본문내용
1. 원소의 기원과 수소의 발견
1.1. 빅뱅 이론과 우주 내 원소의 생성
우주의 시작부터 현재까지 가장 기본이 되는 원소인 수소의 기원에 대해 살펴보면 다음과 같다.
지금으로부터 약 137억년 전 우주가 초기에 탄생할 때를 묘사하는 이론 중 현재까지 가장 설득력 있는 것은 빅뱅 이론이다. 이 거대한 폭발이 있을 당시 원자를 이루는 입자들인 쿼크와 전자가 형성되며 양성자와 중성자를 구성했고, 우주가 점점 식어가며 가장 가벼운 원소인 수소와 헬륨이 생성되었다. 이때 그 둘의 구성 비율은 수소와 헬륨이 약 3:1의 비율이었고, 이 비율은 현재까지도 유지되어 우주에서 가장 많은 부분을 차지하는 원소가 수소가 되게 했다. 이후 헬륨보다 무거운 원소들은 핵융합 반응으로, 철보다 무거운 원소들은 별의 마지막 중 초신성폭발로 인해 형성되었다. 즉, 우주 초기에 가장 많이 생성된 원소가 수소이며, 이후 다른 무거운 원소들이 생성되었음을 알 수 있다.
1.2. Cavendish의 수소 발견 실험
1766년 영국의 과학자 Cavendish는 Zn, Fe, Sn 등의 금속에 산을 가하면 가연성이 좋은 기체가 발생하는 것을 발견했다. 그가 수행한 실험을 화학식으로 나타내면 이다. 이후 이 반응에서 물이 생성되는 것을 발견하고 발견한 원소를 물을 만드는 원소라는 뜻의 수소(Hydrogen)이라고 이름 붙였다. 즉, Cavendish는 금속과 산의 반응을 통해 수소 기체를 발견하고 이를 수소라고 명명한 것이다.
2. 전기분해
2.1. 전기분해의 개요
전기분해는 전류를 가하여 특정 물질을 비자발적인 방향으로 분해하는 것을 의미하며, 이런 반응을 진행시키는 화학전지의 한 종류를 전해전지(electrolytic cell)라고 한다. 화학전지의 또다른 종류인 갈바니전지와는 다르게 두 전극이 같은 전해질 용액 안에 존재하며, 주어진 반응의 전지전위에 과전압(overpotential)이 더해진 만큼의 전위차를 가해주어야 반응이 일어난다. 이때 환원 전극에서는 표준 환원전위가 가장 큰 화학종이, 산화 전극에서는 가장 작은 화학종이 산화-환원 반응을 일으키며 생성된다. 따라서 전기분해는 전류를 이용하여 화학반응을 유도하는 방법이며, 이를 통해 원하는 물질을 생산할 수 있다."
2.2. 물의 전기분해
물의 전기분해는 전류를 가해 물을 비자발적으로 분해하는 과정이다. 전기분해에서는 두 전극이 같은 전해질 용액 안에 존재하며, 주어진 반응의 전지전위에 과전압이 더해진 만큼의 전위차를 가해주어야 반응이 일어난다. 이때 환원 전극에서는 표준 환원전위가 가장 큰 화학종이, 산화 전극에서는 가장 작은 화학종이 산화-환원 반응을 일으키며 생성된다.
물의 전기분해 반응은 다음과 같다:
2H2O → 2H2 + O2
이 반응에서 양극에서는 물이 산화되어 산소 기체가, 음극에서는 물이 환원되어 수소 기체가 발생한다. 화학식에서 생성되는 수소와 산소의 몰수비가 2:1이므로, Avogadro 법칙에 의해 기체의 부피비도 2:1이 될 것이다. 실제 실험에서도 이와 같은 결과를 확인할 수 있었다.
이처럼 전기분해를 통해 물을 분해하면 수소와 산소 기체를 생성할 수 있다. 이러한 전기분해 반응은 수소 연료전지 등 신재생 에너지 기술 개발에 활용될 수 있다는 점에서 중요한 의미를 가진다.
3. 스펙트럼
3.1. 연속 스펙트럼과 선 스펙트럼
연속 스펙트럼과 선 스펙트럼은 빛의 파장과 파동성을 나타내는 방식으로 구분된다. 연속 스펙트럼은 백색광과 같이 모든 파장의 빛이 연속...
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