수소(水素)는 자연계에 존재하는 원소들 중에 가장 작은 원자들로 구성되어 있는데, 수소 원자 두 개가 결합한 이원자 분자 상태가 안정한 원소 상태이며 분자식은 H₂이다. 수소는 주기율표에서 원자 번호가 1인 첫번째 원소이고 원소 기호는 H이다. 우주에서는 우주 질량의 약 75%, 원자의 개수로는 90%를 수소가 차지하고 있다고 할 만큼 수소가 풍부하며, 우주에서 수소의 대부분은 단원자 상태(H)로 존재한다. 수소는 매우 가벼운 원소여서 지구의 대기권에는 극소량이 존재하고 (부피비로 약 1 ppm), 지구의 지각권에서는 물 분자나 유기 화합물과 같이 화합물을 이룬 상태로 대부분 존재한다. 지구 표면에서는 산소와 규소에 이어 세 번째로 많은 원소이다.¹⁾

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수소의 동위원소들인 프로티움, 중수소(deuterium), 삼중수소(tritium)의 원자 구조 모식도 (출처)

수소의 주요 동위원소로는 지구에서 발견되는 수소의 99.98%를 차지하는 프로튬(protium, ¹H) 외에, 중수소(deuterium, ²H 또는 D)와 삼중수소(tritium, ³H 또는 T)가 있다. 바닷물을 기준으로 했을 때, 지구상에서 존재하는 중수소의 비율은 총 수소 개수의 0.0156%, 총 수소 질량의 0.0312%이다. 우주의 항성들 내부에서 중수소는 생성되는 속도보다 붕괴되는 속도가 더 빠르다. 자연계에서 발견되는 대부분의 중수소는 138억 년 전에 일어난 우주의 빅뱅 때 생성된 것으로 보인다. 빅뱅이 일어날 때, 중수소와 삼중수소는 프로튬에서 헬륨이 만들어지는 핵반응의 중간체이기도 하다. 프로튬이란 용어는 잘 쓰이지 않지만, 중수소와 삼중수소를 구분하기 위해 가끔 쓰인다. 프로튬의 핵은 양성자 1개로 이루어져 있으며, 중수소의 핵은 양성자 1개와 중성자 1개, 삼중수소의 핵은 양성자 1개와 중성자 2개로 구성되어 있다. 프로튬과 중수소는 안정한 동위원소이지만, 삼중수소는 베타선을 방출하면서 붕괴되어 헬륨 양이온으로 변하는 불안정한 방사성 동위원소이며 반감기는 12.32년이다.

지구상에서 삼중수소는 거의 존재하지 않고, 대기권 외부에서 우주선과 대기가 반응하여 아주 극소량 생성된다.

상온 1기압에서 수소는 무색, 무취, 무미의 가연성 기체이다. 수소의 연소 엔탈피는 -286 kJ/mol이다.

수소는 공기와 4~74%의 부피 비로 섞여있을 경우, 열이나 불꽃, 햇빛 등의 외부 자극에 의해 폭발하는 특성을 가지고 있다.

수소는 대부분의 비금속 원소들과 반응하여 공유 결합을 형성할 수 있기 때문에 지구상의 수소 대부분은 물이나 유기 화합물의 형태로 존재한다. 수소의 양이온을 양성자(proton, H⁺)라고 하며, 음이온을 수소화 이온(hydride ion 또는 hydride, H^-)이라고 하는데, 특히 분자 또는 이온 사이의 수소 양이온(양성자) 교환에 의해서 산-염기 반응을 설명할 수 있기 때문에 수소는 매우 중요한 원소라 할 수 있다.

1671년에 로버트 보일(Robert Boyle)이 쇳조각에 묽은 산을 넣으면 기체가 발생한다는 사실을 처음으로 묘사하였으나, 이 기체가 독립된 물질인 것은 1766년에 헨리 캐번디시(Henry Cavendish)가 처음으로 밝혀내었고, 이 기체를 연소하였을 경우 물을 생성한다는 사실도 1781년에 알아내었다. 따라서 수소를 원소로서 처음 발견한 공은 캐번디시에게 있다고 한다. 1783년에 앙트완 라브와지에(Antoine Lavoisier)는 이 기체가 연소하면서 물을 생성하기 때문에 그리스어로 '물'이라는 의미의 hydro와 '생성한다'라는 의미의 genes 두 단어를 합성하여 'hydrogen'이라는 원소명을 지었다.

액화 수소는 1898년 제임스 듀어(James Dewar)에 의해 처음 만들어졌고, 그 이듬해에 듀어는 고체 수소도 만들었다. 중수소는 해롤드 유리(Harold Urey)에 의해 1931년에 발견되었고, 삼중수소는 1934년에 어니스트 러더포드(Ernest Rutherford), 마크 올리판트(Mark Oliphant), 폴 하르텍(Paul Harteck)에 의해 처음 만들어졌다.

수소를 경제적인 방법으로 대량 생산할 수 있는 방법이다. 700-1100 °C에서 메테인과 수증기를 반응시키면 일산화 탄소와 수소 기체가 생성된다. 대량으로 생산되는 수소는 천연 가스의 수증기 개질 반응으로 만들어진다.²⁾

이 반응에서 생기는 혼합 생성물을 합성 가스(synthetic gas)라고도 하는데, 그 이유는 이 생성물이 메탄올과 그 유도체들을 공업적으로 합성하는데 직접 사용되기 때문이다. 메테인 이외의 간단한 탄화수소 화합물로도 합성 가스를 만들 수는 있으나, 생성물들의 종류와 비율이 복잡해진다. 수증기 개질 반응은 반응 조건에 따라 아래의 반응식과 같이 코크스(coke) 또는 탄소가 생기게 할 수도 있다.

수증기 개질 반응에서 생성되는 일산화 탄소와 과량의 수증기를 더 반응시키면, 일산화 탄소가 산화되어 이산화 탄소가 되면서 수소를 추가로 더 얻을 수 있다. 이 공정은 공업적으로 이산화 탄소를 대량 생산하는 방법이기도 하다.

수소보다 이온화 경향이 큰 금속들을 산과 반응시켜 수소를 얻을 수 있다. 수소보다 이온화 경향이 큰 금속들로는 K, Ca, Na, Mg, Al, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb 등이 있으며, 이는 이온화 경향이 큰 것부터 작은 것 순으로 나열한 것이다. 이들 중, K, Ca, Na은 중성 상태의 물과도 격렬하게 반응하여 수소를 발생시키지만, Mg 이하의 금속들은 산의 농도가 충분해야만 수소를 발생시킬 수 있다. 예를 들어 아연을 염산에 넣으면 아연이 산화되고 수소 양이온이 환원되면서 수소가 발생된다. 이 방법은 주로 실험실에서 소규모로 수소를 발생시킬 때 사용한다.

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염산 속에 아연을 넣었을 때 수소가 발생하는 모습(출처)

정유 산업 및 화학 공업의 여러 공정에 수소가 다양하게 사용된다. 공업적으로 수소가 가장 많이 사용되는 곳은 화석 연료의 품질을 높이는 개선 공정과 암모니아의 생산 공정이다. 수소가 사용되는 화학 공정들을 예로 들면 아래와 같다.

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수소 폭탄 실험(출처)

수소의 또다른 중요한 용도는 냉각제이다. 수소는 낮은 밀도와 점도, 높은 비열과 열전도성 때문에 발전소의 발전기를 냉각하는 냉각제로 많이 쓰인다.

수소는 가연성이 높고, 특히 공기와 섞여 있는 상태에서 점화가 되었을 때는 연소가 되기보다는 폭발할 위험이 크므로 주의하여야 한다. 액체 수소를 다룰 때는 순간적인 접촉에 의해서도 동상이 생길 수 있다. 많은 금속들이 수소 기체를 잘 흡수하는 성질이 있어 금속 용기에 수소를 오래 보관하면 용기가 물러져 금이 가거나 파손이 되는 현상이 일어날 수 있다.

1. Dresselhaus, M.; et al. (15 May 2003). 'Basic Research Needs for the Hydrogen Economy' (PDF). Argonne National Laboratory, U.S. Department of Energy, Office of Science Laboratory. Retrieved 5 February 2008.
2. Oxtoby, D. W. (2002). Principles of Modern Chemistry (5th ed.). Thomson Brooks/Cole. ISBN 0-03-035373-4.