b W ³ ì W ~ äsigmapress.co.kr/shop/shop_image/g40880_1462773792.pdf · 2016-05-09 · Þ ¨ W ×...

이페이지의 아래쪽 사진은 게코 도마뱀 사진이다. 게코도마뱀은매우흥미롭고놀라운

열대도마뱀의일종이다.게코도마뱀은어떤표면에도붙을수있는끈적

거리는 다리를 갖고 있어 벽이나 천장에 마음대로기어오르거나 다닐 수 있다(왼쪽 중앙 그림). 실제로 도마뱀은 자기의 체중을 단 1개의 발가락으로지탱할수있다.이러한놀라운능력의비결은발가락 밑에 있는 수많은 미세 체모에 있는데, 체모가표면에닿으면,표면분자와체모분자사이에약한견인력(즉,반데르발스의힘)이생기게된다.이러한체모는매우작고수없이많아도마뱀이표면과

강하게붙을수있도록한다.이러한접착을떼기위해서도마뱀은단지발가락을들어올려표면과체모가분리되도록한다.

이러한접착의메커니즘을이용하여과학자들은몇가지의강력한인공접착제를개발하 다.이중하나가상처나절개부위를봉합하는스테이플대신사용할수있는접착테이프이다(왼쪽상단그림).이소재는습한분위기에서도접착특성이좋고치유과정에서독성물질을방출하지않는다.이접착테이프의미세구조를 보여주는 사진은 위쪽 중앙에 있다. (Adhesive tape: Courtesy Jeffrey

Karp; Gecko foot:Emanuele Biggi/Getty

Images, Inc.; Gecko:Barbara Peacock/

P h o t o d i s c / G e t t y

Images, Inc.)

원자구조와원자결합제2장

021-049재료과학과공학 02장-3 2011.2.26 6:17 AM 페이지21 mac① DOLEV-V3

2.1 서론

고체재료의많은중요한성질들은원자의기하학적배열과원자혹은분자간의결합에

향을받는다.이장에서는다음장에서설명될내용을이해하기위한기초개념으로,

원자의구조,원자내의전자분포,주기율표,고체를구성하는원자의 1차및 2차결합

등을설명하고자한다.이주제들은독자들이몇몇재료와친숙하다는가정하에간단히

고찰한다.

원자구조

2.2 기본개념

원자는양자와중성자로구성된핵과그주위를도는전자로이루어져있다.전자와양

자는전기적으로전하를가지고있으며,그전하량은 1.602 � 10�19 C로,전자는음전

학습목표

이 장을 학습한 후에는 다음 내용을 숙지할 수 있어야 한다.

1.. 인용된두가지원자모델과그들간의차이점2.. 전자의에너지와관련된중요한양자 역학의 원리3.. (a) 2개의원자혹은이온들사이에대한인력,척력그리고전체에너지대원자간거리에대한대략적인그래프

(b)결합에너지와평형거리에대한그래프4.. (a) 이온,공유,금속,수소그리고반데르발스결합

(b)물질이이러한각결합형태중어떤결합을취하는지주목

고체에서의원자간결합을공부하는중요한이유는, 많은경우결합의종류로재료의특성을설명할수있기때문이다. 예를들어흑연과다이아몬드를구성하는탄소를생각해보자.흑연은비교적연하고‘매끄러운’느낌을들게하는반면에다이아몬드는가장단단한물질로알려져있다.또한다이아몬드는전기전도도성이없으나흑연은상당히좋은전도체이다.이러한차이는다이아몬드에는존재하지않으나흑연에는존재하는원자간결합에직접적으로기인

한다(12.4절참조).공정/구조/성질/성능의 관점에서,원자구조와원자간결합을

공부하는이유는다음과같다.

•규소의경우,전자배위(2.3절)가1차결합의종류를결정하고(2.6절),이것이전자밴드구조에 향을준다(제18장).

•폴리머섬유의경우,구성원소의전자배위(즉, 2.3절의C, H)가1차결합의종류를결정하고(2.6절),결합의종류가폴리머분자의구조에 향을준다(제14장).

왜원자구조와원자결합을연구하는가?


하,양자는양전하를가지며,중성자는중성을띤다.이러한아원자입자의질량은매우

적어,양자와중성자의경우는 1.67 � 10�27 kg의비슷한질량을갖는데,이는전자의

질량 9.11 � 10�31 kg에비해서는상당히크다고할수있다.

각화학원소는핵내의양자의수혹은원자번호(atomic number, Z)에의해분류된

다.1) 전기적으로중성이거나완전한원자는원자번호와같은수의전자를갖는다.이러

한원자번호는수소의 1에서부터자연상에존재하는가장높은원자번호를갖는우라늄

의92까지이다.

특정원자의원자질량(atomic mass, A)은핵내의양자와중성자의질량합으로나타

낼수있다.하지만각원소의양자수는같아도중성자의수는다를수있다.따라서어떤

원소는두가지이상의원자질량을갖고있는데,이를동위원소(isotope)라고한다.이러

한경우원자량(atomic weight)은자연상에존재하는동위원소의원자질량의평균값으

로정의된다.2) 원자질량 단위(atomic mass unit : amu)는원자량을산출하는데사용된

다. 1 amu는 가장흔한탄소동위원소평균질량의 로정의되며, 탄소는 원자번호

12(12C)(A � 12.00000)이다.이러한방법에의해산출된양자와중성자의질량은 1보

다약간크다.즉,

A � Z � N (2.1)

원소의원자량과화합물의분자량은단위원자당(혹은분자당) amu 또는재료 1 mol당

질량으로 표시된다. 물질 1몰(mole)에는 6.022 � 1023[아보가드로 수(Avogadro’s

number)]개의원자나분자가존재한다.원자량을나타내는이러한두방식은서로다음

과같은관계를갖는다.

1 amu/atom(혹은분자)� 1 g/mol

예를들어, 철의원자량은 55.85 amu/atom 또는 55.85 g/mol이다. 원자혹은분자당

amu로원자량을나타내는것이편리한경우가있으나,일반적으로 g(또는kg)/mol 단위

가더많이사용되고있으므로,이책에서는후자의단위를사용하 다.

112

2.2 기본 개념 23

원자번호(Z)

동위원소

원자량

원자질량단위

몰

1)볼드체로나타낸용어들은부록E의용어해설에정의되어있다.

2)우리는이장에서무게가아닌질량에대해서다루기때문에원자량보다는원자질량이더욱정확한용어이다.그러

나원자량이더일반적으로사용되므로책에서전반적으로사용될것이다.여러분은중력상수로분자무게를나누

는것이필요하지않다는것을주목해야한다.


왜원소의원자량은정수가아닐까?두가지이유를말하여라.

[해답은 www.wiley.com/go/global/callister(학생사이트)에있음]

2.3 원자내의전자

원자모델

19세기후반에들어고체내에존재하는전자와관련된여러현상은고전역학적으로설

명될수없음이밝혀졌다.따라서원자와원자내개체의거동을지배하는일련의새로

운원리와법칙이정립되었으며, 이를양자역학(quantum mechanics)이라고부르게되

었다.원자내전자들의거동을정확히이해하기위해서는양자역학에대한이해가선행

되어야한다.그러나이개념에대한자세한설명은이책의취지를벗어나므로,여기서

는단순하고간단하게취급하고자한다.

양자역학의초기개념은간단한보어 원자 모델(Bohr atomic model)에서출발되었다.

이모델에서전자는정해진궤도를가지고원자주위를돌고있다고가정하 으며,궤도

의위치는명확히정의된다고가정하 다.이러한보어원자모델의개념도를그림 2.1

에나타내었다.

또다른중요한양자역학의개념은전자의에너지가양자화된다는것이다.즉,전자는

오직특정한에너지값만을가질수있다는것이다.전자의에너지는바뀔수있지만,이

는오직허용된높은에너지(에너지의흡수를수반)와낮은에너지(에너지의방출을수

반)로양자도약(quantum jump)을함으로써만가능하다.이러한허용된전자의에너지

24 제2장 원자 구조와 원자 결합

개념 확인 2.1

궤도 전자

핵

보어원자의개략도.그림2.1

양자역학

보어원자모델


를에너지 수준(energy level),혹은준위(state)로생각할수있다.이러한준위의에너지는

연속적으로변하지않으며,따라서준위는일정한에너지간격으로분리되어있다.예를

들어,보어수소원자(Bohr hydrogen atom)의허용준위는그림 2.2a와같다.이러한에

너지는음의값을가지며,핵에구속되지않은혹은자유전자에너지를 0으로잡는다.

물론수소의한전자는오직하나의준위만을채울수있다.

보어원자모델은원자내전자들의위치(전자궤도)와에너지(양자화된에너지수준)

를설명하는초기시도로생각할수있다.

이러한보어모델은전자가갖는여러현상을설명하는데한계가있음이밝혀졌다.

이러한한계는파동역학 모델(wave-mechanical model)에의해해결되었으며,이모델에

서전자는파동성과입자성을동시에갖는다고생각한다.또한전자를특정궤도를도는

입자로취급하지않고,전자의위치를핵주위에서전자가발견될확률로나타낸다.다

시말하면,전자의위치를확률분포혹은전자구름으로표시한다.그림2.3에서수소원

자의보어와파동역학모델을비교하 다.이책에서는이상의두가지모델중에이해

가쉬운모델을선택하여설명할것이다.

2.3 원자 내의 전자 25

0 0

–1 � 10–18

–2 � 10–18

(a) (b)

–5

–10

–15

n = 1 1s

에너지

(J)

에너지

(eV

)

n = 2

n = 3

2s

3s

2p

3p3d

–1.5

–3.4

–13.6

(a)보어수소원자의처음세전자에너지준위,(b)파동역학적수소원자의처음세전자각(주각)에너지준위(W. G.Moffatt,G.W.Pearsall, and Wulff, The Structure and Properties of Materials,Vol. I,Structure, p.10.Copyright Ⓒ 1964 by John Wiley & Sons,New York)

그림2.2

파동역학모델


양자수

파동역학을사용하면,원자의모든전자는양자수(quantum number)라고하는 4개의숫

자에의해정의된다.전자의확률 도의크기,형태,방향은 3개의이양자수에의해특

징화된다.또한보어에너지수준은전자부각(subshell)으로세분되며,양자수는각부

각 내에 존재하는 준위를 지칭한다. 전자각 주각(shell)은, 주양자수(principal quantum

number) n으로표시되며, 1부터시작하는정수이다.흔히이러한주각은 K, L, M, N,

O 등의알파벳으로표시하는데,이는표 2.1에서와같이각각 n � 1, 2, 3, 4, 5, …에

해당된다. 4개의양자수중이러한주양자수만이보어모델과관계가있는데,원자핵의

위치로부터전자가떨어진거리와연관이있다.

두번째양자수 l은부각을나타내며, s, p, d, f와같이소문자로나타낸다.또한이러

한부각의수는 n의수에의해제한을받는다.각 n값에대해허용되는부각을표 2.1에

나타내었다.각부각에존재하는에너지준위들은세번째의양자수 ml에의해정해진


1.0

0

(a) (b)

궤도의 전자 핵

확률

핵으로부터의 거리

(a) 보어와 (b) 파동역학원자모델에의한전자분포의비교(Z.D. Jastrzebski, The

Nature and Properties of

Engineering Materials, 3rd

edition,p. 4.Copyright Ⓒ 1987

by John Wiley & Sons, New

York)

그림2.3

양자수


다. s부각에대해하나의에너지준위가있으나 p, d, f 부각에는각각 3, 5, 7개의준위

가존재한다(표 2.1). 외부자기장이없다면각각의부각은에너지가동일하다.그러나

자기장이걸리면부각의준위는나뉘며,약간다른에너지를갖게된다.

각전자에는상하방향의스핀 모멘트(spin moment)가있다.이러한스핀모멘트에관

계되는양자수가네번째의양자수ms이고,스핀방향에따라두가지(� 과� )의값

을갖는다.

지금까지설명한바와같이,파동역학은보어모델의전자각이 3개의새로운양자수

에의해전자부각으로세분되는것을밝혀준다.따라서파동역학모델은보어모델의

12

12


주양자수, n

에너지

1

s

sp

sp

sp

sp

df sp

sp

df

d

d

d

f

2 3 4 6 7

여러주각과부각의상대적전자 에너지를 나타낸 개략도(K. M.Ralls, T. H. Courtney, and J. Wulff,Introduction to Materials Science and

Engineering, p. 22. Copyright Ⓒ1976

by John Wiley & Sons,New York)

그림2.4

전자주각과부각의전자준위를표시한번호표 2.1

주양자수 주각 준위의전자의개수

n 표시 부각 개수 부각당 주각당

1 K s 1 2 2

s 1 2

2 L p 3 6 8

s 1 2

3 M p 3 6 18

d 5 10

s 1 2

p 3 6

4 N d 5 10 32

f 7 14


좀더개량된모델이라고할수있다.수소원자를나타내는두모델을그림 2.2a와 2.2b

에비교하여나타내었다.

그림 2.4는파동역학모델을이용하여계산된주각(shell)과 부각(subshell)의 에너지

를나타낸도표이다.이도표에서몇가지중요한점을발견할수있다.첫번째로,주양

자수가작을수록낮은에너지값을갖는다는것이다.예를들어, 1s준위의에너지값은 2s

준위보다작으며, 2s준위는 3s보다작다.두번째로,동일한주각에서 l 양자수가증가하

면부각의에너지가증가한다.예를들어, 3d준위의에너지는 3p준위보다크고, 3p준위

는 3s준위보다크다.마지막으로,주각의준위에너지는그다음주각의준위에너지와

겹치는경우가존재한다.이와같은경우가 d와 f준위이다.예를들면 3d준위의에너지

는4s준위의에너지보다크다.

전자배위

앞에서는주로전자 준위(electron state),즉전자에허용되는에너지의값에대해언급하

다.이러한준위에전자가채워지는방식을이해하기위해서는,양자역학의또하나의

중요한개념인파울리의 배타 원리(Pauli exclusion principle)가적용되어야한다.파울

리의배타원리는하나의준위에최대스핀방향이각각다른 2개이하의전자가채워질

수있는데그이상의전자는수용할수없다는원리이다.그러므로 s,p,d, f 부각에는총

2,6,10,14개의전자가채워질수있다.표2.1에네번째까지의주각에채워질수있는

총전자의수를요약하 다.

물론원자내의가능한모든준위에전자가채워지지않을수도있다.거의모든원자

에서전자는낮은에너지를갖는전자각(주각)과부각의준위로부터,각준위에스핀방

향이다른 2개의전자로채워진다.나트륨(sodium) 원소의간단한에너지구조를그림

2.5에나타내었다.모든전자가앞에서언급된법칙에의해가능한에너지준위를모두


증가하는 에

너지

3p3s

2s

1s

2p

나트륨원자에채워진에너지준위를나타낸개략도그림2.5

전자준위

파울리의배타원리



주된원소의전자배위도a표 2.2

원소 기호 원자 번호 전자배위

수소 H 1 1s1

헬륨 He 2 1s2

리튬 Li 3 1s22s1

베릴륨 Be 4 1s22s2

붕소 B 5 1s22s22p1

탄소 C 6 1s22s22p2

질소 N 7 1s22s22p3

산소 O 8 1s22s22p4

불소 F 9 1s22s22p5

네온 Ne 10 1s22s22p6

나트륨 Na 11 1s22s22p63s1

마그네슘 Mg 12 1s22s22p63s2

알루미늄 Al 13 1s22s22p63s23p1

규소 Si 14 1s22s22p63s23p2

인 P 15 1s22s22p63s23p3

황 S 16 1s22s22p63s23p4

염소 Cl 17 1s22s22p63s23p5

아르곤 Ar 18 1s22s22p63s23p6

칼륨 K 19 1s22s22p63s23p64s1

칼슘 Ca 20 1s22s22p63s23p64s2

스칸듐 Sc 21 1s22s22p63s23p63d14s2

티탄 Ti 22 1s22s22p63s23p63d24s2

바나듐 V 23 1s22s22p63s23p63d34s2

크롬 Cr 24 1s22s22p63s23p63d54s1

망간 Mn 25 1s22s22p63s23p63d54s2

철 Fe 26 1s22s22p63s23p63d64s2

코발트 Co 27 1s22s22p63s23p63d74s2

니켈 Ni 28 1s22s22p63s23p63d84s2

구리 Cu 29 1s22s22p63s23p63d104s1

아연 Zn 30 1s22s22p63s23p63d104s2

갈륨 Ga 31 1s22s22p63s23p63d104s24p1

게르마늄 Ge 32 1s22s22p63s23p63d104s24p2

비소 As 33 1s22s22p63s23p63d104s24p3

셀레늄 Se 34 1s22s22p63s23p63d104s24p4

브롬 Br 35 1s22s22p63s23p63d104s24p5

크립톤 Kr 36 1s22s22p63s23p63d104s24p6

a 공유결합하는원소들은 sp 하이브리드결합을한다.이러한원소에는C, Si,Ge 등이있다.


채울때원자는기저 상태(ground state)에있다고말한다.그러나제18장과제21장에서

설명한바와같이,전자는높은에너지로의전이(transition)가가능하다.원자의전자 배

위(electron configuration)혹은전자구조(electron structure)는이러한준위가채워지는

방식을나타내는용어이다.전자배위를나타낼때는보편적으로부각에존재하는전자

의개수를주각-부각표식의위첨자로표시한다.예를들어,수소,헬륨,나트륨의전자

배위는각각1s1,1s2,1s22s22p63s1이다.원소의전자배위를표2.2에수록하 다.

여기서전자배위에대한몇가지설명이필요하다.첫째,원자가 전자(valence electron)

는최외각에채워진전자를말한다.이러한원자가전자들은원자군과분자를이루는원

자간의결합에참여하며,고체의많은물리적·화학적성질은이러한원자가전자에의

해결정된다.

원자의최외각혹은원자가전자각이완전히채워졌을때‘안정된전자배위’를가지

고있다고말한다.이는네온(neon),아르곤(argon),크립톤(krypton)과같이최외각의 s

와p부각이8개의전자에의해완전히채워진경우이다.단예외는헬륨(helium)으로,단

지 2개의 1s 전자를최외각에포함하고있다.이러한원소(Ne,Ar,Kr,He)들은일반적

으로화학적으로반응성이작은불활성기체로존재한다.채워지지않은최외각궤도를

가지고있는원자는전자를얻거나버려서,혹은다른원자와전자를공유함으로써안정

된전자배위를가지려고한다.이러한경향은 2.6절에설명된화학반응과고체원자결

합에대한기초가된다.

특수한경우, s와 p궤도는합쳐져 spn 하이브리드궤도를형성하는데,여기서 n은형

성에참여하는p궤도의수(주로1,2,3)를가리킨다.그림2.6에나타난주기율표의3A,

4A, 5A의원소들은주로이런하이브리드를형성하는원소들이다.이러한하이브리드

궤도가생성되는이유는원자가전자가낮은에너지상태로존재할수있기때문이다.

탄소원자의 sp3 하이브리드는유기혹은폴리머화합물에서매우중요한작용을한다.

sp3 하이브리드의형태는폴리머사슬에서발견되는 109�의결합각(정사면체각)으로이

루어진다(제14장참조).

Fe3�와 S2� 이온의전자배위를설명하여라.



개념 확인 2.2

기저상태

전자배위

원자가전자


2.4 주기율표

모든원소는주기율표(periodic table,그림 2.6)상의전자배위에의해분류된다.여기서

원소는주기(period)라고하는 7개의횡렬에원자번호순으로위치해있다. 주기율표의

같은종렬에위치한원소는비슷한최외각전자구조를가지며,따라서비슷한화학적·

물리적특성을갖는다.이러한성질은각주기를따라횡적으로이동함에따라점차적이

고체계적으로변화한다.

0족에존재하는원소는불활성기체이며,완전히채워진전자각과안정된전자배위

를가지고있다.VIIA와VIA족의원소는안정된전자배위구조에서각각 1개나 2개의

전자가채워지지않는원소이다.VIIA족의원소(F,Cl, Br, I,At)는종종할로겐원소로

불린다.알칼리와알칼리토금속(Li,Na,K,Be,Mg,Ca 등)은 IA와 IIA족의원소로,안

정된구조보다각각 1개나 2개가많은전자수를갖는다. IIIB에서 IIB족에속하는 3개

주기의원소는천이금속(transition metal)이라고하며,이들원소는부분적으로채워

진 d궤도를가지고,또한더높은궤도에 1개나 2개의전자를가지고있다. IIIA, IVA,

VA(B, Si,Ge,As 등)족은그들의원자가전자구조때문에금속과비금속의중간성질을

갖는다.

2.4 주기율표 31

1

H1.0080

3

Li6.941

4

Be9.0122

11

Na22.990

12

Mg24.305

19

K39.098

20

Ca40.08

37

Rb85.47

38

Sr

21

Sc44.956

39

Y87.62

55

Cs132.91

56

Ba137.33

5

B10.811

13

Al26.982

31

Ga69.72

49

In114.82

81

Tl204.38

6

C12.011

14

Si28.086

32

Ge72.64

50

Sn118.71

82

Pb207.19

7

N14.007

15

P30.974

33

As74.922

51

Sb121.76

83

Bi208.98

8

O15.999

16

S32.064

34

Se78.96

52

Te127.60

84

Po(209)

9

F18.998

17

Cl35.453

35

Br79.904

53

I126.90

85

At(210)

10

Ne20.180

2

He4.0026

18

Ar39.948

36

Kr83.80

54

Xe131.30

86

Rn(222)

22

Ti47.87

40

Zr91.2288.91

72

Hf178.49

23

V50.942

41

Nb92.91

73

Ta180.95

24

Cr51.996

42

Mo95.94

74

W183.84

25

Mn54.938

43

Tc(98)

75

Re186.2

26

Fe55.845

44

Ru101.07

76

Os190.23

27

Co58.933

45

Rh102.91

77

Ir192.2

28

Ni58.69

46

Pd106.4

78

Pt195.08

104

Rf(261)

105

Db(262)

106

Sg(266)

107

Bh(264)

108

Hs(277)

109

Mt(268)

110

Ds(281)

29

Cu63.54

29

Cu63.54

47

Ag107.87

79

Au196.97

30

Zn65.41

48

Cd112.41

80

Hg200.59

66Dy

162.50

98

Cf(251)

67Ho

164.93

99

Es(252)

68Er

167.26

100

Fm(257)

69Tm

168.93

101

Md(258)

70Yb

173.04

102

No(259)

71Lu

174.97

103

Lr(262)

57La

138.91

89

Ac(227)

58Ce

140.12

90

Th232.04

59Pr

140.91

91

Pa231.04

60Nd

144.24

92

U238.03

61Pm

(145)

93

Np(237)

62Sm

150.35

94

Pu(244)

63Eu

151.96

95

Am(243)

64Gd

157.25

96

Cm(247)

65Tb

158.92

97

Bk(247)

87

Fr(223)

88

Ra(226)

원자번호

기호

금속

비금속

반금속원자량

IA

IIA

IIIB IVB VB VIB VIIBVIII

IB IIB

IIIA IVA VA VIA VIIA

0

희토류 계열

악티니드 계열

악티니드계열

희토류계열

원소의주기율표.괄호안의번호는가장안정되거나흔한동위원소의원자량이다.그림2.6

주기율표


주기율표에서보듯이,거의모든원소는금속에속한다.이들원소는그들의원자가

전자를 외부로 방출하고 양이온이 되려는 성질이 있으므로 이를 전기 양전성

(electropositive)을갖는원소라고한다.주기율표의우측에존재하는원소는전기 음전성

(electronegative)을갖는다.즉,그들은쉽게전자를받아들여음이온을형성하거나,때

로는다른원소와전자를공유하려는경향이있다.그림 2.7은주기율상의원소가갖는

전기음성도(electronegativity)값이다.일반적으로주기율표의좌측에서우측으로,또는

하단에서상단으로갈수록전기음성도는증가한다.즉,원자의최외각전자가거의채

워질수록,원자핵과가까와내부전자에의한차폐가적을수록,원자는전자를받아들이

는경향이강해진다.

고체내의원자결합

2.5 결합력과결합에너지

재료의많은성질은원자와원자가서로결합하는힘에대한정보로부터예측될수있

다.아마도원자간의결합에대한원리는, 2개의고립된원자가무한히먼거리에서가

까워질때,원자간의상호작용을생각함으로써잘설명될수있다.원자가먼거리에떨

어져있을때,원자간의상호작용은미약하다.그러나원자가서로가까워질수록상호

힘이 작용하며, 그 힘은 원자 간 거리의 함수로 나타난다. 상호간에는 인력(attractive


1

H

3

Li4

Be

11

Na12

Mg

19

K20

Ca

37

Rb38

Sr

21

Sc

39

Y

55

Cs56 57–71

Ba La–Lu

5

B

13

Al

31

Ga

49

In

81

Tl

6

C

14

Si

32

Ge

50

Sn

82

Pb

7

N

15

P

33

As

51

Sb

83

Bi

8

O

16

S

34

Se

52

Te

84

Po

9

F

17

Cl

35

Br

53

I

85

At

10

Ne

2

He

18

Ar

36

Kr

54

Xe

86

Rn

22

Ti

40

Zr

72

Hf

23

V

41

Nb

73

Ta

24

Cr

42

Mo

74

W

25

Mn

43

Tc

75

Re

26

Fe

44

Ru

76

Os

27

Co

45

Rh

77

Ir

28

Ni

46

Pd

78

Pt

29

Cu

47

Ag

79

Au

30

Zn

48

Cd

80

Hg

87

Fr88

Ra89–102

Ac–No

2.1

1.0 1.5

0.9 1.2

0.8 1.0

0.8

1.3

1.0

0.7 0.9 1.1–1.2

2.0

1.5

1.6

1.7

1.8

2.5

1.8

1.8

1.8

1.8

3.0

2.1

2.0

1.9

1.9

3.5

2.5

2.4

2.1

2.0

4.0

3.0

2.8

2.5

2.2

–

–

–

–

–

–

1.5

1.41.2

1.3

1.6

1.6

1.5

1.6

1.8

1.7

1.5

1.9

1.9

1.8

2.2

2.2

1.8

2.2

2.2

1.8

2.2

2.2

1.9

1.9

2.4

1.6

1.7

1.9

0.7 0.9 1.1–1.7

IA

IIA

IIIB IVB VB VIB VIIBVIII

IB IIB

IIIA IVA VA VIA VIIA

0

원소의전기음성도(Linus Pauling,The Nature of the Chemical Bond,3rd edition.Copyright 1939

and 1940,3rd edition copyright Ⓒ 1960,by Cornell University)그림2.7

전기양전성

전기음전성


force,FA)과척력(repulsive force,FR)의상반된힘이작용하며,각각의힘의크기는원자

간거리의함수로표시한다.인력FA의원인은두원자간의결합종류에따라다르며,그

크기는그림 2.8a에나타낸바와같이거리에따라다르다.두원자의거리가가까워져

외각전자들이서로겹치기시작하면강한척력 FR이작용하게된다.순수원자간의힘

(FN)은이와같은인력과척력성분의합으로나타난다.즉,

(2.2)

FN도그림 2.8a에서와같이원자간거리의함수이다. FA와 FR이서로균형을이루어같

아지면순수원자간의힘은없어진다.따라서

(2.3)

에서평형상태가존재한다.그림 2.8a에서와같이두원자의중심은평형거리 r0만큼

떨어져있다.많은원자의경우, r0는대략 0.3 nm이며,이위치에서두원자는척력과

인력의균형을이루게된다.

2.5 결합력과 결합 에너지 33

+

–

–

(a)

(b)

원자 간 거리 r

원자 간 거리 r

척력 FR

인력 FA

순수 힘 FN

당김

어냄

힘 F

척력 ER

인력 EA

순수 힘 EN

+

0

0

당김

어냄

위치 에

너지

E

r0

E0

(a) 떨어진 두 원자의 원자 간 거리에 따른 척력,인력,순수힘의변화, (b) 떨어진두 원자의 원자 간 거리에 따른척력, 인력, 순수 위치 에너지의변화

그림2.8


두원자간에작용하는힘대신에위치(potential) 에너지의관점에서생각하는것이

편리한경우가있다.수학적으로에너지(�)와힘(F)은

(2.4)

이며,원자계에서는

(2.5)

(2.6)

(2.7)

이다.여기서 EN, EA, ER은 2개의독립된인접원자간의순수에너지,인력에너지,척

력에너지를의미한다.

그림2.8b는척력,인력,순수의위치에너지를두원자간거리의함수로나타낸것이

다.여기서순수에너지곡선은두에너지의합이며최저점을가지고있다.평형분리거

리 r0는가장최소의위치에너지를갖는분리거리에해당된다.이원자간의결합에너

지(bonding energy)E0는그림2.8b에서의최저점에해당하는에너지인데,이는두원자

를무한대로분리시키기위해가하는에너지와같다.

지금까지는오직두원자만을생각한이상적인경우를다루었지만,고체재료에서는

많은원자사이에존재하는힘과에너지의상호작용이고려되어야한다.하지만이러한

경우에도E0에해당되는적절한결합에너지가각원자마다존재한다.결합에너지와원

자간의거리에따른에너지의변화는재료마다다르며, 원자결합의종류에따라서도

다르다.또한재료의성질들은 E0, 곡선의모양,결합의형태등에의해좌우된다.보통

높은결합에너지를갖는경우는고체상태로존재하며,낮은경우는기체상태로존재

한다.액체의경우는그중간값을갖는경우이다. 6.3절에서다루어질재료의기계적단

단함(혹은탄성계수)은힘-원자거리의곡선(그림 6.7)의모양에달려있다. r � r0 위치

에있는비교적단단한재료의곡선은매우가파를것이다.연한재료에비해곡선의폭

은좁을것이다. 더욱이얼마만큼가열시팽창되고냉각시수축(이것은재료의열팽창

계수의선형적인계수이다)될것이냐는 E0-r0곡선의모양과관계가있다(19.3절참조).

높은결합에너지를갖고있는재료에서흔히볼수있는깊고뾰족한‘곡선’은낮은열

팽창계수와온도변화에대한부피변화와관계가있다.


두원자간의힘—위치(potential) 에너지관계

결합에너지


고체에서는 세 종류의 1차(primary) 혹은 화학(chemical) 결합이 있는데, 이는 이온

(ionic), 공유(covalent), 금속(metallic) 결합이다.각결합은최외각전자들에의해이루

어지며,결합방식은구성원자들의전자구조에의해정해진다.일반적으로이세종류

의결합은불활성기체와같이최외각전자가완전히채워져있는안정된전자구조를가

지려는경향에서기인한다고볼수있다.

다수의고체재료에서는 2차(secondary)혹은물리적(physical)힘과에너지가존재할

수있는데,이는1차결합에비해약하나재료의물성에 향을준다.다음절에서는 1차

및2차원자간결합에대해설명하고자한다.

2.6 1차원자간결합

이온결합

이온 결합(ionic bonding)은가장쉽게설명되고시각화될수있는결합이다.이결합은

금속과비금속원소간의화합물에서볼수있는결합으로, 비금속원소는주기율표의

우측끝부분에위치하고,금속원소의원자는비금속원소에최외각전자를쉽게제공

할수있다.이로써모든원자는불활성기체와같은안정된전자구조를얻으며,또한전

기전하(electrical charge)를띤다.즉,그들은이온으로된다.염화나트륨(NaCl)은대표

적인이온결합재료이다.나트륨은외각의1개전자를염소원자에주고,네온(Ne)원자

와같은전자구조를가지며,이러한전자공급에의해염소이온은음전하를가지게되

며,아르곤(Ar)과동일한전자구조를갖게된다.이러한결합의도식도를그림 2.9에나

타내었다.

여기서작용하는인력은쿨롱의 힘(coulombic)이다.즉,양전하와음전하의이온은서

2.6 1차 원자 간 결합 35

Na+ Na+ Na+Cl– Cl–

Na+ Na+ Na+Cl– Cl–

Na+ Na+Cl–Cl– Cl–

Na+ Na+Cl–Cl– Cl–

염화나트륨(NaCl) 이온결합의개략도그림2.9쿨롱 결합력

이온결합

쿨롱의힘

1차결합


로끌어당긴다.두독립된이온에대해인력에너지EA는다음과같은원자간거리의함

수로표시된다.3)

(2.8)

척력에너지도유사한수식으로표현된다.4)

(2.9)

여기서A,B와 n은특정한이온계(ionic system)에따른상수값이며, n은대략 8 정도의

값을갖는다.

이온결합은방향성이없다고한다.이는결합의세기가이온의모든방향에대해같


여러물질의결합에너지와용융온도표 2.3

결합에너지

eV/Atom, 용융온도결합종류 물질 kJ/mol Ion,Molecule (°C)

이온NaCl 640 3.3 801MgO 1000 5.2 2800

공유Si 450 4.7 1410C(diamond) 713 7.4 �3550

Hg 68 0.7 �39

금속Al 324 3.4 660Fe 406 4.2 1538W 849 8.8 3410

반데르발스Ar 7.7 0.08 �189Cl2 31 0.32 �101

수소NH3 35 0.36 �78H2O 51 0.52 0

3)식(2.8)에서상수A는다음과같다.

여기서 0는진공허용도(8.85 � 10�12 F/m)이고, Z1과 Z2는두가지이온형태의전자가이고, e는전하량(1.602 � 10�19 C)이다.

4)식(2.9)의상수B는실험치이다.

인력 에너지-원자간거리간의관계

척력 에너지-원자간거리간의관계


다는것을의미한다.또한이온재료가안정되기위해서모든양이온은 3차원적으로음

이온과최근접해야한다.세라믹재료의주된결합형태는이온결합이며,이러한재료

의이온배치구조는제12장에서설명하고있다.

일반적으로이온결합의에너지값은 600에서 1500 kJ/mol(3에서 8 eV/원자)로,높은

용융온도에서예측되듯이상대적으로큰값에속한다.5) 표 2.3에는중요이온재료의

결합에너지와용융온도가수록되어있다.이온결합재료의특징은단단하나(hard)깨

지기쉬우며(brittle),전기적·열적으로절연특성을갖는다.다음장에서설명하겠지만

이러한성질은이온결합이갖는전자배위와이온결합의속성에서기인한다.

공유결합

공유 결합(covalent bonding)은안정된전자배위가두인접원자간에전자를공유함으

로써만들어진다.공유결합하는두원자에서는적어도하나의전자가결합에참여하고

있으며,공유된전자는두원자에모두속해있다고볼수있다.공유결합의한예로,메

탄(CH4) 분자공유결합의개략도를그림 2.10에나타내었다.탄소원자는 4개의최외

각전자를갖고,수소원자는 1개의최외각전자를갖고있다.각각의수소원자는 1개의

전자를공유함으로써He의전자배위(2개의1s 전자)를갖게된다.탄소는4개의최외각

전자를갖고,각각의전자는수소와공유하여총8개의외각전자를갖게되어네온의전

자구조와같게된다.공유결합의특징은결합의방향성이다.즉,각원자의상대적인위

2.6 1차 원자 간 결합 37

5) 때때로결합에너지는원자단위혹은이온단위로나타낸다.이러한조건하에서는전자볼트(eV)는흔히사용되

는에너지의작은단위이다.이것을정의하면 1개의전자가 1볼트의전자퍼텐셜을가지고낙하할때나오는에너

지이다.전자볼트와동일한줄(joule)의양은다음과같다.1.602 � 10�19J � 1 eV.

수소의공유전자

탄소의공유전자

HH C

H

H

메탄(CH4) 분자의공유결합을나타내는개략도그림2.10

공유결합


치(방향)는전자를공유하는방향으로존재한다.

많은비금속 1원계분자(예:H2,Cl2, F2 등)와CH4,H2O,HNO3,HF와같은 2원계

분자는공유결합을하고있다.또한다이아몬드(C),규소(Si),게르마늄(Ge)등의 1원계

고체와 주기율표의 우측에 위치한 비소화갈륨(GaAs), 안티몬화인듐(InSb), 탄화규소

(SiC)등도공유결합을하고있다.

각각의원자에가능한공유결합의개수는최외각전자의개수에의해정해진다.만약

N개의최외각전자를가지고있다면,최대8 � N만큼의공유결합을가질수있다.예

를들어,염소의경우N � 7이고8 � N � 1이다.따라서Cl 원자는다른원자와오직1

개의공유결합을할수있다.마찬가지로,탄소의경우N � 4이므로탄소원자는8 � 4,

즉 4개의전자를공유할수있다.다이아몬드는각각의C원자가다른 4개의C원자와공

유결합을하는 3차원적인결합구조를가지고있다.이러한배열구조를그림 12.15에

나타내었다.

공유결합은매우단단하고높은용융점[3550�C(3823K)]을갖는다이아몬드처럼매

우강한결합력을갖고있거나, 270�C(543K)에서 용융하는비스무트(Bi)와 같이매우

낮은결합력을갖고있다.중요공유결합재료의용융점과결합에너지를표 2.3에수록

하 다.폴리머(polymer)재료는전형적인공유결합특성을가지고있다.기본적인분자

구조는탄소원자가긴사슬(chain)로연결되는데,이는각원자당가능한네개의결합에

서두개가서로공유결합적으로연결되어있다.일반적으로남은두개의결합은다른

원자와공유하는공유결합이다.폴리머의분자구조는제14장에서자세히다룬다.

원자간결합은흔히부분적으로이온결합과공유결합의성질을모두가지고있다.

실제로극소의재료만이순수한이온결합이나공유결합성분으로되어있다.화합물에

서결합종류의정도는주기율표상(그림 2.6)에서구성원소혹은전기음성도(그림 2.7)

에서의차이의상대적인위치와연관이있다.즉,주기율표에서두원소가좌측하부에

서우측상부로멀리떨어져위치할수록이온결합성분은커지며,원소가가까이위치

할수록공유결합성분은증가한다.전기음성도를갖는A와B 사이결합에있어이온결

합의%는다음식으로계산된다.

%이온성분 (2.10)

여기서XA와XB는각각의원자의전기음성도값이다.

금속결합

1차결합에서마지막으로다룰금속 결합(metallic bonding)은금속과합금에서흔히볼


금속결합


수있는것으로,이결합의기구에대한비교적간단한모델이제시된다.금속재료는한

개나2개,또는최대3개까지의최외각전자를가지고있다.이모델에의하면,고체상에

서이러한최외각전자는특정한한원자에구속되어있지않고금속내부를비교적자유

롭게돌아다닌다.이러한전자는금속전체에속해있다고볼수있으며,또‘전자바다’

나‘전자구름’으로생각할수있다.남은비외각전자와원자핵은이온 코어(ion core)라

고불리며,각원자당외각전자와같은양의양전하를갖는다.그림 2.11은금속결합에

대한간단한개략도이다.자유전자는양전하의이온코어가서로정전기적으로 어내

는것을막아주며,금속결합은방향성이없다는특성을갖는다.또한이러한자유전자

들은이온코어를서로뭉치게하는‘접착제’와같은역할을한다.금속결합의결합에

너지와용융온도를표 2.3에수록하 다.결합은약하거나강하여 68 kJ/mol(0.7 eV/

원자)을갖는수은에서 849 kJ/mol(8.8 eV/원자)의텅스텐에이르기까지광범위한에너

지값을가지며,그들의용융점은각각�39와3410�C(234와3683K)이다.

이러한금속결합원소는 IA와 IIA족원소가대표적이며,실제로모든금속은금속결

합을하고있다고말할수있다.

다양한재료의형태(예:금속, 세라믹, 폴리머등)의일반적인거동은결합의종류에

따라설명될수있다.예를들면금속은자유전자의존재로인해열과전기에좋은전도

체이다(18.5, 18.6 그리고 19.4절참조).대조적으로공유나이온결합으로이루어진재

료들은자유전자가거의없기때문에전기적열적부도체이다.

더욱이 7.4절에서알수있듯이상온에서대부분의금속과그들의합금연성을가지

지못한다.이것은재료가 구변형을겪고난후파괴가일어나기때문이다.이러한거

2.6 1차 원자 간 결합 39

+

–

+

–

+

–

+

+

–

+

–

+

–

+

+

–

+

–

+

–

+

+ + + +

금속결합의개략도.그림2.11이온 코어

최외각 전자의 바다


동은변형기구에서설명될수있고이것은금속결합의고유한특성이다(7.2절참조).

이와는반대로상온에서이온결합을하는재료는그들의구성이온의전기적으로부하

된특성으로인한결과로서본질적으로깨지기쉽다(12.10절참조).

공유결합재료가일반적으로이온결합혹은금속결합재료에비해 도가낮은이유

에대해설명하여라.


2.7 2차결합또는반데르발스결합

2차 결합,반 데르 발스 결합(secondary, van der waals bonds)또는물리적(physical)결

합은 1차혹은화학적결합에비해약하다.결합에너지는보통 10 kJ/mol(0.1 eV/원자)

정도이다. 2차결합은실제로모든원자와분자사이에존재한다.그러나이러한결합의

효과는전술한세종류의 1차결합이함께존재할때는가려진다. 2차결합은안정된전

자배위를갖고있는불활성기체나공유결합의분자와분자사이에서볼수있다.

2차결합력은원자나분자의 쌍극자(dipole)에서나온다. 원자나분자에서양전하와

음전하가근접하게분리위치할때는언제나전기적쌍극자(electric dipole)가존재하게

된다.결합은그림 2.12에나타낸것처럼한쌍극자의양전하끝부위와인접한쌍극자

의음전하끝부위사이에작용하는쿨롱인력에기인한다.쌍극자간상호작용은유도

쌍극자(induced dipole)들 사이에, 유도 쌍극자와 구 쌍극자를 가진 극성분자(polar

molecule)들사이에,또는극성분자들사이에존재한다.수소 결합(hydrogen bonding)

은 2차결합의특수한형태로,수소원자를구성원소로갖는분자들중에서발견된다.

지금부터이러한결합기구들에관해간단히설명하고자한다.

진동하는유도쌍극자결합

원자나분자내에생성되거나유도되는쌍극자는일반적으로전기적으로대칭성이있


개념 확인 2.3

–+–+ 쌍극자간의반데르발스결합의개략도그림2.12

원자 혹은 분자의 쌍극자

2차결합

반데르발스결합

쌍극자

수소결합


다.즉,전체적인전자의위치분포는그림2.13a에서와같이양전하의핵에대해대칭적

이다.모든원자들은계속적인진동을하며,이때순간적이거나단기적으로전기대칭이

깨지게되고,그림 2.13b에서보는바와같이작은전기쌍극자가생기게된다.이러한

쌍극자는다시인접한분자나원자의전자배치를이동시켜,다시쌍극자를생성하고이

들은서로약하게결합하게된다.이러한기구는반데르발스결합의한종류이다.이러

한인력은많은수의원자나분자간에존재하게되는데,이러한힘은일시적이며시간

에따라진동하게된다.

액상화(liquefaction) 현상이나불활성기체, H2나 Cl2 등의대칭성분자의응고현상

은이러한결합에의해이루어진다.쌍극자결합이지배적인재료의용융및비등온도

는극히낮으며,분자간에가능한결합중에서가장약하다.아르곤과염소의결합에너

지와용융온도를표2.3에수록하 다.

극성분자와유도쌍극자간의결합

어떤분자에서는비대칭적인양극과음극 역분포에의해 구적인쌍극자모멘트가

존재한다.이러한분자를극성 분자(polar molecule)라고부른다.그림 2.14는염화수소

분자의개략도이다. 구쌍극자모멘트는HCl 분자의수소와염소끝에존재하는순양

극과음극전하사이에존재한다.

극성분자는인접한비극성분자에서쌍극자를유도할수있고,이두분자간에인력

을만들어낼수있다.더구나이러한결합의세기는진동유도쌍극자에비해크다.

2.7 2차 결합 또는 반 데르 발스 결합 41

–+

원자핵원자핵

전자 구름

(a) (b)

전자 구름

(a) 전기적대칭원자와 (b) 유도 원자 쌍극자의 개략도

그림2.13

–+

ClH

염화수소(HCl)분자의극성을보여주는개략도그림2.14

극성분자


구쌍극자결합

반데르발스힘은또한인접한두극성분자사이에존재한다.이러한결합에너지는유

도쌍극자에의해만들어진결합에비해상당히크다.

2차결합중가장강한결합력을갖는수소결합은극성분자결합의특수한경우이

다. 이는수소가불소(HF), 산소(H2O), 질소(NH3)와 공유결합하는분자간에존재한

다. H─F, H─O, H─N 결합에서수소전자는다른원자와공유한다.따라서결합의

수소원자부위는전자에의해차폐되어있지않은양자에의해양극성을갖는다.이러

한분자의강한양극성을갖는한쪽끝은그림2.15의HF 예와같이인접분자의음극성

끝과인력을가지게된다.근원적으로양자는두음극성의원자사이에다리역할을한

다고볼수있다.표 2.3에서보는바와같이,수소결합의강도는다른종류의 2차결합

에비해통상적으로크고, 51 kJ/mol(0.52 eV/분자)까지커질수있다.불화수소의용융

및비등온도는수소결합에의해낮은분자량에비추어볼때극히높다고할수있다.

2.8 분자

분자(molecule)는강한1차결합에의해결집된원자군으로생각할수있으며,이러한경

우에 해당되는 물질은 2원자의 분자(F2, O2, H2 등)와 화합물(H2O, CO2, HNO3,

C6H6, CH4 등)이다.응집된액체와고체상태에서,분자간의결합은약한 2차결합으

로되어있다.결과적으로이러한분자재료는상대적으로낮은용융및비등온도를가

지고있다.작은분자로구성된이러한재료의대부분은상압,상온,대기중에기체상태

로존재한다.반면에,매우큰분자로구성된많은폴리머재료는고체로존재하며,그들

의물성은반데르발스와수소2차결합에민감한 향을받는다.


F

수소 결합

F HH

불화수소(HF)분자의수소결합개략도그림2.15


2.8 분자 43

응고(즉,냉각시액체에서고체로변환되는

과정)시에 대부분의 재료는 도의 증가

(혹은부피의감소)가일어난다.그러나물은예

외인데,물은응고(동결)시특이하게팽창이일

어난다(대략 9%의팽창). 이러한 현상은 수소

결합에의해설명될수있는데,각각의 H2O 분

자는 산소 원자들과 결합하는 2개의수소 원자

를가지며,또한한개의산소원자는다른 H2O

분자의두 개의 수소 원자와 결합한다. 따라서

고체얼음에서각물분자는그림 2.16a에서보

는 3차원구조에서와같이네개의수소결합을

갖게된다.여기서수소결합은점선으로표시되

었으며,각물분자는네개의최인접분자를갖

는다.이러한구조는열린구조,즉분자가서로

조 하지 않은 구조이므로 도는 상대적으로

낮다.용융시에는이러한구조가부분적으로파

괴되어, 물분자는 좀더 조 한 구조로 바뀌게

된다(그림 2.16b). 상온에서 최인접 물 분자의

평균개수는대략 4.5이며,따라서 도의증가

를가져오게된다.

우리는이러한비정상적인응고현상의결과

를실생활에서흔히경험하게되는데,빙산이물

위에뜨는것과추운환경에서자동차의냉각수

에동파방지제를넣는이유(즉,엔진블록이파

손되는것을막기위함), 결빙과해동의반복이

도로의포장을파손하는현상등이다.

중요 재료

물(동결시의 부피 팽창)

H

H

H

H

H

H

H

H

HH

H

H

H

HH

H

H

H

HH

O

O

O

O

O

O

O

O

OO

(b)

O

OO

O

O

H H

H

H

H

H

(a)

H

H

H

물분자의배열. (a)고체얼음,(b)액체물

그림과같이물주기통의하부접합부위가파손되는경우가있는데,추운늦가을밤에물이통안에남아있으면얼면서팽창하여파손을일으킨다. (사진제공 : S. Tanner) 그림6.16

수소 결합



요약

원자내의전자

● 2개의원자모델은보어와파동역학이다.보어모델은전자를특정한궤도를가지고

핵주위를돌고있는입자로취급하 으나,파동역학에서는전자를파동으로취급하

여위치를확률분포로나타낸다.● 전자의에너지는양자화된다.즉,특정한값의에너지만이허용된다.● 4개의양자수는n, l,ml,ms이고,각양자수는특정한전자의성질을나타낸다.● 파울리의베타원리에따라각전자준위에는스핀방향이반대인 2개의전자만수용할

수있다.

주기율표

● 주기율표의종렬에속한원소들은고유한전자분위를갖는다.예를들어

그룹 0 원소(불활성가스)들은최외각전자가채워져있으며,그룹 IA 원소(알칼

리금속)는채워진최외각전자보다1개의전자가많다.

결합력과결합에너지

● 결합력과결합에너지는식(2.4)로표현되는상관관계를갖는다.● 두원자혹은이온간의인력,척력,순에너지는원자간거리에대해그림2.8b에서와

같은변화를보인다.● 두원자(이온)간의거리에따른힘의변화도표에서평형거리는순힘이 이되는지

점이다.● 원자(이온)간의거리에따른에너지변화의도표에서결합에너지는곡선이최저가되

는지점에서의에너지값이다.

1차원자간결합

● 이온결합에서는한원자에서다른원자로외각전자가이동하여전하를갖는이온이

만들어지며,이러한이온결합은세라믹재료에서나타난다.● 두원자간에외각전자를공유하는결합은공유결합이며,폴리머와일부의세라믹재

료가공유결합한다.● 두원소(A와B)의이온결합성분(% Ionic Character)과전기음성도(X)는식 (2.10)과

같은상관관계를갖는다.● 금속결합의외각전자가‘전자바다’를형성하여금속의이온코어의주위에균일하


공정/구조/성질/성능 요약 45

게분포되어이온코어를서로응집시키는접착제와같은역할을한다.금속재료는금

속결합을갖는다.

2차결합또는반데르발스 결합

● 상대적으로약한반데르발스결합은유도되거나 구적인전기쌍극자에의해형성

된다.● 수소결합은불소와같은비금속원소와공유결합하여생기는극성이강한분자에의

해만들어진다.

식요약

식번호 식 관련 내용 쪽번호

2.4 두원자간의위치에너지 34

2.8 두원자간의인력에너지 36

2.9 두원자간의척력에너지 36

2.10 %이온성분 38

상징부호표

상징부호 의미

A,B,n 재료상수

E 두원자(이온)간의위치에너지

EA 두원자(이온)간의인력에너지

ER 두원자(이온)간의척력에너지

F 두원자(이온)간의힘

r 두원자(이온)간의거리

XA BA화합물에서음전성이큰원소의전기음성도

XB BA화합물에서양전성이큰원소의전기음성도

공정/구조/성질/성능요약

본장에서원자의전자배위는한원자가다른원자와결합하는종류에 향을주는것을

배웠다.결합의종류는다시재료의구조성분에 향을주는데,예를들어,규소의전자

•



밴드구조(제18장),폴리머재료의분자구조(제14장)이다.이상관관계를다음의도표

에나타내었다.

전자배위 C, H(제2장)

공유 결합(제2장)

폴리머 분자(제14장)

섬섬유유((구구조조))

전자배위(제2장)

공유 결합(제2장)

전자밴드 구조(제18장)

규규소소((구구조조))

주요용어및개념

결합에너지

공유결합

극성분자

금속결합

기저상태

동위원소

몰

반데르발스결합

보어원자모델

수소결합

양자수

양자역학

원자모델

원자질량단위(amu)

원자가전자

원자량(A)

원자번호(z)

이온결합

전기쌍극자

전기음전성

전자배위

전자준위

주기율표

쿨롱의힘

파동역학모델

파울리의배타원리

1차결합

2차결합

주의:각장에서주요용어및개념에열거된용어의대부분은부록 E 다음에나오는용어해설에정의되어있으며,

교재전체절(section)에걸쳐다루었을정도로중요한다른용어들은찾아보기나목차에서찾아볼수있다.

이 장의대부분의내용은대학수준의화학교재에서

다루어지며 이 중 2개의 참고문헌을 다음에 수록하

다.

Brady, J. E., and F. Senese, Chemistry: Matter and

Its Changes, 5th edition,Wiley, Hoboken, NJ,2008.

Ebbing,D.D., S.D.Gammon, and R.O.Ragsdale,Essentials of General Chemistry, 2nd edition,Cengage Learning,Boston,2006.

참고문헌


연습문제 47

연습문제

기본개념원자내의전자

2.1 원자질량과원자량의차이점은무엇인가?

2.2 크롬은자연적으로존재하는 4개의동위원소:

4.34%의 원자량 49.9460 amu의 50Cr,

83.79%의 원자량 51.9405 amu의 52Cr,

9.50%의원자량52.9407 amu의 53Cr,2.37%

의원자량 53.9389 amu의 54Cr를갖는다. 이

러한 데이터를 이용하여 Cr의 평균 원자량은

51.9963 amu임을보여라.

2.3 (a)1 amu 재료는몇 g인가?

(b)본문에서 mole은 gram-mole의 단위로 표

시하 다. 이러한 법칙을 적용하여, gram-

mole에는몇개의원자가있는가?

2.4 (a)원자의 보어 모델에서 양자역학적인 개념

은무엇인가?

(b)파동역학 원자 모델에서의 추가적인 중요

개념2개를열거하여라.

2.5 4개의양자수는전자와전자준위의무엇을명

시하는지설명하여라.

2.6 각전자의허용된양자수는다음과같다.

n � 1,2,3,…

l � 0,1,2,3,…,n �1

ml � 0,_1,_2,_3,…,_l

ms �_

양자수 n과전자각(shell)의명칭은표 2.1에나

타내었다.부전자각(subshell)의명칭은다음과

같다.

l � 0, s 부전자각

l � 1,p 부전자각

l � 2,d 부전자각

l � 3, f 부전자각

K전자각의경우, 1s준위에속한두개의전자

를 네 개의 양자수로 nlmlms순으로 나타내면

100( )와 100(� )이다. 이러한 방식으로 L

과M각에대한모든전자들의네개의양자수

를적어라. 그리고 s, p, d 부전자각의어디에

해당되는지나타내어라.

2.7 다음 이온의 전자 배치를 적어보아라. Fe2�,

Al3�,Cu�,Ba2�,Br�,O2�,Fe3�, S2�.

2.8 염화나트륨(NaCl)는 주로 이온 결합을 한다.

Na�와Cl�의전자구조는어떤불활성기체의

전자구조와동일하겠는가?

주기율표

2.9 주기율표의 VIIA족에 속하는 원소는 전자 배

위구조로볼때어떤점이같은가?

2.10 원자 번호 114의 원소는 주기율표의 몇 족에

속하는가?

2.11 그림 2.6과표 2.2를참고하지말고,다음에주

어진전자배위구조가불활성기체,할로겐,알

칼리금속,알칼리토금속,천이금속중어디에

속하는지판단하여라.그이유를설명하여라.

(a)1s22s22p63s23p63d74s2

(b)1s22s22p63s23p6

(c)1s22s22p5

(d)1s22s22p63s2

(e)1s22s22p63s23p63d24s2

(f )1s22s22p63s23p64s1

2.12 (a)주기율표의 희토류(rare earth) 원소군에서

는어떤부전자각이채워져있는가?

(b)악티니드(actinide) 계열의 원소는 어떤 부

전자각이채워져있는가?

결합력과결합에너지

2.13 K�와O2� 이온이1.6 nm만큼떨어져있을때,

두이온중심사이의인력을계산하여라.

12

12

12



2.14 두 인접 이온의 순수 위치 에너지 EN은 식

(2.8)과(2.9)의합으로나타낼수있다.즉,

(2.11)

다음과같은방법으로결합에너지E0를A,B,

n으로나타내어라.

1.EN을 r에대해미분하고, r에대한 EN의함

수는 E0에서 최소값을 가지므로, 결과식을

0으로놓는다.

2. r을 A, B, n의함수로표시하면 r0, 즉평형

이온간거리가나온다.

3. r0를식(2.11)에대입하여E0를구한다.

2.15 K��Cl� 이온쌍의인력과척력에너지는각각

EA와ER이며,이온간거리 r에대해다음과같

이표현된다.

이 관계에서 에너지는 각 K��Cl�쌍의 전자

볼트(eV)이고, r은 나노미터(nm)로 표시되어

있다. 순수에너지 EN은상위두식의합으로

표시된다.

(a)동일그래프에EN,ER,EA를 r � 1.2 nm까

지겹쳐그려라.

(b)이그래프를기초로(i)K�와Cl� 이온의평

형거리 r0를구하여라. (ii) 두이온간의결

합에너지E0를구하여라.

(c)문제 2.14의해를이용하여 r0와 E0의값을

수학적으로계산하여라. 이를 (b)의 도식에

의한결과와비교하여라.

2.16 평형이온간위치와결합에너지가각각 0.38

nm와�6.13 eV인X�와Y� 이온쌍을생각해

보자. 식 (2.11)에서의 n은 10임을알고문제

2.14의 결과를 이용하여, 식 (2.8)과 (2.9)의

인력과척력에너지인EA와ER의값을계산하

여라.

2.17 두이온간의순수위치에너지EN은다음식으

로표현된다.

(2.12)

여기서 r은이온간의분리거리이고,C,D와 �

는각재료에따른상수이다.

(a)결합에너지E0를이온간의평형거리 r0와

상수 D, �로다음의방법을이용하여나타

내어라.

1.EN을 r에대해미분하고, 결과식을 0으

로놓는다.

2.C를D, �, r0에대해푼다.

3.식 (2.12)에 C를대입하여 E0의 함수를

구한다.

(b) (a)의방법을이용하여E0를 r0,C, �의함수

로나타내어라.

1차원자간결합

2.18 (a)이온, 공유, 금속결합의중요차이점을설

명하여라.

(b)파울리의배타원리에대해논하여라.

2.19 다음화합물의원자간에너지의이온결합의

%를 계산하여라. TiO2, ZnTe, CsCl, InSb,

MgCl2.

2.20 표2.3에수록된금속의결합에너지와용융온

도를그려라.이그래프를이용하여 1084�C의

용융온도를갖는구리의결합에너지는대략

얼마이겠는가?

2.21 표2.2를이용하여다음원소의공유결합개수

를결정하여라.게르마늄,인,셀레늄,염소.

2.22 다음의 재료는 어떤 결합을 하는지 판단하여

라. 황동(구리-아연 합금), 고무, 황화바륨

(BaS),고체제논,청동,나일론,인화알루미늄

(AlP)?


연습문제 49

2차결합혹은반데르발스결합

2.23 불화수소(HF)가염화수소(HCl)에비해분자량

이 적음에도 불구하고 용융 온도가 높은

(19.4�C 대�85�C)이유를설명하여라.

스프레드시트문제

2.1SS A, B, n(식 2.8, 2.9, 2.11)의 입력치를 넣을

수 있는 스프레드시트를 생성하고 다음을 수

행하라.

(a)인력(EA), 척력(ER), 순(EN) 에너지에 대해

두원자(이온)간의거리에따른위치에너지

변화를그려라.

(b)평형 거리 (r0)와 결합 에너지(E0)를 구하

여라.

2.2SS 원소의전기음성도를입력치로하여두원소

간결합의이온성분퍼센트를계산하는스프

레드시트를작성하라.


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