원자의 성질 과 금속의 결정구조

목차

1* 원자의 성질
- 원자
- 원자의 구조
- 원자결합
- 이온결합
- 공유결합
- 금속결합
- 반 데어 발스힘에 의한결합

2* 금속의 결정구조
- 금속의 특성
- 금속의 결정구조
- 결정의 구조
- 밀러지수
- 순금속의 결정구조
- 합금의 결정

본문내용

하는 금속의 동소체 중에서 낮은 온도의 것부터 α, β γ, δ ... 등으로 부르는 데 Fe에 β-Fe가 없는 것은 Fe가 없는 것은 Fe가 768℃에서 강자성체로부터 상자성체로 변화하는 자기변태를 일으키기 때문에 옛날에는 768℃부터 910℃까지를 β-Fe라고 불렀으나 이 자기변태는 결정구조의 변화없이 전자의 스핀(spin)방향만 변함으로 일어나는 것이 밝혀져 지금은 β-Fe도 α-Fe로 취급하기 때문이다.
동소변태와 자기변태를 하는 금속들은 변태를 전후하여 여러가지 성질이 변화한다. 동소변태에서는 성질의 변화가 일정온도(변태온도)에서 급격하게 불연속적인 경향으로 나타나지만 자기변태의 경우에는 일정한 온도의 범위 내에서 점진적으로 연속적인 변화가 생긴다.
◆ 합금의 결정
일반적으로 2종 이상의 금속을 용해할 때 각 성분은 서로 반응하여 용융상태가 되고 그것을 냉각시키고 고용체와 금속간 화합물을 형성한다. 따라서 완전히 응고된 합금에 나타나는 상(plase)은 순금속, 고용체(solid solution), 금속간화합물(intermetallic compound)의 3종류가 있다. 특히 고용체 중에서도 첨가원소가 규칙적인 배열을 하는 것을 규칙격자(Super lattice)라고 한다.
(1) 고용체
대부분의 금속들은 격자결합내에 다른 금속원자 또는 금속이온을 수용하는 성질을 갖고 있어 다른 금속의 원자를 수용하여 균일한 단상의 고체를 만든다. 이때 수용되는 금속(용질원자)은 한개 한개의 원자가 되어 수용하는 금속(용매원자)의 결정격자 속으로 들어가게 된다. 이같은 고체를 고용체라 한다.
고용체를 만들 때 용질원자가 들어가는 방법은 2가지가 있다. 하나는 용매원자의 결정의 격자점에 있는 원자가 용질원자로 치환되는 것으로 이를 치환형 고용체(substitutional solid solution)라고 하고 다른 하나는 용질원자가 용매원자의 결정격자 사이의 공간에 들어가는 것으로 이를 침입형 고용체(interstitial solid solution)라 한다.
침입형 고용체는 용질원자의 크기가 용매원자의 크기에 비해서 특별히 작을 때만 일어나는데, 일반적인 금속의 원자 크기는 크게 다르지 않으므로 침입형 고용체를 형성할 수 있는 원자는 H, B, C, N, O 등의 원자에 한정된다. 이들 원자의 크기는 모두 1Å이하의 원자반경을 갖는다.
금속 상호간에 고용체를 만드는 경우에는 원자크기의 차가 적으므로 치환형 고용체를 형성하게 된다. 이 때 용질원자와 용매원자의 크기가 같지 않다.
이같이 결정격자에 변형이 생기면 원자면을 따라 슬립(slip)이 일어나기 어려워져 금속의 강도, 경도가 커지고 자유전자의 산란이 많아져 전기저항이 증가하게 된다. 따라서 2종류의 금속이 어떠한 비율로도 고용체를 만든다면 각각의 원자가 방식 합금되었을 경우에 전기저항이나 감도가 최대로 될 것이다. 그러나 고용체를 만들때 어느 정도 까지만 고용체를 만드는 것(한율 고용체)과 모든 비율로 고용체를 만드는 것(전율 고용체) 또는 전혀 고용체를 만들지 않는 것이 있으며, 그것을 결정하는 중요한 인자는 Hume-Rothery의 이론에 따르면 아래와 같다.
① 용질원자와 용매원자의 크기 차이가 15% 미만이면 고용체를 형성하려는 경향이 있다. 그러나 두 원자 크기의 차가 15%를 넘으면 고용도는 보통 1% 이하로 제한된다.
② 서로 강한 화학적 친화력이 없는 금속들은 고용체를 형성하려는 경향이 있지만, 전기음성도의 순서에서 서로 멀리 떨어져 있는 금속들은 금속간화합물을 형성하려는 경향이 있다.
③ 원자가가 작은 용매금속 중에 원자가가 큰 용질금속이 고용되는 경우의 고용도가 그 반대의 경우 보다 크다.
④ 전율고용체를 형성하기 위해서는 용질금속과 용매금속이 같은 결정구조를 가져야 한다.
치환형고용체의 경우 용질원자와 용매원자의 치환이 랜덤(ramdom)하게 일어난다면 고용체의 격자상수값응 용질원자의 농도에 비례하게 되며, 이러한 관계를 베가드의 법칙(Vegard's law)이라 한다.
(1) 규칙격자
고용체에서는 용질원자와 용매원자의 배열에 전혀 규칙성이 없지만, 이 고용체를 어느 특정온도에서 장시간 가열하면 이들 원자의 배열이 일정한 규칙성을 갖는 것이 있다. 이것을 규칙격자(super-lattice)라 하며, 그 변화를 규칙-불규칙변태(order-disorder transition)라 하고, 이러한 변화를 일으키는 온도를 자기변태와 같이 큐리점(Curie point)라 한다.
이들 규칙격자는 당연히 AxBy형의 간단한 정수비의 조성을 가지며, 그 조성에서는 일반적인 고용체와는 다른 성질을 가지기 때문에 최근에는 금속간화합물의 한 형태로 취급되고 있다.
규칙-불규칙변태를 합금의 전기 저항, 기계적 성질, 자성 등 여러가지 성질에 변화를 준다. Cu-Au 합금의 경우 보통의 냉각속도에서는 일반적인 연속고용체가 되므로 전기 저항은 Cu와 Au의 조성에 따라 포물선형으로 변화하나, 규칙격자가 생성되면 그 조성을 중심으로 M자형의 변화가 나타난다.
(2) 금속간 화합물
성분금속의 원자들이 비교적 간단한 정수비로 결합되고 각 성분 금속의 원자가 결정격자 내에서 특정한 위치를 차지하고 있는 합금을 금속간 화합물이란 한다.
규칙격자는 금속간 화합물의 일종으로, 구조가 비교적 간단하고 고용체의 구조변화 없이 원자의 이동만으로 생기는데 반하여 금속간 화합물을 간단한 것에서부터 복잡한 것에 이르기까지 대단히 변화가 많으며 이들은 여러 가지의 형식으로 분류되고 있다.
금속간 화합물은 본래의 물질과는 전혀 성질이 다른 별개의 화합물이 되므로, 일반적인 고용체와는 다음과 같은 차이가 있다.
① 성분금속의 원자가 결정의 단위격자에서 일정한 위치를 차지한다.
② 일반적으로 복잡한 결정구조를 가지며, 매우 경도가 높고 취약하다.
③ 금속으로 구성되어 있으나, 일반적으로 전기 저항이 크다.
④ 규칙-불규칙변태가 없다.
⑤ 주기율표 중의 동족원소와는 거의 화합물을 만들지 않는다.
⑥ 일반적으로 각각의 성분금속보다 융점이 높다.
⑦ 성분금속의 특징을 잃어 버린다.
⑧ 고온에서는 불안하여 자기의 융점을 갖지 못하고 분해되기 쉽다.

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