원자 구조와 결합 그리고 결정

원자 구조와 결합 그리고 결정

원자 구조와 결합 그리고 결정

원자 간 결합에 대해 알아보고자 합니다. 세라믹, 금속, 고분자 재료의 기본은 원자 간 결합에서 출발하기 때문에 각각의 특성들이 어떻게 다르며 어떤 점이 비슷한지 알기 위해서는 원자 간 결합에 대한 이해가 필요합니다. 원자구조는 중앙의 중성자(Neutrons)와 양성자(Protons)가 결합하여 만들어진 핵(Nucleus)과 그 주위를 감싸고 있는 전자(electrons)로 이루어져 있습니다. 현대 물리학(양자론)적 개념에서 전자의 움직임이 과거의 설명과는 조금 다른 부분이 있지만 저희는 그 부분까지는 다루지 않도록 하겠습니다. 따라서 핵과 핵을 둘러싸고 있는 전자로 구성되어 있는 원자로 설명드리도록 하겠습니다. 나트륨(Sodium)이라고 불리는 금속의 원자 구조를 보여주고 있습니다. 주기율표에서 나타난 것처럼 1~18족이 존재하는데, 13부터 18족까지는 앞의 10이라는 숫자를 떼어 생각하여 3~8족에 해당한다고 생각하면 됩니다. 이 숫자들은 내부에 있는 핵(core)에 크게 영향을 받지 않는 최외각 전자들의 개수를 의미합니다. 따라서 나트륨의 경우는 11번, 1족에 해당하기 때문에 최외각 전자를 1개를 가지게 됩니다. 이 전자 1개는 안에 있는 나머지 10개의 전자가 핵을 잘 감싸고 있기 때문에 핵과의 상호작용이 그리 크지 않습니다. 최외각에 있는 전자는 금속에서의 자유전자에 해당합니다. 이 주기율표는 원자들의 상대적인 크기를 보여주는 주기율표로, 하늘색 선은 원자의 크기를 의미합니다. 동시에 이 원자들이 이온화(ion) 되었을 때의 크기를 상대적으로 비교할 수 있습니다. 원자는 기본적으로 금속의 경우 양이온과 전자로 이뤄져 있으며, 전자는 또한 핵을 둘러싸고 있는 내각 전자와 핵으로부터 자유로운 최외각 전자로 나뉩니다. 고체가 되면 원자 간 상호 결합이 발생하는데, 결합하는 방식에 따라 다음 그래프를 이해하면 됩니다. 그래프 상에서 나타나는 x축은 원자핵 간의 거리를 의미합니다. y축은 그에 따른 에너지를 의미합니다. 두 원자가 아주 멀리 떨어져 있으면 두 원자는 서로 가까워지려고 합니다. 이는 나중에 설명드릴 반 데르 발스 힘(van der Waals forces)의 원리를 배우면 더욱 명확하게 이해할 수 있습니다. 멀리 떨어져 있으면 원자들은 항상 서로 가까워지려 합니다. 이것이 고체가 되는 이유입니다. 가까워지기 시작하면 에너지가 서서히 낮아지게 됩니다. 하지만 원자핵이 서로 너무 가까워지면 서로 밀어내려는 척력이 발생합니다. 서로 밀치려는 힘은 거리가 아주 가까울 때만 작용하게 됩니다. 서로 당기는 힘은 아주 멀리 있을 때에도 작용하기 때문에 이 두 힘의 합을 계산해 볼 때 비대칭 (asymmetric)한 곡선이 나타나게 됩니다.

열팽창과 결합 특성

비대칭적인 곡선 때문에 나타나는 다양한 특성들이 있습니다. 인력과 척력의 합이 최소가 되는 지점은 두 힘의 평형을 유지할 수 있는 거리로 절대온도 0 K에서 원자 간의 평균 거리를 나타냅니다. 온도가 올라가면 원자들은 열에너지를 받아 진동을 하게 됩니다. 진폭은 진동을 하는 길이에 해당합니다. 이 길이의 중심에 해당하는 부분이 평균 거리이며, 진동의 기준점이 됩니다. 평균 거리는 커브가 비대칭이기 때문에 오른쪽 그림과 같이 휘어진 형태로 나타나게 됩니다. 즉, 원자 간 평균 거리는 온도 증가에 따라 증가하는 경향을 보입니다. 따라서 대부분의 재료가 온도를 증가시키면 길이가 길어지게 되는 것입니다. 아주 더운 날 철로가 휘어진다는 이야기를 들어보았을 것입니다. 재료의 길이가 온도 증가에 따라 길어지기 때문에 생기는 현상입니다. 이를 우리는 열팽창(thermal expansion)이라고 합니다. 열팽창이 생기는 이유는 인력과 척력이 거리에 따른 의존성이 다르기 때문에 발생하는 현상이라고 요약할 수 있겠습니다. 그림에 보이는 곡선을 포텐셜 우물(potential well)이라고 부르며, 곡선의 모양을 통해 재료의 특성을 예측할 수 있습니다. 오른쪽 아래 그래프와 같이 포텐셜 우물이 깊고 급격한 기울기 변화를 보이는 경우 녹는점이 매우 높습니다. 즉, 결합이 강합니다. 포텐셜 우물의 깊이가 결합력을 의미하기 때문에 입니다. 결합력이 강하다는 것은 강한 재료를 의미하기 때문에 재료의 강함을 나타내는 Young’s modulus 값이 높지만, 곡선의 형태가 깊고 sharp 하기 때문에 열팽창 계수는 낮아 재료는 많이 팽창하지 않을 것입니다. 반면 곡선의 형태가 얕고 기울기 변화가 완만한 그래프의 경우 녹는점이 낮습니다. 따라서 결합력은 낮겠지만 열팽창은 많이 되는 재료라고 이해할 수 있습니다. 이처럼 포텐셜 우물(potential well)의 개념을 잘 이해하는 것은 재료의 특성을 이해하는 데에 많은 도움을 줍니다.

원자 간 결합의 종류

원자 간 결합의 종류는 크게 네 가지로 나뉩니다. 첫 번째 가장 왼쪽에 위치한 그림은 반 데르 발스 힘(van der Waals forces)입니다. 앞서 설명한 것과 같이 원자는 중앙에 위치한 핵과 그 주위를 전자로 이루어져 있는데, 이러한 전자는 활발히 움직이는 상태입니다. 현대 물리학적으로는 이러한 전자의 움직임을 전자구름이라고 표현합니다. 전자는 구름의 형태로 계속해서 움직이게 됩니다. 이때 전자는 항상 구형을 유지한 채 움직이지는 않습니다. 한쪽으로 치우치기도 하며, 매 순간 위치가 비대칭적으로 이동하게 됩니다. 전자가 가만히 정지해 있으면 전기적으로 중성이지만 순간적으로 한쪽으로 치우치게 되면 그 부분이 국소적으로 마이너스(-)를 띄게 됩니다. 이러한 전자의 움직임 때문에 순간적으로 (+), (-) 전하가 생겼다, 사라졌다를 반복하게 됩니다. 이러한 (+), (-) 전하 간 힘에 의해 원자가 서로 붙어있는 것을 반 데르 발스 힘이라고 합니다. 아래에 보이는 그림은 금속재료를 도식화한 것입니다. 금속재료의 경우는 최외각 전자의 수가 적기 때문에, 이를 제외한 내부 전자들이 핵을 잘 감싸며마치 양이온과 같은 역할을 하게 됩니다. 그리고 전자는 서로 공유하고 있게 됩니다. 이 전자는 한쪽에 묶여 있는 상태가 아닌 자유로이 이동이 가능합니다. 그래서 자유전자(free electron)라고도 부릅니다. 이온 결합(ionic bonding)을 하는 재료, 여기에 대부분 세라믹(Ceramic)이 포함이 됩니다. 이 경우 (+), (-) 부분이 서로 전자를 하나 주고받는 개념이기 때문에 이 결합은 방향성이 매우 강합니다. 금속재료의 경우 전자의 바다에 양이온이 떠 있는 것과 같기 때문에 방향성이 없습니다. 또한 반 데르 발스 힘의 경우 계속해서 (+), (-)를 순간적으로 왔다, 갔다 하는 것이기 때문에 방향성이 없습니다. 그러나 이온 결합의 경우는 (+), (-)가 교차하며 배열되기 때문에 방향성이 매우 강한 결합입니다. 또 다른 방향성이 강한 결합은 공유결합으로, 전자를 서로 공유해서 안정화되는 결합입니다. 서로 마주 보고 있는 방향으로 전자를 공유하고 있어야 하기 때문에 방향성이 매우 강합니다. 이러한 결합의 방향성 유, 무에 따라서 각각의 물질들이 고체로 되는 과정이 달라지게 됩니다. 대표적으로 방향성이 없는 금속의 경우, 이전 강의에서 배웠던 케플러가 이야기했던 close packing이라는 형태로 금속이 결정을 형성하는 것이 대부분입니다. 즉, 방향성이 없기 때문에 원자끼리 최대한으로 빽빽하게 배열하려고 할 것입니다. 이를 close packing이라고 합니다. 따라서 대부분은 이것이 쌓이는 방향에 따라 cubic과 hexagonal로 분류됩니다. Cubic과 hexagonal 모두 최밀 형태로 쌓여있는 것이고 이것이 금속의 특징이라고 할 수 있습니다. 반면 이온 결합 (Ionic bonding)의 경우는 조금 다릅니다. 이온 결합의 경우 양이온과 음이온의 크기가 다르며, 음이온이 주로 큽니다. 따라서 음이온이 먼저 금속재료처럼 최밀충전 (Close Packing)을 하게 됩니다. 그리고 그 사이 공간에 양이온이 배열하게 되며, 양이온과 음이온의 크기 비율에 따라서 배열되는 모양이 크게 6가지 형태로 나타나게 됩니다. 지금까지 원자의 결합과 결정의 형성에 대해 간략하게 알아보았습니다. 본 내용에 대해 간략하게 설명을 드린 이유는 이후 배우게 될 금속재료, 세라믹 재료, 고분자 재료에 대해 이해하는 데에 기초가 되기 때문에 이 부분을 소개해 드렸습니다.