금속성 수소

 

1주기 1족 원소 수소(H)에 대하여

 

수소는 주기율표 1주기 1족에 위치한 양성자 1개 전자 1개를 갖는 원소이다. 수소는 현재 수소연료전지의 연료로서 매우 각광 받고 있으며 수소와 산소가 결합하여 에너지와 물(H2O) 가 만들어진다. 기존의 화석 연료와 비교를 해보면 반응물로서 산소가 필요하다는 점은 같지만 반응물에 탄소가 없어 이산화 탄소가 만들어지지 않고 물이 만들어진다.

수소연료 전지의 원리에 대하여 간단하게 설명을 하자면 수소가 연료 극을 지나면서 전자와 수소 원자로 나누어지게 되고 전해질의 고분자 막은 수소 원자 만을 통과 시켜 음극에 전자를 남기게 된다. 그리고 양극에서는 수소 이온과 산소가 결합을 하기 위해 전자가 필요하게 되는데 이것이 전위차를 만들어 전기 E를 만들어 내는 것 이다.

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금속성 수소

 

수소는 매우 높은 밀도로 압축되면 다른 1족 원소처럼 금속성을 나타내는데 이것을 금속성 수소 라고 부른다. 그럼 왜 압력을 받으면 비금속 이였던 수소가 자유 전자를 갖는 금속성을 갖는 물질이 되는 것 일까? 그 원리는 금속 결합과 관련이 있다. 보통 금속 결합은 원자에서 원자가 전자를 내놓고 양이온으로 되어 안정하게 되고, 원자로부터 떨어져 나온 원자가 전자가 자유 전자가 되어 금속 양이온과 결합을 한다. 수소에서는 압력을 가하면 수소 원자핵(양성자) 사이의 거리가 수소 원자 반지름보다 작아지게 되어 양성자들이 마치 결정 구조의 격자 형태로 존재하게 되고 속박되어 있던 전자들이 자유전자의 성질을 갖게 되어 고체수소가 금속성을 가지게 되는 것을 말한다.

 

실제로 고체성 수소를 하버드대학교 연구진이 만들었다고 한다. 제조를 위하여 높은 압력이 필요한데 이런 높은 압력을 구현하기 위해 사용한 장치는 끝이 뾰족한 두 개의 다이아몬드였다. 한쪽 다이아몬드의 끝은 물질을 가둘 수 있도록 조금 파여져 있는데, 그 사이에 수소 기체를 놓고 압력을 높이는 방식이다. 여기서 다이아몬드에 가해지는 힘은 생각 보다 작다. 왜냐하면 힘을 받는 면적이 작아져서 압력이 매우 높아지는 것이다.

 

 

금속성 수소의 특징 – 상온에서의 초전도체?

 

금속 수소의 활용 분야는 매우 넓다. 금속 수소는 전기 저항이 0인 초전도체일 가능성이 매우 높기 떄문이다. (양자역학에서의 BCS 이론 참조) 에너지 생산 및 저장 효율 향상 및 전기차 모터에서의 에너지 효율 개선으로 성능개선을 기대해 볼 수 있다.

아직 명확하게 밝혀지지는 않았지만 금속 수소는 압력이 사라져도 금속성을 유지할 만큼 준안정화할 것으로 추정되고 있다. 이는 큰 압력과 열을 가하면 흑연에서 다이아몬드가 형성되지만 압력과 열을 제거해도 다이아몬드 상태로 남아 있는 것과 같은 원리이다.