고체 내의 원자 결합

2.5 결합력과 결합 에너지 

 

재료의 많은 성질은 원자와 원자가 서로 결합하고 잇는 힘에 대한 정보로부터 예측될 수 있다. 아마도 원자 간의 결합에 대한 원리는, 두 개의 고립된 원자가 무한히 먼 거리에서 가까워질 때, 원자 간의 상호작용을 생각함으로써 잘 설명될 수 있을 것이다. 원자가 먼 거리에 떨어져 있을 때, 원자 간의 상호작용은 미약하다. 그러나 원자가 서로 가까워질수록 상호 힘이 작용하며, 그 힘은 원자 간 거리의 함수로 나타난다. 상호 간에는 인력과 척력의 상반된 힘이 작용하며, 각각의 힘의 크기는 원자 간 거리의 함수로 표시한다. 인력 Fa의 원인은 두 원자 간의 결합 종류에 따라 다르며, 그 크기는 거리에 따라 다르다. 결국, 두 원자의 거리가 가까워서 외각 전자들이 서로 겹치기 시작하면 강한 척력 Fr 이 작용하게 된다. 순수 원자 간의 힘(Fn)은 이와 같은 인력과 척력 성분의 함으로 나타낸다. 즉, Fn도 원자 간의 거리의 함수이다.  Fa와 Fr이 서로 균형을 이루어 같게 되면 순수 원자 간의 힘은 없어진다. 따라서 

 

Fa + Fr = 0 

 

에서 평형 상태가 존재한다. 두 원자의 중심은 평형 거리만큼 떨어져 있게 된다. 많은 원자의 경우 대략 0.3nm 위치에서 척력과 인력의 균형을 이루게 된다.

두 원자 간의 작용하는 힘 대신에 위치 에너지의 관점에서 생각하는 것이 편리한 경우가 있다. 

 

 

결합 에너지 

결합에너지(Bonding Energy)는 두 원자를 무한대로 분리싴티기 위해 가해야 하는 에너지와 같다. 지금 까지는 오직 두 원자만을 생각한 이상적인 경우를 다루었지만, 고체 재료에서는 많은 원자 사이에 조재하는 힘과 에너지의 상호작용이 고려되어야 한다. 하지만 이러한 경우에도 적절한 결합 에너지가 각 원자 마다 존재하게 된다. 결합 에너지와 원자 간의 거리에 따른 에너지 변화는 재료마다 다르며, 언자 결합의 종류에 따라도 다르다. 또한 재료의 성질들은 결합의 형태 등에 의해 결정된다. 보통 높은 결합 에너지를 갖는 경우는 고체 상태로 존재하며, 낮은 결합 에너지를 갖는 경우는 기체 상태로 존재한다. 액체의 경우는 그 중간값을 갖는 경우이다. 

 

 

1차 결합 

고체에서는 세 종류의 1차 혹은 화학 결합의 있는데, 이는 이온, 공유, 금속 결합이다. 각 결합은 최외각 전자들에 의해 이루어지며, 결합의 방식은 구성 원자들의 저나 구조에 의해 정해진다. 일반적으로 이 세종류의 결합은 불활성 기체와 같은 최외각 전자가 완전히 채워져 있는 안정된 전자 구조를 가지려는 경향에서 기인한다고 볼 수 있다. 

다수의 고체 재료에서는 2차 혹은 물리적 힘과 에너지가 존재할 수 있는데, 이는 1차 결합에 비해 약하나 재료의 물성에 영향을 준다.

 

 

2.6 1차 원자 간 결합 

 

이온결합 

이온 결합(Ionic bonding)은 가장 쉽게 설명되고 시각화될 수 있는 결합이다. 이 결합은 금속과 비금속 원소 간의 화학물에서 볼 수 있는 결합으로 비금속 원소는 주기율표의 우측 끝 부분에 위치하고, 금속 원소의 전자는 비금속 원소에 최외각 전자를 쉽게 제공할 수 있다. 이로써 모든 원자는 불활성 기체와 가은 안정된 전자 구조를 얻으며, 또한 전기 전하를 띤다. 즉, 그들은 이온으로 된다. 염화나트륨(NaCl)은 대표적인 이온 결합 재료이다. 나트륨은 외각의 한 개 전자를 염소 원자에게 주고, 네온(Ne) 원자와 같은 구조를 가지며, 이러한 전자 공급에 의해 염소 이온은 음전하를 가지게 되며 아르곤(Ar)과 동일한 전자 구조를 갖게 된다. 

 

쿨롱의 힘

여기서 작용하는 인력은 쿨롱의 힘이다. 죽, 양전하와 음전하의 이온은 서로 끌어당긴다. 두 독립된 이온에 대해 인력 에너지(Ea)는 다음과 같은 원자 간 거리의 함수로 표시된다. 

 

 

Ea = -(A/r) 

 

 

척력 에너지도 유사한 수식으로 표현된다. 

 

Er = B/r(^n)

 

 

여기서 A,B와 n은 특정한 이온계에 따른 상수값이며, n은 대략 8 정도의 값을 갖는다. 

이온 결합은 방향성이 없다. 이는 결합의 세기가 이온의 모든 방향에 대해 같다는 것을 의미한다. 또한 이온 재료가 안정되기 위해서 모든 양이온은 3차원적으로 음이온과 최근 접해 있어야 한다. 세라믹 재료의 주된 결합 형태는 이온 결합이다. 

 

 

 

(출처) 시그마 프레스 재료과학과 공학 제7판