고, 그 후에 더 많은 양을 마셨습니다. 그리고 그 혼합물은 매우 뜨거워지고, 악취가 나는 연기를 내뿜었습니다. 화성의 휘발성 유황으로 구성되어 있든, 아니면 황화물 성질의 금속 증기로 구성되어 있든, 생리식염수에 참여해서 여기서 논의할 필요는 없습니다 그러나 이 악취가 나는 연기가 계속될 때마다 너무 가연성이었기 때문에 불이 붙은 촛불이 다가오면 쉽게 불이 붙고 함께 한동안 비올의 입구에서 약간 녹색의 불꽃과 함께 타오를 것입니다. 그리고 빛은 거의 없지만 쉽게 의심할 수 있는 것보다 더 강한 힘을 가지고 있습니다.

Robert Boyle, Tracts written by the Honourable Robert Boyle containing new experiments, touching the relation betwixt flame and air...

특히 보일이 철과 황산으로 비슷한 실험을 했기 때문에 "황화"라는 단어는 다소 혼란스러울 수 있습니다.[75] 하지만, 모든 가능성에서, 여기서 "황화물"은 가연성을 의미하는 것으로 이해되어야 합니다.[76]

1766년 헨리 캐번디시금속산 반응에서 나오는 기체를 "염증성 공기"라고 명명함으로써 수소 가스를 이산 물질로 인식한 최초의 사람입니다. 그는 "염증성 공기"가 사실 "플로지스톤"[77][78]이라는 가상의 물질과 동일하다고 추측했고, 1781년에 가스가 연소되면 물이 생성된다는 사실을 추가로 발견했습니다. 그는 보통 수소를 원소로 발견한 공로를 인정받습니다.[5][6] 1783년, 앙투안 라부아지에는 수소를 [6]태울 때 물이 생성된다는 캐번디시의 발견을 라플라스와 함께 재현하면서 이 원소에 수소라는 이름을 붙였습니다.[79]

앙투안 로랑 드 라부아지에

라부아지에는 불에 데워진 백열 철관을 통해 증기의 흐름을 금속 과 반응시켜 질량 보존 실험을 위해 수소를 생산했습니다. 고온에서 물의 양성자에 의한 철의 혐기성 산화는 다음과 같은 일련의 반응으로 개략적으로 나타낼 수 있습니다.

1) Fe + HOFeO + H
2) Fe + 3 HOFeO + 3 H
3) Fe + 4 HOFeO + 4 H

지르코늄과 같은 많은 금속은 물과 비슷한 반응을 일으켜 수소를 생산합니다.

수소는 1898년 제임스 드워에 의해 처음으로 재생 냉각과 그의 발명품인 진공 플라스크를 사용하여 액화되었습니다.[6] 그는 다음 해에 고체 수소를 생산했습니다.[6] 중수소는 1931년 12월 해럴드 우레이에 의해 발견되었고 삼중수소는 1934년 어니스트 러더퍼드, 마크 올리펀트, 폴 하텍에 의해 준비되었습니다.[5] 일반 수소 대신 중수소로 이루어진 중수는 1932년에 Urey의 그룹에 의해 발견되었습니다.[6] 프랑수아 아이작 리바즈는 1806년에 수소와 산소의 혼합물로 작동하는 내연 기관인 최초의 드 리바즈 엔진을 만들었습니다. 에드워드 다니엘 클라크는 1819년에 수소 가스 송풍관을 발명했습니다. 뒤베라이너 램프조명은 1823년에 발명되었습니다.[6]

최초의 수소가 채워진 풍선은 1783년 자크 찰스에 의해 발명되었습니다.[6] 수소는 1852년 앙리 기파르트가 최초로 수소 비행선을 발명한 후 신뢰할 수 있는 첫 번째 형태의 항공 여행을 위한 리프트를 제공했습니다.[6] 독일의 백작 페르디난트 제플린은 수소에 의해 들어올려지는 단단한 비행선에 대한 아이디어를 제안했고, 나중에 제펠린이라고 불리게 되었고, 그 중 첫 번째 비행은 1900년에 최초로 이루어졌습니다.[6] 1910년에 정기적으로 운항이 시작되었고 1914년 8월 제1차 세계 대전이 발발할 때까지, 그들은 심각한 사고 없이 35,000명의 승객을 태웠습니다. 수소를 실은 비행선은 전쟁 중 관측 플랫폼과 폭격기로 사용되었습니다.

최초의 멈추지 않는 대서양 횡단은 1919년 영국의 비행선 R34에 의해 이루어졌습니다. 1920년대에 정기 여객 서비스가 재개되고 미국에서 헬륨 매장량이 발견되면서 안전성이 높아졌다고 약속했지만, 미국 정부는 이를 위해 가스 판매를 거부했습니다. 따라서 1937년 5월 6일 뉴저지 상공에서 발생한 공중 화재로 파괴된 힌덴부르크 비행선에 H2 사용되었습니다.[6] 이 사건은 라디오로 생중계되어 촬영되었습니다. 누출된 수소의 발화가 원인으로 널리 추정되고 있지만, 이후 조사에서는 정전기에 의한 알루미늄 직물 코팅의 발화를 지적했습니다. 하지만 이미 수소의 리프팅 가스로서의 명성에 손상이 가졌고 상업적인 수소 비행선 여행은 중단되었습니다. 수소는 여전히 불연성이지만 더 비싼 헬륨을 선호하여 기상 풍선의 리프팅 가스로 사용됩니다.

같은 해, 최초의 수소 냉각 터보 발전기는 1937년 오하이오주 데이턴에 있는 데이턴 파워 & 라이트 회사에 의해 회전자와 고정자의 냉각제로서 기체 수소와 함께 사용되기 시작했습니다;[80] 열전도율과 수소 가스의 매우 낮은 점도로 인해 공기보다 낮은 항력 때문에, 이 유형은 현재 대형 발전기(일반적으로 60MW 이상, 소형 발전기는 공랭식)에서 가장 일반적인 유형입니다.

니켈 수소 전지는 1977년 미국 해군의 NTS-2(Navigation Technology Satellite-2)에서 처음으로 사용되었습니다.[81] 예를 들어, ISS,[82] 화성 오디세이[83], 화성 글로벌 서베이에는[84] 니켈 수소 배터리가 장착되어 있습니다. 궤도의 어두운 부분에서, 허블 우주 망원경은 또한 니켈 수소 배터리로 동력을 공급받는데, 이 배터리는 발사 후 19년 이상,[85] 그리고 설계 수명보다 13년 이상 지난 2009년 5월에 마침내 교체되었습니다.[86]

양자론에서의 역할

A line spectrum showing black background with narrow lines superimposed on it: one violet, one blue, one cyan, and one red.
수소 방출 스펙트럼 라인은 가시 범위 내에 있습니다. 발머 시리즈의 네 가지 눈에 보이는 선입니다.

수소 원자는 양성자와 전자로만 이루어진 단순한 원자 구조 때문에 그로부터 생성되거나 흡수되는 빛의 스펙트럼과 함께 원자 구조론의 발전에 중심이 되어 왔습니다.[87] 또한 수소 분자의 대응하는 단순성과 대응하는 양이온 H+2에 대한 연구는 1920년대 중반 수소 원자의 양자역학적 처리가 개발된 직후에 뒤따른 화학적 결합의 특성에 대한 이해를 가져왔습니다.

최초로 명시적으로 발견된 양자 효과 중 하나는 완전한 양자역학 이론이 도달하기 반세기 전에 수소를 포함하는 맥스웰 관측이었습니다. 맥스웰은 H2 비열용량이 상온 이하의 이원자 기체의 비열용량에서 설명할 수 없이 벗어나 극저온에서 단원자 기체의 비열용량과 점점 더 유사해지기 시작하는 것을 관찰했습니다. 양자 이론에 따르면, 이 행동은 질량이 낮기 때문에 H에서2 특히 넓은 간격을 갖는 (양자화된) 회전 에너지 수준의 간격에서 발생합니다. 이러한 넓은 간격의 레벨은 낮은 온도에서 열 에너지가 수소의 회전 운동으로 동등하게 분배되는 것을 억제합니다. 더 무거운 원자로 구성된 이원자 기체는 그렇게 넓은 간격의 수준을 가지고 있지 않으며 같은 효과를 나타내지 않습니다.[88]

반수소(
H
)는 수소에 대응하는 반물질입니다.
양전자가 있는 안티 양성자로 구성되어 있습니다. 반수소는 2015년 기준으로 유일하게 생산된 반물질 원자 유형입니다.[89][90]

우주의 보급과 분포

A white-green cotton-like clog on black background.
NGC 604, 삼각형 은하있는 이온화된 수소의 거대한 영역

수소는 원자 H로서 우주에서 가장 풍부화학 원소질량 기준으로 정상 물질의 75%, 원자 수 기준으로 90% 이상을 차지합니다. (그러나 우주의 대부분의 질량은 화학 원소 형태의 물질이 아니라 암흑 물질이나 암흑 에너지와 같은 아직 감지되지 않은 형태의 질량으로 발생하는 것으로 추정됩니다.)[91]

수소는 항성과 거대한 가스 행성에서 매우 풍부하게 발견됩니다. H2 분자 구름의 형성과 관련이 있습니다. 수소는 태양 질량이 매우 낮은 별의 경우 양성자-양성자 반응, 태양보다 질량이 큰 별의 경우 핵융합CNO 순환을 통해 별에 동력을 공급하는 데 중요한 역할을 합니다.[92]

미국.

우주 전체에서 수소는 대부분 원자플라스마 상태에서 발견되며, 분자 수소와는 상당히 다른 특성을 가지고 있습니다. 플라즈마로서 수소의 전자와 양성자는 서로 결합되어 있지 않기 때문에 매우 높은 전기 전도성과 높은 방출성(태양과 다른 별들로부터 빛을 생성함)을 초래합니다. 대전된 입자는 자기장과 전기장의 영향을 많이 받습니다. 예를 들어, 태양풍에서 그것들은 지구의 자기권과 상호작용하여 버클랜드 해류오로라를 발생시킵니다.

수소는 성간매질에서 중성원자 상태로 발견되는데, 이는 원자들이 거의 충돌하여 결합하지 않기 때문입니다. 이들은 1차 수소를 탐사하기 위해 검출되는 1420MHz의 21cm 수소선의 근원입니다.[93] 감쇠된 라이만-알파 시스템에서 발견된 많은 양의 중성 수소는 z = 4의 적색 이동까지 우주우주론적 중입자 밀도를 지배하는 것으로 생각됩니다.

지구의 일반적인 조건에서 수소 원소는 이원자 기체2 H로 존재합니다. 수소 기체는 가벼운 무게 때문에 지구 대기에서 매우 희귀합니다(몰 기준으로[95] 약 0.53ppm). 무거운 기체보다 더 빠르게 대기에서 탈출할 수 있습니다. 그러나 수소는 지구 표면에서 세 번째로 풍부한 원소로 [96]대부분 탄화수소와 물과 같은 화학 화합물의 형태를 띠고 있습니다.[50]

양성자화 분자 수소(H+3)라고 불리는 분자 형태는 성간 매질에서 발견되며, 여기서 우주 광선으로부터 분자 수소가 이온화되어 생성됩니다. 이온은 목성의 대기 상층부에서도 관측된 바 있습니다. 이온은 낮은 온도와 밀도로 인해 우주 공간의 환경에서 비교적 안정적입니다. H+3는 우주에서 가장 풍부한 이온 중 하나로 성간매질의 화학작용에 주목할 만한 역할을 합니다.[97] 중성의 3원자 수소 H3 들뜬 형태로만 존재할 수 있고 불안정합니다.[98] 반대로, 양의 수소 분자 이온(H+2)은 우주에서 희귀한 분자입니다.

생산.

H를2 생산하기 위한 많은 방법이 존재하지만 상업적으로 지배적인 것은 세 가지입니다: 종종 물-가스 이동과 결합된 수증기 개질, 탄화수소의 부분 산화 및 수전해입니다.[99]

수증기 개질

수소를[image reference needed] 생산하는 공정인 천연가스의 수증기 개질의 투입 및 출력 예시

수소는 주로 물과 메탄의 반응인 수증기 개질에 의해 생산됩니다.[100][101] [102] 따라서 고온(1000~1400 K, 700~1100 °C 또는 1300~2000 °F)에서는 증기(수증기)가 메탄과 반응하여 일산화탄소H2 생성합니다.

CH + HO → CO + 3 H

증기 개질은 암모니아의 산업적 준비에도 사용됩니다.

이러한 반응은 낮은 압력에서 수행되는 것이 바람직하지만, 고압(2.0 MPa, 20 atm 또는 600 in Hg)에서 수행되는 것이 가장 시장성이 높은 제품이며2, 압력 스윙 흡착(PSA) 정화 시스템은 높은 압력에서 더 잘 작동하기 때문입니다. 제품 혼합물은 종종 메탄올 및 기타 많은 화합물의 생산에 직접 사용되기 때문에 "합성 가스"로 알려져 있습니다. 메탄 이외의 탄화수소를 사용하여 제품 비율이 다른 합성 가스를 생산할 수 있습니다. 이 고도로 최적화된 기술의 많은 복잡성 중 하나는 코크스 또는 탄소의 형성입니다.

CH4 → C + 2 H2

따라서 증기 개질은 일반적으로 과잉의 HO2 사용합니다. 수성가스 전환 반응을 통해 일산화탄소를 사용하여 증기로부터 추가적인 수소를 회수할 수 있습니다. 과정에는 산화철 촉매가 필요합니다.[102]

CO + HO → CO + H

수소는 때때로 분리되지 않고 동일한 산업 공정에서 생산되고 소비됩니다. 암모니아 생산을 위한 하버 공정에서는 천연가스에서 수소가 발생합니다.[103]

탄화수소의 부분 산화

CO와 H2 생산을 위한 다른 방법으로는 탄화수소의 부분 산화가 있습니다.[104]

2 CH4 + O2 → 2 CO + 4 H2

상업적으로는 덜 중요하지만 석탄은 위와 같은 이동 반응의 서막 역할을 할 수 있습니다.[102]

C + H2O → CO + H2

올레핀 생산 장치는 특히 에탄 또는 프로판과 같은 광 공급 원료를 분해하여 상당한 양의 부생 수소를 생산할 수 있습니다.[105]

수전해

수소의 물 생산을 위한 단순 전기 분해의 입력과 출력을 보여줍니다.

물의 전기분해는 개념적으로 수소를 생산하는 간단한 방법입니다.

2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g)

상업용 전해조는 강한 알칼리성 용액에 니켈계 촉매를 사용합니다. 백금은 우수한 촉매이지만 가격이 비쌉니다.[106]

염수전기분해하여 염소를 생성하면 수소도 공동 생성물로 생성됩니다.[107]

메탄열분해

천연가스(메탄)의 열분해로 수소를 생산할 수 있습니다.

이 경로는 상용 수소 생산 공정보다 탄소 발자국이 낮습니다.[108][109][110][111] 상업적인 메탄 열분해 공정을 개발하면 산업 및 운송 분야에서 수소의 확대 사용을 가속화할 수 있습니다. 메탄 열분해는 용해된 니켈이 포함된 용융 금속 촉매에 메탄을 통과시킴으로써 이루어집니다. 메탄은 수소 가스와 고체 탄소로 전환됩니다.[112][113]

CH4(g) → C(s) + 2 H2(g) (ΔH° = 74 kJ/mol)

탄소는 제조 공급 원료 또는 연료로 판매되거나 매립될 수 있습니다.

Karlsruhe Liquid-metal Laboratory와 University of California – Santa Barbara를 포함한 여러 실험실에서 추가 연구가 계속되고 있습니다.[115] BASF는 메탄 열분해 파일럿 플랜트를 건설했습니다.[116]

열화학

분할에 200개 이상의 열화학 사이클을 사용할 수 있습니다. 산화철 사이클, 세륨(cerium)과 같은 이러한 사이클의 대부분.IV) 산화물-세륨(III) 산화물 사이클, 아연-산화물 사이클, 황-요오드 사이클, 구리-염소 사이클하이브리드 사이클은 전기를 사용하지 않고 물과 열로부터 수소와 산소를 생산할 수 있는 상업적 잠재력을 평가받았습니다.[117] 많은 실험실(프랑스, 독일, 그리스, 일본, 미국 포함)에서 태양 에너지와 물로부터 수소를 생산하기 위한 열화학적 방법을 개발하고 있습니다.[118]

실험실 방법

2 종종 다른 반응의 부산물로 실험실에서 생산됩니다. 많은 금속이 물과 반응하여 H2 생성하지만, 수소의 진화 속도는 금속, pH, 합금제의 존재 여부에 따라 달라집니다. 가장 일반적으로 수소 진화는 산에 의해 유도됩니다. 알칼리 토금속과 알칼리 토금속, 알루미늄, 아연, 망간, 철은 수성산과 쉽게 반응합니다. 이 반응은 한때 실험실 가스 공급원으로 사용되었던 Kipp의 장치의 기초입니다.

Zn + 2 H+ → Zn2+ + H2

산이 없을 때는 H2 진화가 더 느립니다. 철은 널리 사용되는 구조 재료이기 때문에, 그 혐기성 부식은 기술적으로 중요합니다.

Fe + 2 H2O → Fe(OH)2 + H2

알루미늄과 같은 많은 금속은 산화물의 부동태 코팅을 형성하기 때문에 물과 반응하는 속도가 느립니다. 그러나 알루미늄과 갈륨의 합금은 물과 반응합니다.[119] 높은 pH에서 알루미늄은 다음2 같은 H를 생성할 수 있습니다.

2 Al + 6 H2O + 2 OH → 2 [Al(OH)4] + 3 H2

일부 금속 함유 화합물은 산과 반응하여 H2 진화시킵니다. 혐기성 조건에서 수산화제1철(Fe(OH)
2
은 물
의 양성자에 의해 산화되어 자철석H2 형성할 수 있습니다.
이 과정은 Schikorr 반응에 의해 설명됩니다.

3 Fe(OH)2 → Fe3O4 + 2 H2O + H2

과정은 무산소 지하수에서 강철의 혐기성 부식 과정과 물밑 토양 환원 과정에서 발생합니다.

바이오수소

H2 일부 발효에서 수소화효소에 의해 생성됩니다.[120]

적용들

석유화학공업

화석2 연료의 "업그레이드"에는 많은 양의 H가 사용됩니다. H2 주요 소비자는 수소 탈알킬화, 수소 탈황수소 크래킹을 포함합니다. 이러한 많은 반응들은 수소 분해, 즉 수소에 의한 결합의 절단으로 분류될 수 있습니다. 액체 화석 연료로부터 황을 분리하는 것이 대표적인 예입니다.[99]

R2S + 2 H2 → H2S + 2 RH

수소화

수소화, 다양한 기질에 H2 첨가하는 것은 대규모로 진행됩니다. Haber-Bosch 공정에 의해 암모니아를 생산하기 위한2 N의 수소화는 전체 산업에서 에너지 예산의 몇 퍼센트를 소비합니다. 생성된 암모니아는 인간이 소비하는 단백질의 대부분을 공급하는 데 사용됩니다.[121] 수소화는 불포화 지방기름을 포화(트랜스) 지방과 기름으로 전환하는 데 사용됩니다. 주요 용도는 마가린 생산입니다. 메탄올은 이산화탄소의 수소화에 의해 생성됩니다. 마찬가지로 염산 제조에서 수소의 공급원입니다. H2 또한 일부 광석을 금속으로 전환하기 위한 환원제로도 사용됩니다.[122]

냉각수

수소는 가벼운 이원자 분자의 직접적인 결과인 여러 가지 유리한 특성으로 인해 발전기의 냉각제로 일반적으로 사용됩니다. 여기에는 밀도가 낮고 점도가 낮으며 모든 가스 중 가장 높은 비열열전도율이 포함됩니다.

에너지 운반선

수소 원소는 온실가스 배출을 완화하기 위해 경제의 탈탄소화를 도울 가능성이 있는 에너지 운반체로서 에너지의 맥락에서 널리 논의되고 있습니다.[123][124] 따라서 이를 위해서는 더 저렴하고 에너지 효율적인 완화 대안이 제한된 부문과 응용 분야에 공급할 양을 청정하게 생산해야 합니다. 여기에는 중공업과 장거리 운송이 포함됩니다.[123] 수소는 에너지 자원이라기보다는 에너지의 '운반체'입니다. 왜냐하면 유용한 양의 자연적으로 발생하는 수소 공급원이 없기 때문입니다.[125]

수소는 연료 전지에서 에너지원으로 사용되어 전기를 생산하거나 연소를 통해 열을 발생시킬 수 있습니다.[15] 연료 전지에서 수소가 소비될 때 사용 시점에서 배출되는 것은 수증기뿐입니다.[15] 수소의 연소는 유해한 질소 산화물의 열 형성으로 이어질 수 있습니다.[15] 수소의 전체적인 라이프사이클 배출량은 수소가 생산되는 방법에 따라 달라집니다. 현재 전 세계의 거의 모든 수소 공급은 화석 연료에서 만들어집니다.[126][127] 주요 방법은 증기와 천연가스의 주성분인 메탄의 화학반응으로 수소를 생산하는 증기메탄 개질입니다. 이 과정을 통해 1톤의 수소를 생산하면 6.6~9.3톤의 이산화탄소가 배출됩니다.[128] 탄소 포집 저장(CCS)은 이러한 배출물의 상당 부분을 제거할 수 있지만, 부분적으로 천연 가스 자체의 생산에서 생성되는 배출물(배출되고 도망되는 메탄 포함) 때문에 천연 가스에서 수소의 전체 탄소 발자국을 2021년 기준으로 평가하기는 어렵습니다.[129]

전기를 사용하여 물 분자를 분할하여 지속 가능한 수소를 생산할 수 있습니다. 만약 전기가 지속 가능하게 생산된다면 말입니다. 그러나 이 전기분해 공정은 현재 CCS가 없는 메탄에서 수소를 생성하는 것보다 비용이 많이 들고 에너지 변환 효율도 본질적으로 낮습니다.[124] 수소는 가변적인 재생 가능한 전기가 잉여 상태일 때 생산된 다음 저장되어 열을 발생시키거나 전기를 재생하는 데 사용될 수 있습니다.[130] 재생에너지를 이용한 전기분해를 통해 생성된 수소를 흔히 '그린 수소'라고 합니다.[131] 암모니아, 메탄올과 같은 합성 연료로 더 변형될 수 있습니다.[132]

수소 전기분해기의 혁신은 전기에서 수소를 대규모로 생산하는 것을 더 비용 경쟁력 있게 만들 수 있습니다.[133] 이렇게 생산된 수소는 화석연료를 전기를 직접 사용하여 대체하는 데 어려움과 한계가 있는 에너지 시스템을 탈탄소화하는 데 중요한 역할을 할 가능성이 있습니다.[123]

수소 연료는 철강, 시멘트, 유리 및 화학 물질의 산업적 생산에 필요한 강력한 열을 생산할 수 있으므로 제철용 전기 아크로와 같은 다른 기술과 함께 산업의 탈탄소화에 기여합니다.[134] 그러나 암모니아 및 유기 화학 물질의 더 깨끗한 생산을 위한 산업 공급 원료를 제공하는 데 더 큰 역할을 할 것으로 보입니다.[123] 예를 들어, 제강에서 수소는 청정 에너지 운반체로서 그리고 또한 석탄 유래 코크스를 대체하는 저탄소 촉매로서 기능할 수 있습니다.[135] 운송수단을 탈탄소화하는 데 사용되는 수소는 암모니아 메탄올과 같은 수소 유래 합성 연료와 연료 전지 기술을 사용하여 운송, 항공 및 더 적은 정도로 중품 차량에서 가장 큰 응용 분야를 찾을 가능성이 있습니다.[123] 승용차를 포함한 경차의 경우, 수소는 다른 대체 연료 차량에 비해 크게 뒤떨어져 있으며, 특히 배터리 전기차의 채택률에 비해 미래에는 큰 역할을 하지 못할 수 있습니다.[136]

에너지 운반체로서 수소의 단점으로는 수소의 폭발성으로 인한 높은 저장 및 유통 비용, 다른 연료에 비해 부피가 크고 파이프가 잘 부서지는 경향 등이 있습니다.[129]

반도체산업

수소는 비정질 실리콘비정질 탄소의 부서진("dangling") 결합을 포화시키기 위해 사용되며, 이는 재료 특성을 안정화시키는 데 도움이 됩니다.[137] It is also a potential electron donor in various oxide materials, including ZnO,[138][139] SnO2, CdO, MgO,[140] ZrO2, HfO2, La2O3, Y2O3, TiO2, SrTiO3, LaAlO3, SiO2, Al2O3, ZrSiO4, HfSiO4, and SrZrO3.[141]

틈새 시장 및 진화하는 용도

  • 극저온 연구: 액체 H2 초전도 연구를 포함한 극저온 연구에 사용됩니다.[144]
  • 부력 리프팅: H2 공기의 밀도가 7%에 불과할 정도로 공기보다 가볍기 때문에 한때 풍선이나 비행선 등에서 리프팅 가스로 많이 사용됐습니다.[145]
  • 누출 감지: 수소는 순수하거나 질소(때로는 형성 가스라고도 함)와 혼합되어 미세 누출을 감지하기 위한 추적 가스입니다. 응용 분야는 자동차, 화학, 발전, 항공 우주 및 통신 산업에서 찾을 수 있습니다.[146] 수소는 식품 패키지 누출 테스트를 허용할 뿐만 아니라 산화 방지 특성을 갖는 공인 식품 첨가물(E949)입니다.[147]

생물학적 반응

H2 혐기성 대사의 일부 유형의 산물이며 일반적으로 수소화효소라고 하는 또는 니켈 함유 효소에 의해 촉매되는 반응을 통해 여러 미생물에 의해 생성됩니다. 이 효소들은 H2 그 구성 요소인 두 개의 양성자와 두 개의 전자 사이의 가역적인 산화 환원 반응을 촉매합니다. 수소 가스의 생성은 피루브산 발효 동안 생성된 환원 당량이 물로 전달되는 과정에서 발생합니다.[151] 생물이 수소를 생산하고 소비하는 자연적인 순환을 수소 순환이라고 합니다.[152] Mycobacterium smegmatis와 같은 박테리아는 다른 공급원이 부족할 때 대기 중의 소량의 수소를 에너지원으로 사용할 수 있습니다. 수소 농도가 매우 낮고 산소 농도가 정상적인 공기와 같음에도 불구하고 산소를 배제하는 작은 채널을 가진 수소화효소를 사용함으로써 반응이 일어나도록 합니다.[95][153]

수소는 원소의 원자 수 기준으로 인체에 가장 풍부한 원소이지만 질량 기준으로는 세 번째로 풍부한 원소입니다. H2 대장에서 하이드로게나제를 함유한 미생물의 대사활동으로 인해 사람의 호흡에서 발생하며, 편평의 천연성분입니다. 단식 중인 사람의 호흡 중 농도는 보통 5ppm(ppm) 미만이지만 장 질환자가 수소 호흡 진단 검사에서 흡수하지 못하는 분자를 섭취할 경우 50ppm이 될 수 있습니다.[154]

물이 그 구성 요소인 양성자, 전자, 산소로 분해되는 물 분열모든 광합성 생물의 빛 반응에서 일어납니다. 조류인 Clamydomonas reinhardtii남세균을 포함한 일부 그러한 유기체는 양성자와 전자가 엽록체에 특화된 수소화효소에 의해 환원되어 H 가스2 형성하는 암흑 반응의 두 번째 단계로 진화했습니다.[155] 시아노박테리아 수소화효소를 유전자적으로 변형시켜 산소2 있는 상태에서도 H가스를 효율적으로 합성하려는 노력이 진행되어 왔습니다.[156] 생물 반응기에서 유전자 변형 조류에 대한 노력도 수행되었습니다.[157]

안전 및 주의사항

수소
유해성
GHS 라벨링:
GHS02: Flammable
위험
H220
P202, P210, P271, P377, P381, P403[158]
NFPA704(파이어다이아몬드)
NFPA 704 four-colored diamondHealth 0: Exposure under fire conditions would offer no hazard beyond that of ordinary combustible material. E.g. sodium chlorideFlammability 4: Will rapidly or completely vaporize at normal atmospheric pressure and temperature, or is readily dispersed in air and will burn readily. Flash point below 23 °C (73 °F). E.g. propaneInstability 0: Normally stable, even under fire exposure conditions, and is not reactive with water. E.g. liquid nitrogenSpecial hazards (white): no code
0
4
0

수소는 공기와 혼합될 때 발생할 수 있는 폭발과 화재에서부터 순수하고 산소가 없는 형태의 질식제에 이르기까지 인간의 안전에 여러 가지 위험을 초래합니다.[159] 또한 액체 수소는 극저온 물질로 매우 차가운 액체와 관련된 위험(동상과 같은)을 나타냅니다.[160] 수소는 많은 금속에 용해되어 누출될 뿐만 아니라 수소 취화로 [161]인해 균열 및 폭발이 발생하는 등의 악영향을 미칠 수 있습니다.[162] 외부 공기로 누출되는 수소 가스는 자발적으로 점화될 수 있습니다. 게다가, 수소 화재는 극도로 뜨겁지만 거의 보이지 않기 때문에 우발적인 화상으로 이어질 수 있습니다.[163]

수소 데이터(안전 데이터 포함)를 해석하는 것조차 여러 가지 현상으로 인해 혼란스럽습니다. 수소의 많은 물리적, 화학적 특성은 파라 수소/오르토 수소 비율에 따라 달라집니다(일반적으로 데이터가 제공되는 평형 비율에 도달하는 데 주어진 온도에서 며칠 또는 몇 주가 걸리는 경우가 많습니다). 임계 폭발 압력 및 온도와 같은 수소 폭발 매개변수는 컨테이너 기하학적 구조에 크게 의존합니다.[159]

참고 항목

  • 복합순환수소발전소
  • 수소 경제 – 수소를 이용하여 전기화하기 어려운 부문을 탈탄소화하는 것
  • 수소 생산 – 수소를 생산하기 위한 산업적 방법의 계열
  • 수소 안전 – 안전한 수소 생산, 취급 및 사용을 위한 절차
  • 수소 기술 – 수소의 생산 및 사용과 관련된 기술
  • 수소수송
  • 액체 수소 – 수소 원소의 액체 상태
  • 메탄 열분해 – 불활성 대기의 고온에서 물질의 열분해 반응(수소의 경우) 하는 페이지
  • 천연 수소 – 지구상에서 자연적으로 발생하는 분자 수소
  • 열분해 – 불활성 분위기에서 고온에서 물질의 열분해

메모들

  1. ^ 그러나 우주의 대부분의 질량은 중입자나 화학 원소의 형태가 아닙니다. 암흑 물질암흑 에너지를 봅니다.
  2. ^ 286 kJ/mol : 가연성 물질(분자 수소)의 몰당 에너지.

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