[재료공학] 금속결합(metallic bond)의 이해

금속결합(metallic bond)이란 무엇인가?

금속결합(metallic bond)의 정의는?

 

금속 결합은 금속 원자들을 금속 결정 내에 고정시키는 독특한 결합 방식으로, 공유결합이나 이온결합과는 전혀 다른 유형의 결합입니다. 금속 원자는 전자를 속박하지 않고 내어 놓지만 이 전자를 받아들이는 원자 또한 없습니다. 금속결합의 특성을 설명하는 몇 가지 이론이 있는데, 그중 "전자 바다" 모델이 가장 널리 사용됩니다.

 

금속의 전자 바다 모델

 

금속의 여러가지 특성(높은 전기 및 열전도도, 광택 등)은 다음과 같은 금속 결합으로 인해 나타나는 현상입니다.

 

1. 금속은 이온화 에너지가 낮습니다. 낮은 이온화 에너지는 금속이 원자가 전자를 쉽게 방출 할 수 있음을 의미합니다. 아래 그림을 보면 이온화 에너지가 주기율표 상에서 오른쪽으로 증가하며 아래로 내려올수록 감소한다는 것을 확인할 수 있습니다.

 

주기율표에서 확인할 수 있는 이온화 에너지의 경향

 

 

2. 금속은 전자가 절반만 채워진 오비탈을 가지고 있습니다. 예를 들어 소듐(나트륨)의 전자 배치는 1S22S22P63S1로 표현되는데, 오비탈의 절반에만 전자가 채워졌음을 알 수 있습니다.

 

주기율표에서 볼 수 있는 전자

 

전자 바다 모델의 설명

 

금속의 이온화 에너지가 낮기 때문에 금속 원자의 전자는 금속 결정 내에서 느슨하게 결합됩니다. 다 채워지지 않은 금속 원자의 오비탈은 금속 결정 내에서 인접한 금속 원자의 오비탈과 서로 겹칠 수 있습니다. 느슨하게 결합 된 전자는 이 오비탈에서 속박되지 않고 자유롭게 움직여 금속 결정 전체에 걸쳐 비편재화 될 수 있습니다. 즉, 비편재화된 전자들과 이웃하는 금속 양이온들의 정전기적 인력으로 인해 양전하를 띄는 금속 이온들은 서로 떨어지지 않고 결합된 상태로 있을 수 있습니다. 여기서 금속 양이온은 전자의 바다에 빠져 있는 것과 같은 상황이기 때문에 이러한 모델의 설명은 "전자 바다" 모델로 불립니다.

 

금속결합에서 전자 바다 모델

 

비편재화(Delocalized)된 전자란 무엇인가?

 

금속 결합에 의한 금속의 물리적 특성

 

전자 바다 모델을 이용한 금속 결합은 아래와 같은 금속의 물리적 특성을 설명 할 수 있습니다.

 

 1. 연성 및 전성

 

연성은 재료에 응력을 가하여 파손없이 길게 만들 수 있는, 즉 인장력에 대해 변형을 일으킬 수 있는 재료의 특성입니다.

 

응력을 가했을 때 서로 다른 재료의 파단면

 

위 그림은 응력을 가했을 때의 재료의 파단면을 나타낸 것으로, 여기서 (a)는 취성을 가진 재료이며 (b)는 부분적으로 연성을 가진 재료, (c)는 높은 연성을 가진 재료의 파단면입니다. 전성은 재료가 수직방향의 응력 하에서 변형 될 수 있는, 연성과 유사한 물리적 특성입니다. 얇은 금속 시트를 형성하기 위해 금속을 망치질하거나 롤러에 가공할 때 나타나는 금속의 성질로, 전성의 정도는 금속의 종류나 가공온도에 따라 다릅니다.

 

금속의 이러한 특성은 위에서 설명드린 금속 결합의 전자 바다 모델로 설명 할 수 있습니다. 전자 바다 모델에 따르면, 금속이 망치 나 다른 방식으로 응력을 받을 때 금속 결정의 내부 구조는 변하지 않습니다. 전자와 양이온은 응력을 받은 금속의 결정 구조를 복원하기 위해 전자와 양이온의 위치를 조정할 수 있기 때문입니다. 이로 인해 금속은 높은 연성과 전성을 가집니다.

 

2. 높은 열 전도도

 

여러가지 재료의 열 전도도

 

금속은 매우 좋은 열 전도체입니다. 금속의 한쪽이 가열되면 금속의 다른 쪽 끝이 곧 뜨거워지는 것을 경험할 수 있습니다. 가열 된 부분에서 금속 결합의 전자는 열을 흡수하고 이 열 에너지로 인해 진동합니다. 이 진동은 바로 인접한 전자들에게 계속 전달되어 열적 평형을 이룰때까지 다른 영역으로 열 에너지가 전달됩니다.

 

3. 높은 전기 전도도

 

여러가지 재료의 전기 전도도

 

금속은 또한 매우 좋은 전기 전도체입니다. 높은 전기전도도는 금속의 가장 대표적인 성질입니다. 금속으로 이루어진 도선에 전압이 가해지면 옴의 법칙에 따라 전류가 흐릅니다. 금속 내의 전자는 전압이 인가 될 때 자유롭게 이동할 수 있습니다. 일반적으로 원자가 전자와의 인력이 작은 금속은 전기 전도도가 우수합니다.

 

4. 광전 효과

 

광전효과

 

금속은 광전 효과를 나타냅니다. 금속에 충분히 높은(일함수 이상의) 에너지를 가진 전자기파가 흡수되면 금속 결정에서 전자가 방출됩니다. 이를 광전자라고 합니다. 금속의 자유 전자는 필요한 에너지를 흡수한 후 금속 결정 내의 전기제 인력을 극복하고 외부로 방출됩니다.

 

5. 빛의 반사

 

금속의 반사로 인한 광택

 

금속은 특유의 반짝거리는 광택을 내는데 이는 금속이 빛을 반사 할 수 있기 때문입니다. 금속의 전자는 특정 파장의 빛을 흡수하여 더 높은 에너지 준위로 들뜰(점프) 수 있습니다. 들뜬 상태에서 원래 상태로 돌아오면 흡수할 때와 동일한 파장의 빛을 방출합니다. 입사광의 파장은 방출된 빛의 파장과 동일하기 때문에 빛의 반사로 볼 수 있습니다.

 

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