수소의 또 다른 분류, para hydrogen & ortho hydrogen?

 

 

최근에 세미나 듣다가 알게 된 흥미로운 사실. 보통 수소 (hydrogen)의 종류라고 하면 H2, D2 (Deuterium, 중수소), T2 (Tritium, 삼중수소)등 isotope를 먼저 생각하기 마련인데, spin isomer에 의한 분류로 ortho/para hydrogen으로도 나눌 수 있다고 한다.

알다시피 수소는 한 개의 양성자와 한 개의 전자를 가지고 있고, nuclear spin은 1/2이다. 이 nuclear spin은 +1/2, -1/2 상태를 가질 수 있는데, 두 수소 원자가 합쳐져서 분자를 형성함에 따라 spin의 방향이 ortho (+/+) 혹은 para (+/-)로 갈릴 수 있다고 한다. 이들의 관계를 spin isomer라고 부르는데, ortho 인 경우 nuclear spin인 I가 1 (1/2 + 1/2)이 되어 triplet state (2 x I + 1 = 3), para 인 경우 singlet이 된다. 

wikipedia

상온에서 ortho/para hydrogen은 평형을 이루는데 그 비율은 3:1 정도라고 한다. 온도가 낮아지면 평형이 para 쪽으로 이동한다고 한다. 이미 상온에서 충분한 에너지를 얻어서 서로 반대를 향하던 spin이 둘 다 같은 방향을 향할 수 있는 것 같다. 흥미롭게도 온도를 더 높인다고 해서 이 비율이 변하지는 않는다고 한다.

생각해보면 당연하게 예상할 수 있을 것 같은데 굳이 여기까지는 호기심이 미치지 않았던 것 같다. 이 para hydrogen의 발견은 열용량 (heat capacity)를 연구하던 와중에 발견되었다고 한다. 만약 한 가지 스핀 상태만 존재했다면 (ortho든 para든) 일정하게 올라가거나 내려가거나 했을텐데 아마 특정 지점에서 다른 변화폭을 보였던 것 같다. 

 

그래서 이게 실제로 쓸모가 있냐? 라고 물어보면 그렇다고 한다. 화학 분야에서는 hydrogenation (분자에 수소집어넣는 과정) 을 관찰하기에 para hydrogen이 요긴하게 쓰인다고 한다. 

마지막으로 그럼 H2만 이런 spin isomer를 가지고 있냐 라고 물어보면 그것도 아니라고 한다. 여러 발견이 이루어지고 있는 것 같은데, 보아하니 ortho H2O, para H2O도 발견되고 여러 테스트가 이뤄진 모양이다. 자세한 내용은 아래 링크에서

https://water.lsbu.ac.uk/water/ortho_para_water.html

ortho-Water and para-Water