원자

금속의 모든 성질은 이를 구성하고 있는 원자의 종류에 의해 정해지지만 이외에 같은 금속원자라도 원자의 배열상태에 따라 성질이 현저히 변한다. 또한 금속의 강도는 원자의 규칙적인 배열상태에서 벗어남에 따라 현저히 좌우된다. 따라서 원자적인 관점에서 금속재료의 성질을 살펴보며 새로운 금속재료를 개발하기 위해서는 원자적인 사고가 필요하다.

● 원자의 구조

원자의 구조로는 전기를 띤 원자핵을 중심으로 그 주위에 그 원자번호에 상당하는 수 만큼의 전기를 띤 전자가 규칙적으로 돌고있어 원자전체로서는 전기적으로 중성상태이다.

원자의 크기는 10^-8cm(Å)단위, 즉 약 1억분의 1∼3m 정도로 극히 작다. 또한, 원자의 중심에 있는 원자핵의 최소단위는 수소원자의 원자핵으로 이것을 양자(proton)이라 하며 그 크기는 원자크기에 비해 훨씬 작아 10^-13cm정도이며 원자직경의 1/10만 정도이다. 양자는 전기의 최소단위 e(1.602×10^-19쿠롱)의 전기를 갖고 있다. 원자의 원자핵중에는 양자외에 양자와 거의 같은 크기와 질량(양자보다 약간 무겁다)을 가지며 전기적으로는 중성입자, 즉, 중성자(newtron)가 동시에 존재하고 원자핵은 그 원소의 원자번호에 상당하는 수의 양자와 몇개의 중성자로 구성되어 있다.

원자핵의 주위에는 e의 전기를 갖는 전자가 원자번호의 수만큼 각각의 에너지준위에 따라 돌며 원자전체로서는 전기적으로 중성을 나타낸다. 또한 전자의 크기는 양자크기의 약 1/20 이하의 10^-15cm정도라고 한다. 양자와 전자의 질량비는 1836:1의 비율이어서 원자의 질량은 거의 전부가 원자핵에 집중되어 있다. 원자구의 속은 그것에 비하면 훨씬 작은 원자핵과 전자이외는 완전한 진공이어서 원자속의 대부분의 공간은 아무것도 존재하지 않는다. 전자(電子)중 가장 외부에 있는 전자는 가장 높은 에너지를 갖는 전자로 이를 최외각전자라 한다. 이 전자는 원자핵에서 가장 멀기 때문에 원자핵으로 부터의 구속력이 약하고 비교적 에너지 상태가 변화되기 쉽다. 즉 원자의 화학성질에 가장 관계가 깊은 전자군(電子群)이다. 일반적으로 원자의 질량을 나타내는데 원자량이란 말을 사용하지만 이것은 원자의 절대적인 질량이 아니라 원자번호 6인 탄소(C)의 원자량을 1200로 하여 이것을 기준으로 한 상대적인 질량이다. 또한, C 원자 질량의 1/12이 물리적원자량의 단위로 되므로 이 값은 약 1.66×10^-24g이다.

원소의 화학적성질은 그 원자의 핵의 성질에 밀접한 관계가 있으며 화학적반응은 그 핵을 둘러싸고 있는 전자의 에너지 상태에도 좌우되어 변화한다. 즉, 원자핵은 원자질량의 대부분을 접하고 있음에도 불구하고 항상 많은 전자에 둘러싸여 있어 핵자신의 움직임을 직접나타내는 일은 없다. 원자번호는 같으나 원자량이 다른 원소를 동위원소 (同位元素)라 한다. 그 예로 우라늄(U:원자번호92)은 3개의 동위원소가 존재하며 그 원자량과 분량비는 다음과 같다.

우라늄 3개의 동위원소는 원자핵의 구조가 달라 양자의 수는 92개로 같지만 중성자의 수는 각각 142개, 143개 및 146개이다. 그러나 원자핵을 둘러싸는 전자의 수는 92개이고 에너지 상태는 동일하므로 화학적 성질은 3개 모두 같다.

● 원자결합

금속이 금속특유의 성질을 나타내는 원인의 하나는 결정이라는 점이라고 했지만 금속이외에도 결정을 이루는 것은 많다. 금속특유의 성질, 즉, 전기 및 열전도도가 우수하다든가 소성변형능이 크다든가 혹은 금속광택을 나타내는 근본적인 원인은 원자간의 결합방식에 있다. 일반적으로 원자끼리 결합하는 힘을 대별하면 (1) 이온결합 (2) 공유결합 (3) 금속결합 (4) 반 데어 발스(Van der Waals)결합이 있다. 그러나 이러한 결합 외에 이들의 중간상태 및 2가지 결합방식을 겸하는 경우도 있다. Au 및 Cu는 순수한 금속결합을 하지만 Sb 및 As등은 금속 결합의 형태라기보다는 공유 결합의 색채가 짙어 금속적 특성이 적다.

◆ 이온결합

결합력은 원자끼리 전자를 주고 받아서 와 이온으로 되었을 경우에 생기며 두개의 이온사이의 정전기적 힘에 의한 이온결합으로 NaCl결정이 대표적인 예이다. 이것은 서로 결합하는 원자가 와 의 전하(電荷)를 갖는 Na+와 Cl-의 경우이므로 이극(異極)결합이라고도 부른다. 이와 같은 이온결정의 경우에는 전자(電子)가 2개의 이온사이에 고정되므로 금속과 같은 전기전도는 불가능하지만 이온전도는 약하게 일어난다. 또한 외력을 가하면 금속의 경우, 늘어나면서 변형하지만 이온결합의 경우는 일정한 원자면을 따라 취성파괴가 일어난다.

◆ 공유결합

2개의 원자 각각의 최외각에 있는 전자가 이 2개의 원자간의 공통인 전자궤도위를 움직이며 서로 연결되어 그 힘으로 2개의 원자를 결합한 상태인 경우로 대표적인 예가 다이아몬드이다. 이는 서로 똑같은 종류의 원자(C)간에 힘이 작용하여 결합한 것이다. 이 경우에 전자는 어느쪽의 원자에 속한다고 말할 수 없는 즉, 2개의 원자에 공유된 형태이므로 공유결합 또는 동극(同極)결합이라 한다. 다이아몬드는 강한 방향성 외에 원자간 결합력이 강하므로 경도가 크고 결정내부 전체를 돌아 움직일 수 있는 전자가 없으므로 전기 부도체이며 빛에 대해서는 투명하다.

◆ 금속결합

금속원자의 결합도 같은 종류의 원자간에 작용하는 힘에 의한 것으로 최외곽전자가 각 원자에서 나와 이들이 서로 연결되어 원자를 결합하는 것으로 일종의 공유결합이다. 단, 공유결합과 다른 점은 튀어나온 전자가 특정한 2개 원자에만 공유되지 않고 금속결정을 구성하고 있는 원자전체에 공유된다는 점이다. 즉, 금속결합은 최외곽전자와 유리된 금속원자가 모든 원자전체를 에워싸는 수많은 전자의 두꺼운 구름 중에 박혀있고 유리된 전자구름과 잔여 금속이온군 사이의 상호작용에 의해 각원자가 서로 결합되어 있다는 것이다. 따라서 전자구름속에서는 전자가 결정전체를 자유롭게 이동할 수 있으므로 전기 및 열을 잘 전달한다. 또한 금속원자는 모두 등가(等價)이고 외부로 부터 응력을 가하면 어느 장소에서 이들 결합이 파괴되고 미끄러져도 쉽게 다시 결합될 수 있으므로 소성변형이 가능하며, 가시광선이 금속에 닿으면 전자구름에서 산란되어 금속광택을 나타낸다.

◆ 반데르발스(Van der Waals)힘에 의한 결합

Ne, Ar과 같은 원자는 다른 원자와 화합하는 힘을 거의 갖고 있지 않다. 그러나 이와 같은 원자사이에도 전기적으로 중성인 원자들이 접근하면 그들 원자내부에서 각 순간순간에 와 의 각 전하(各電荷)의 중심이 분리, 즉 분극이 일어나 그 결과 , 인접원자사이에 약한 전기적 인력이 생긴다. 이것이 반 데어 발스힘으로 분자의 크기가 작은 경우에는 극저온에서만 원자의 열진동보다 우세하여 원자를 결합할 수 있다. 따라서 이러한 힘에 의해 결합한 것은 매우 낮은 온도에서 풀어진다. 예로 Ar 고체는 -190℃에서 융해하며 -186℃에서는 기체로 되어 버린다.