궁금했어 수소(사이언스 틴스 18)

모든 원소의 어머니 수소

위기에 빠진 지구와 인류 문명을 구해 낼 슈퍼히어로,

수소에 대한 모든 것

빅뱅으로 수소가 생겨났다고?

수소 에너지가 화석 연료를 대신할 수 있을까?

우주 로켓에 수소 연료가 쓰인다고?

수소차 개발은 어느 만큼 진행되었을까?

수소로 만드는 작은 태양은 언제 완성될까?

[목 차]
  

1장 수소란 무엇일까?

 

오늘날 우리가 마주한 문제

 

가장 작은 원자, 수소

 

원자의 구성

 

물질을 만드는 원자 세계의 규칙

 

모든 원소의 어머니, 수소

 

/ 궁금 pick / 수소를 발견한 사람들

 

 

 

2장 수소는 어디에 있을까?

 

천상의 원소, 수소

 

물의 원소, 수소

 

생명의 원소, 수소

 

화석 연료와 수소

 

/ 궁금 pick / 수소를 타고 하늘로 둥둥

 

 

 

3장 신재생 에너지와 수소

 

에너지와 인류 역사

 

신재생 에너지로의 전환

 

신재생 에너지의 문제와 수소

 

/ 궁금 pick / 시대를 앞서간 덴마크의 발명가 폴 라쿠르

 

 

 

4장 수소는 어디에 쓰일까?

 

오늘날의 수소 산업

 

수소 발전

 

수소 제철

 

/ 궁금 pick / 암을 치료하는 양성자

 

 

 

5장 수소는 어떻게 만들까?

 

수소의 출신 계급

 

민감하고 까다로운 기체, 수소

 

/ 궁금 pick / 우주 여행의 숨은 영웅, 수소

 

 

 

6장 작은 태양을 만들 수는 없을까?

 

무한하고 깨끗한 꿈의 에너지

 

에너지와 핵분열

 

핵이 충돌해 융합하면 큰 에너지가 나온다

 

/ 궁금 pick / 원자 폭탄과 수소 폭탄, 핵분열과 핵융합

 

 

 

원소 주기율표

 

작가의 말

[본 문]
  

원자들은 원자핵과 전자로 이루어져 있고 원자핵 안에는 양성자와 중성자가 있어. 수소 원자는 원자 중에서도 가장 작고 단순한 원자라서 양성자 1개와 전자 1개로 이루어져 있단다. _ 본문 15쪽에서

 

 

수소의 경우 원자핵에 양성자 1개만 가진 보통의 수소(1H), 양성자 1개에 중성자 1개가 붙은 중수소(2H), 양성자 1개에 중성자가 2개인 삼중 수소(3H), 이렇게 세 가지 형태의 동위 원소가 존재해. 자연에 존재하는 수소의 99.98%가 중성자가 없는 보통의 수소(1H)이고 0.02%가 중수소(2H)야. 삼중 수소(3H)는 불안정해서 자연에 거의 존재하지 않고 인공적으로 만들지. _ 본문 19쪽에서

 

 

우주가 팽창하면서 온도가 조금 내려가자 기본 입자인 쿼크들이 모여서 양성자와 중성자를 만들었어. 이때까지 걸린 시간이 단 3분이라고 해. 우주가 계속해서 더 식으니까 자유롭게 떠다니던 전자(렙톤의 일종)들이 양성자에 붙잡혀서 전자 1개가 양성자 1개의 주위를 도는 관계를 맺게 되었어. 그 결과 우리의 주인공 수소가 나타났지. 같은 방식으로 전자 2개가 헬륨 원자핵에 붙잡혀 헬륨(He) 원자를 만들었어. 이게 우주 탄생 후 약 38만 년이 지났을 즈음이야. _ 본문 27쪽에서

 

 

수소 분자는 보통 온도에서 기체 상태로 존재해. 그렇다면 우리가 숨 쉬는 공기 속에 수소 기체는 얼마나 들어 있을까? 0.00005% 정도야. 거의 찾아보기 힘들 만큼 적은 양이지? 대기에 가장 풍부한 기체는 질소인데 거의 80% 정도를 차지하고 있어. 다음은 산소가 20% 정도고. 세 번째로 많은 기체인 아르곤은 1%도 채 되지 않아. 그 밖에 다른 기체들은 그보다 훨씬 더 적은 양이지. 수소는 그중에서도 매우 적은 편이고. _ 본문 41쪽에서

 

 

수소 연료 전지가 환영받는 이유 중 하나가 연료를 태우는 연소 과정이 없어서 이산화탄소는 물론이고 질소산화물, 황산화물 등 유해 물질이 생기지 않고 오직 깨끗한 물만 나온다는 점이야 .

 

연료 전지 하나의 출력은 매우 작지만 이런 전지들을 겹겹이 포개 놓으면 직렬로 연결하는 효과가 있어서 전압 차가 커지고 자동차를 움직이거나 주변에 전기를 공급하기에 충분할 만큼 전기를 생산할 수 있어. 이렇게 전지를 겹겹이 포개 놓은 것을 ‘스택(stack)’이라고 해. _ 본문 92쪽에서

 

 

수소를 만드는 방법은 여러 가지야. 그런데 수소 에너지 개발의 목적이 지구 온난화를 막기 위해서인데 수소를 만드는 방법 중 일부는 오히려 온실가스 배출의 원인이 되고 있어. 그래서 똑같은 수소지만 어떻게 탄생했는지에 따라 지구와 인류에게 좋은 수소와 지구 온난화에 일조하는 나쁜 수소로 나누고 꼬리표를 붙이는 거야. 그래야 점점 더 좋은 수소로 세상을 채워 나갈 수 있겠지? 수소의 꼬리표는 색깔로 나타내. _ 본문 109쪽에서

 

 

수소는 불에 잘 타는 물질이야. 그런데 불에 잘 타는 특성(가연성)과 불이 잘 붙는 특성(인화성)은 구분할 필요가 있어. 대부분 가연성이높은 물질이 인화성도 높지만 두 특성이 항상 같이 움직이지는 않아. 예를 들어 종이나 나무는 가연성은 높지만, 인화성은 별로 높지 않지. 인화성을 결정하는 특성은 스스로 불이 붙을 수 있는 온도(인화점), 그리고 가스가 공기와 혼합되어 폭발할 수 있는 가스와 공기의 비율인데, 이것을 ‘폭발 한계’라고 하지. 수소는 메테인이나 에테인, 프로페인, 뷰테인과 같은 연료 가스에 비해 인화점이 낮고 폭발 한계 범위가 넓어서 인화성이 특히 높아. _ 본문 117쪽에서

 

 

핵융합이 일어나려면 일단 원자핵들끼리 부딪혀야 해. 그런데 1장에서 살펴본 수소 원자의 모습을 상상해 봐. 텅 빈 공간의 한가운데 아주 작은 원자핵이 있고 그보다 훨씬 더 작은 전자가 멀리서 원자핵을 돌고 있지. 보통 원자핵에 접근하려면 일단 전자의 경비를 뚫어야 해. 그건 온도를 높여서 ‘플라스마’ 상태를 만들어서 해결할 수 있어. 플라스마는 고체, 액체, 기체에 이어 제4의 물질 상태라고도 부르는데, 물질을 높은 온도로 가열하거나 전기장을 걸고 에너지를 가해 원자핵과 전자가 분리된 상태를 말해. _ 본문 138쪽에서