고체의 성질과 금속의 연성과 전성, 그리고 합금

금속

고체의 원자와 전자적 특성 

고체는 고체를 이루는 원자, 이온, 분자가 밀집된 구조로 단단한 형태를 갖습니다. 원자들이 자유롭게 움직이는 기체나 용기의 형태에 따라 달라지는 액체와 달리, 고체는 원자들이 더 밀집되어 있는데, 금속의 경우 더 가까이 원자가 쌓이기 때문에 다른 종류의 고체보다 단단한 성질을 갖습니다. 또한 이온성 고체는 이온 간 힘이 분자 간 힘보다 훨씬 강하기 때문에, 분자형 고체보다 녹는점이 더 높습니다. 다이아몬드는 그물형 고체라고 분류하는데, 원자 간 공유 결합이 강해서 이를 넘어설 때까지 녹지 않습니다. 그래서 그물형 고체는 녹는점이 매우 높습니다. 금속성 결합은 비교적 강합니다. 그러한 결과로 대부분의 금속은 높은 녹는점을 가지며, 강도가 높기 때문에 건축 자재로 흔히 쓰입니다. 

모든 금속은 그 원자들을 묶어 주는 전자의 유동성을 통해서 전기를 전도합니다. 고체는 이온성이거나 분자형, 그리고 그물형이든지 전형적으로 전기 부도체이거나 반도체이지만, 특정 온도에서 저항이 없어지는 고온 초전도체와 같이 예외도 있습니다. 초전도체는 이온성이거나 세라믹 고체이며, 여러 금속을 혼합하여 초전도체를 개발하고 이를 이용한 기술들이 개발되고 있습니다.  

 

금속은 특유의 광택을 지니고 있는데, 금속 내부의 전자 이동성 때문에 나타납니다. 입사광 파동은 진동하는 전자기장입니다. 이것은 표면에 부딪히면, 복사선 전기장이 이동성 전자를 전후로 밀어냅니다. 이때 진동하는 전자가 빛을 반사하는데, 이것이 우리에게는 광택으로 보여지는 것입니다. 사실 본질적으로 본다면 입사광의 재방출이라고 볼 수 있습니다. 전자는 입사광에 맞추어 진동하고 다시 같은 진동수의 빛을 반사합니다. 예를 들어, 빨간 빛이 금속 표면으로부터 반사되면 빨강으로 반사되고 파란 빛은 파랑으로서 반사됩니다. 일상생활에서 흔히 쓰는 거울은 유리에 얇은 금속 피막을 입힌 것입니다. 우리가 거울을 통해 우리의 모습을 볼 수 있는 것은 반사된 물체의 영상이 사실 그대로 나타나기 때문으로, 입사광의 재방출 때문이라고 볼 수 있습니다.  

 

금속 고체의 성질: 전성과 연성

금속 전자의 이동성은 금속의 전성(malleability), 즉 두드려 펴지는 능력과 선으로 늘여지는 능력인 연성(ductilty)을 설명해 줍니다. 금속 내부의 양이온은 전자 바다로 둘러싸여 있어 결합에 있어서 방향성이 전혀 없습니다. 그러한 이유로 양이온은 큰 에너지가 없어도 이웃하고 있는 다른 양이온을 지나쳐갈 수 있습니다. 우리가 금속을 망치로 치면, 내부의 많은 양이온이 그들 이웃을 지나쳐갑니다. 전자 바다의 경우 위치를 금방 재조정하므로, 원자들은 새로운 위치로 비교적 쉽게 이동합니다. 금속은 다른 고체보다 전성이 더 큽니다. 원자 집단이 서로 위치를 바꾸어 이동하면, 전자 바다가 따라 이동합니다. 이온성 고체는 보편적으로 부서지기 쉽습니다. 이를 망치로 치면, 이온 간의 작용을 잃고 집단이 이동합니다. 

 

금속의 다른 전성은 결정 구조 때문에 발생하는 특성으로 볼 수 있습니다. 금속의 결정은 보통 미끄럼면(slip plane)을 가지며, 이 원자 평면들은 응력하에서 서로 미끄러질 수가 있습니다. 입방 밀집 구조(ccp: cubic close-packed structure)로 미끄럼면은 밀집 평면이며, 단위 세포를 주의 깊게 조사해 보면 서로 다른 방향으로 여덟 개 세트의 미끄럼면을 발견할 수 있습니다. 이러한 결과로 구리처럼 입방 밀집 구조를 가진 금속은 전성이 있습니다. 전성 때문에 구리는 쉽게 구부러지고 펴지며 원하는 모양대로 변형시킬 수 있습니다. 반면에 육방형 밀집 구조는 한 세트의 미끄럼면만을 가지며, 아연이나 카드뮴처럼 육방형 밀집인 금속은 부서지기 쉽습니다. 

 

합금의 특성

합금(alloy)은 둘 이상의 금속을 혼합하여 만든 금속성 물질입니다. 합금은 건축물을 만드는 등과 같은 목적에 사용되며, 운송과 전자 산업에서 핵심적인 물질입니다. 합금은 균일합금과 뷸균일 합금으로 나뉩니다. 균일 합금(homogeneous alloy)에서는 다른 금속의 원자들이 균일하게 분포하고 있으며 황동, 청동, 그리고 화폐 주조 합금이 균일 합금입니다. 반면 주석-납 땜납과 치아의 채움에 사용되는 수은 아말감과 같은 불균일 합금(heterogeneous alloy)은 다른 조성을 가진 결정질 상의 혼합물로 되어 있습니다. 

합금의 구조는 순수한 금속의 것보다 더 복잡합니다. 이는 서로 다른 원자 반지름을 가진 둘 이상의 원소로 만들어지기 때문입니다. 금속의 합금은 순수한 금속보다 강하며, 낮은 전기 전도도를 갖는 경향이 있습니다. 어떤 합금은 성분 금속보다 부드럽습니다.