수소의 특징은 보통 세 가지로 대표할 수 있다. 매우 많다와 매우 가볍다와 매우 격렬하게 반응한다. 이 외에도 무색, 무취의 기체지만 자극성이기 때문에 기침을 유발한다.
전 우주에 존재하는 원소의 대부분은 이 수소다. 대부분의 별들은 이 수소를 원료로 한 핵융합으로 열과 빛을 낸다. 별의 중심부에선 수소폭탄이 초당 몇백만 개씩 터지고 있다고 보면 될 듯. 너무 흔하고 또 온갖 화합물에 들어가 있기 때문에, 보통 분자식을 쓸 때 수소가 연결된 부분은 아주 중요한 부분만 아니면 그냥 생략한다.
자연계에 다량 존재하며 화합물 형태로 존재한다. 행성이 형성되는 과정에서 수소가 물을 형성했기 때문으로, 만일 물로 화합되지 않았더라면 수소는 지구 중력을 이기고 우주 공간으로 탈출했을 것이다.
항성이 아닌, 행성 중에도 수소 대기를 가지는 경우가 많지만(목성, 토성 등) 지구는 수소를 잡아둘 만한 중력이 부족해 대기 중 구성 비율이 매우 적다. 때문에 "우주에서 가장 풍부한 원소인 수소를 이용한 에너지" 운운하면 일단 의심하는 것이 좋다. 우주에는 풍부하지만 지구에서는 쉽게 얻을 수 없는 것이 수소다. 게다가 수소는 관리와 보관이 극도로 어렵기 때문에 연료로 쓰이기 힘들다. 특히 금속 내부에 침투하여 구조적 변화를 일으키는 특성도 있기 때문에 금속 파이프 등에 수소 기체를 오랫동안 통과시킬 경우 파이프가 파괴될 위험도 있다.
그러나 핵융합의 경우에는 다르다. 핵융합은 원자핵이 강력에 의해 결합하는 과정에서 발생하는 질량결손을 에너지로 이용하기 때문에, 화학적인 결합을 통해 만들어내는 에너지보다 매우 크다. 따라서, 핵융합으로 생성된 전기를 이용하여, 전기 분해 한다면 전기분해를 통해, 수소를 얻으면서도, 동시에, 에너지도 얻을 수 있다.
핵융합 외에도 산소와 결합 시 가장 강력한 화력을 내기 때문에 로켓원료는 물론 산소를 외부에서 조달하는 램제트 엔진에도 연료로 고려되고 있다. 또한 지구상에서 매우 풍부한 물을 전기분해만 하면 얻을 수 있고 우주상에서도 대량으로 존재하기 때문에 차세대 연료로 각광 받고 있다. 하지만 순수하게 수소만 생산하는 민물은 풍부하지 않으므로 효율이 떨어진다. 바닷물을 전기 분해하면 수소 기체가 나올 때 염소 기체가 같이 나오는데, 일반적으론 오히려 염수 전해공정은 염소 생산이 주 목적이고 수소는 부산물 취급을 받는 편이다. 아울러 차세대 연료로 사용하기 위해서는 많은 양의 수소가 필요한데 전기 분해를 통해 얻는 방법은 에너지를 많이 요구해서 아직까진 비용효율이 떨어지고, 산업적으로 생산하는 방법은 아래에 나오듯 메테인을 필요로 하므로 이래저래 난관이 많다. 이런 문제점 때문에 수소를 사용할 수 있는 분야에서도 등유 등 다른 물질을 사용하기도 한다.
물론 산업적으로는 천연가스에 수증기를 섞어 고온에서 반응시켜 일산화탄소와 수소로 만들어 내어 분리하는 것이 가장 값싼 방법이다. 가장 큰 이유는 천연가스의 주성분인 메테인의 주기율표를 보면 알겠지만 탄소 1개당 4개의 수소 원자가 결합되어 있기 때문이다. 또, 천연가스 대신 가열된 코크스를 써도 천연가스로 했을 때보다 좀 적기는 하지만 역시 일산화탄소와 수소가 생성된다. 전기 분해는 순도가 높기는 하지만 상당히 많은 전기 에너지를 소비하기에 그 자체로서 굉장히 비싼 제법이며, 주로 화학 실험실 등에서나 이용되고 있다.
미래에는 차세대 원자로에서 직접 수소를 생산하는 방안도 연구되고 있는다. 초고온 가스 원자로(VHTR)나 페블베드 원자로 같은 경우 섭씨 830도 이상의 고온에서 수증기를 분해해서 직접 수소를 연속 생산 할 수 있지만 아직은 연구단계에 머물러 있고 실용화까지는 갈 길이 멀다. 하지만 수소자동차등 석유 대신 수소를 주요 에너지원이나 연료로 사용하는 수소경제를 실현하려면 반드시 실용화되어야 하는 기술이다.
수소기체는 연소 후 물만이 생성될 뿐 오염물질이 만들어지지 않아 무공해연료로 각광을 받고 있다. 석유를 내연기관에 사용하기 이전에도 주목을 받았었지만 반응이 너무 폭발적이어서 제어가 어려웠기 때문에 지금까진 사용하기 어려웠지만 제어가 어느 정도 가능해진 지금은 많은 에너지를 얻을 수 있어 장점이 되었다. 굳이 연소시키지 않더라도 연료전지(Fuel Cell)의 연료로도 사용되어 에너지를 생성할 수 있다. 그래서 우주왕복선에도 사용되고 있다. 다만, 이 무공해에 가까운 수소를 생산하려면 물에서 뽑아내거나, 화학반응을 유도해야하는데, 전자의 경우 전기로 하는 거라 당연히 전기 생산과정이 무공해로 바뀌지 않는다면 완전한 무공해라 하기 힘들 것이고, 화학반응을 위해서도 순도 높은 물질을 유지하려면 에너지가 많이 들어가니 전기가 무공해 에너지로 전환되기 전까지는 친환경이라는 의미가 없다.
게다가 저장과 운반이 매우 어렵다. 당장 분자가 작아서 용기를 이루는 원자의 틈 사이로 엄청나게 잘 새 나간다. (어디까지나 일상 용어로 빗댄 설명이다) 좀 다른 이야기지만 연료전지의 연료가 아닌 로켓의 엔진에서 사용되는 액체 수소연료의 경우 너무나 잘 새어나가서 로켓의 탱크에 주입할 때 탱크 부피의 몇 배에 해당하는 양이 필요하며, 이마저도 점화순간에 로켓 하단부를 다 그을려 버릴 정도로 줄줄 샌다. 게다가 폭발의 위험이 폭발한계 4~95 vol%일 정도로 매우 높다.수소가 공기중에 부피비로 4~95% 내의 비율로 존재하면 폭발이 가능하다는 얘기다. 착화에 필요한 에너지는 혼합비에 따라 다르지만 담뱃불이나 정전기는 당연하고 어떤 비율에서는 심지어 배관 내에서 가스가 이동하면서 생기는 마찰열로도 폭발할 수 있다. 따라서 공업적으로 수소를 사용할 경우, 설비의 설치 후 사용 전이나 유지보수 전후 질소나 비활성 가스로 내부를 플러싱하는 귀찮은 절차를 거쳐야 하며, 수소 감지기를 덕지덕지 붙여야 하고(위에서 말했듯이 워낙 잘 새니까), 폐가스 처리시 남은 수소를 흡수하거나 태우는 설비를 반드시 설치해야 한다. 죽기 싫으면 말이다.
또한 수소를 운반시킬 파이프도 문제인데 보통 파이프로는 만만하게 탄소강 재질의 파이프를 이용할 것이다. 그러나 철강 재질 파이프가 수소에 굉장히 취약한게, 수소 원자와 분자의 크기가 너무 작아서 금속 원자들의 빈틈으로 조금씩 침투하고 그것이 한곳에 모이고 모여 높은 압력을 발생시켜 말 그대로 금속을 찢어버리게 되는 '수소 취성' 효과를 일으키므로 금속 파이프로 수소를 다루는 것은 굉장히 위험하다. 그렇다고 PVC재질을 사용하자니 내구성이 너무 약해 사용하기 힘들고, 물론 열처리등의 방법으로 수소 취성을 예방할 순 있지만 그것은 그거대로 비용의 문제가 발생한다. 따라서 수소를 그냥 잡아두는 것 자체가 엄청나게 난이도가 높은 일이다. 덤으로 제대로 써먹으려면 고도로 높은 순도를 요구하므로 이를 해결하기 위한 연구가 활발히 진행 중이다. 이런 어려움 때문에 연료전지에 다른 연료물질을 사용하기 위한 연구 역시 활발하다.
이 중에는 암모니아를 이용한 연구도 이뤄지고 있다. 질소와 수소를 반응시키면 암모니아가 생성되므로, 이를 역으로 반응키면 암모니아에서 수소를 뽑아낼 수 있다. 암모니아는 제조, 운반, 보관 모두 수소에 비해 상대적으로 간편하므로 이론상 암모니아를 수소 운송 및 보관용으로 이용이 가능하며 이에 대한 연구도 활발하다.
황산과 요오드산이 결합, 분해를 반복하는 분젠반응에 물과 섭씨 900~1000도의 고열을 지속적으로 공급한다거나, 원자로 연료봉 피복관이 고온 환경에서 수증기와 접촉하면 반응하여 수소 기체가 발생하는데, 후자가 후쿠시마 원자력 발전소 사고에서 수소 폭발이 발생한 원인이다.
그런가하면, 원자로 주변에 밀폐된 용기를 놔두면 내부가 저절로 수소가스로 채워지는 일이 발생하기도 한다! 물론 여기에도 과학적 배경이 있는데, 원자로 가동시에 쏟아져 나오는 중성자선이 밀폐용기를 지나가던 중에 마침 용기 내부에서 베타붕괴를 일으키면 수소 원자가 되고, 최종적으로는 이들이 서로 결합하여 수소 분자가 되는 것이다. 이렇게 생성된 수소 분자가 아무리 잘 샌다고 해도, 중성자처럼 벽을 뚫고 나가지는 못하니 점점 내부에 쌓일 수 밖에 없는 것이다. 이렇게 원자력 발전소에서 생성된 수소를 모아서 수소 연료전지에 사용하는 방안도 나온적이 있었다. 원자력의 분산물이라는 점만 눈 감고 넘어가면 완전히 무공해로 수소를 얻을 수 있는 방법이기 때문. 그러나 일본에서 일어난 폭발 사고 때문에 안전성 문제로 완전히 묻혔다.
산소와 잘 섞은 다음 불을 붙이면 폭발하면서 물이 된다. 적절한 전해질과 촉매하에 반응을 일으키면 전기도 발생하며, 이는 상술한 수소 연료전지의 원리로 쓰인다.
가볍고 싼 데다가 헬륨에 비하면 만들기가 쉽다 보니 비행선 같은 것에도 종종 썼다. 다만, 안전 문제로 더이상 자주 사용되지 않는다. 특히 초대형 비행선이었던 독일의 힌덴부르크호가 정전기 스파크에 의해 폭발하는 대참사가 벌어진 뒤로는 비행선에 주로 비싸더라도 더 안전한 헬륨을 많이 쓴다. 단, 대북전단을 날릴 때 사용하는 풍선에는 어차피 사람 태울 것도 아니기 때문에 수소를 집어넣는다. 다만, 땅에 떨어져 있던 수소 애드벌룬을 우연히 아이들이 발견해 장난치다가 폭발해 참변을 당한 사례가 있긴 하다. 헬륨보다 가격이 10배 이상 싸기 때문에 풍선에 이걸 넣어서 파는 경우도 있다. 수소가 헬륨 무게 4분의 1밖에 안되긴 하지만 어차피 둘 다 공기보다는 훨씬 가볍기에 풍선에 넣으면 둘의 체공력은 별로 차이나지 않는다. 흡입했을시에도 헬륨처럼 목소리가 얇게 바뀌는 효과가 나타나기 때문에 일반인 입장에선 불을 붙여보지 않는 이상 구분이 힘들다. 그래도 90년대에서 00년대에 이슈화가 많이 되어 현재 한국에서 놀이공원이나 정식 파티용품점에서 헬륨 대신 수소풍선을 판매하는일은 없다고 보면 된다.
또한 수소의 동위원소인 삼중수소는 약하지만 방사성을 띠고 있어 야광을 내는 데 재료로 쓰이기도 한다. 대표적인 것이 K2소총의 가늠쇠에 있는 야간전투트리튬이 바로 그것. 형광 물질과 섞어 희미하게 푸른 빛을 내도록 구성한다.(삼중수소 자체가 발광하지는 않는다.) 방사성 물질이라 피폭의 우려가 있다지만 양이 워낙 미량이고 방사선 자체도 투과력이 비교적 약한 편(베타선)이라 걱정 안 해도 된다.
