원소로 보는 화학사 Vol. 002 ‘원자번호 2번 헬륨을 소개합니다’

지난번 ‘원소로 보는 화학사’에서는 원자번호 1번 ‘수소’를 소개해드렸는데요. 오늘은 원자번호 2번 ‘헬륨’에 관한 재미있는 이야기를 해볼까 합니다. 헬륨은 수소 다음으로 가벼운 기체입니다. 헬륨은 기체로만 존재하는 것이 아니라, 액체 헬륨으로도 존재하는데요. 그럼 지금부터 블로그지기가 기체로서도 액체로서도 신기한 원소 ‘헬륨’에 관한 재미있는 이야기를 들려드릴게요.

원자번호 2번 ‘헬륨’을 소개합니다!

재미있는 목소리를 만들어주는 헬륨의 ‘도날드 덕(Donald Duck) 효과’

여러분은 헬륨 가스를 마시고 원래 목소리와는 다른 재미있는 목소리를 내는 것을 보거나 경험한 적이 있나요? 이러한 효과를 ‘도날드 덕 효과’라고 하는데요. 이는 목과 호흡기를 채운 가벼운 헬륨 원자가 빠르게 진동하여 마치 음성 변조를 한 것처럼 평상시보다 2.7옥타브 높은 고음을 내는 것입니다. 그 목소리가 마치 애니메이션 <미키 마우스>에 등장하는 도날드 덕 캐릭터의 목소리와 비슷하다고 해서 이러한 현상을 ‘도날드 덕 효과’라고 부르게 된 것입니다.

헬륨은 비교적 저렴하고 쉽게 구할 수 있고 독성이 없어서 많은 사람들이 도날드 덕 효과 현상을 재미로 즐기는데요. 헬륨 가스를 너무 많이 마시면 산소 부족으로 어지러울 수 있고, 심한 경우에는 뇌가 손상되거나 사망에 이를 수도 있기 때문에 주의해야 합니다.

고갈이 머지않은 원소, ‘헬륨’

우주에서 가장 풍부한 원소인 수소 바로 다음으로 풍부한 원소는 헬륨입니다. 하지만, 의외로 지구에서 헬륨은 매우 희귀한 원소인데요. 그 이유는 무엇일까요? 바로 대기보다 가볍기 때문에 지구의 중력을 받지 않고 우주로 계속 빠져나가기 때문입니다. 그래서 지구에 있는 헬륨은 지금도 계속 사라지고 있고, 고갈 위기에 놓여 있습니다.

일반적으로 헬륨은 천연가스처럼 지각에서 추출해 사용하는데요. 현재 헬륨의 매장량과 연간 세계 헬륨 소모량 등을 모두 고려할 때 짧게는 20년, 길게는 30년 안에 헬륨이 고갈될 것으로 전문가들은 예측합니다. 헬륨은 다른 인공 원소처럼 합성 및 생성하기가 어렵기 때문에 고갈되었을 때 심각한 문제가 될 수 있죠. 이 때문에 헬륨이 완전히 고갈되기 전에 빨리 적절한 해결책을 찾는 것이 중요합니다.

‘헬륨’이 발견되기까지의 과정, 그리고 원소명의 유래

1868년 로키어(Norman Lockyer) 연구진은 태양 코로나에서 새로운 스펙트럼 선(spectral line, 스펙트럼에서 나타나는 흡수선이나 방출선의 총칭)을 발견하였습니다. 그리고 그것을 그리스어로 태양을 뜻하는 ‘helios’에서 유래하여 ‘헬륨(Helium)’이라는 원소명으로 명명하였는데요. 태양 코로나를 관측하던 중 새로운 스펙트럼 선을 발견한 로키어는 미지의 원소가 존재한다고 판단하여 이러한 이름을 붙인 것입니다.

이후 1890년에 우라늄석(石)에서도 미지의 비활성기체가 분리되었고, 1895년에는 영국의 화학자 램지(William Ramsay)가 크래브석(石)에서 기체를 분리했습니다. 그리고 램지는 이것 모두가 로키어 연구진이 발견한 것과 동일한 헬륨이라는 사실이 확인했습니다.

‘헬륨’은 어디에 사용될까요?

흔히 놀이공원이나 파티에서 공기 중에 뜨는 풍선을 많이 볼 수 있습니다. 여러분은 공기 중에 뜨는 이 풍선의 원리를 알고 있나요? 보통 우리가 입으로 불어서 만드는 풍선은 공기 중에 뜨지 않고 바닥에 가라앉는데 말이죠. 그것의 원리는 바로 지구의 대기보다 밀도가 낮은 헬륨이 풍선 속에 차있기 때문에 위로 떠오르려는 부력이 작용한 것입니다.

지난번 소개해 드렸던 가장 가벼운 기체인 수소는 폭발성이 강하다는 특징 때문에 풍선이나 비행선을 띄우는 용도로 사용하기에는 어렵습니다. 반면 헬륨은 가벼우면서도 안전하기 때문에 풍선뿐만 아니라, 비행선을 띄우는 데에도 쓰입니다. 또한 헬륨은 물에 잘 녹지 않는 특징이 있어서 잠수병의 예방에 효율적입니다. 따라서 헬륨을 산소와 혼합하여 잠수용 호흡가스로 이용하기도 합니다. 그리고 헬륨의 많은 용도 중 하나가 액체 상태의 헬륨을 활용하는 것입니다. 액체 헬륨은 MRI의 초전도 자석을 냉각시키는 데 사용합니다.

오늘은 수소 다음으로 가장 가벼운 원소인‘헬륨’에 대해서 소개해드렸는데요. 그동안 잘 몰랐던 ‘헬륨’에 관한 다양한 이야기들을 알 수 있는 유용한 시간이 되셨기를 바라면서, 다음 ‘원소로 보는 화학사’는 전자기기하면 빠질 수 없는 금속 원소 중 가장 가벼운 ‘리튬’에 대해서 소개해드릴게요. 많이 기대해 주세요!

<내용 출처> 누구나 쉽게 배우는 원소 (그림으로 배우는 118종 원소 이야기)/원소의 세계사 (주기율표에 숨겨진 기상천외하고 유쾌한 비밀들)/원소가 뭐길래 (일상 속 흥미진진한 화학 이야기)/Big Questions 118 원소 (사진으로 공감하는 원소의 모든 것)