재료물성개론 [3] 전기음성도, 상(Phase), 동질이상 등

1. Types Of Materials

1-1. 전기음성도

화학 결합이란 '원자의 최외각 전자가 어떻게 반응하느냐'에 따라 달려있다. 전기음성도는 '최외각 전자를 뺏어올 수 있는 능력'이다. 이 전기 음성도는 원자 고유의 능력치 이다. 

1-2. 이온화 에너지, 전자 친화도와 전기음성도

이온화 에너지란 중성 원자에서 최외각 전자를 떼어내기 위해 필요한 힘이다. Li, Na(알칼리 금속)는 이온화 에너지가 매우 작다.

 

전자친화도는 중성 원자에 최외각에 전자를 넣었을 때 뱉어내는 에너지의 양이다.

 

전기음성도는 이 둘을 모두 이용한 값이다. 즉, 어떤 원소가 이온화하면 양이온이 될 지 음이온이 될지 판단하는 척도로, 이온화 에너지와 전자친화도의 평균값이다.

 

 

 

전기음성도가 비슷하면 보통 공유결합을 한다.

 

1-3. Covalent Bonding (공유결합)

 공유결합은 반드시 방향성을 가진다. 예를 들어, CH4의 결합 위치가 한쪽에 쏠려있을 수 없다. 이 말은 즉슨, 특정 방향에서만 전자를 공유한다는 말과 같다. 따라서, 정사면체, 삼각형 등의 특정 모양이 된다.

1-4. Metallic Bonding (금속 결합)

 금속 결합에서는 전자가 빠르게 돌아다녀 각각이 잘 보이지 않고 마치 바다 혹은 구름과 같이 많이 존재하기 때문에, 전자들을 '전자 바다'혹은 '전자 구름'이라고 지칭한다.

 

1-5. Secondary Bonding ( Van der Waals )

 반데르발스의 경우 분극이 영구히 일어나든 순간적으로 일어나든 분극이 있어야만 존재하기 때문에. 분극에 따라 방향성이 존재한다.

2. Atomic Structure 물질의 Atomic Structure과 Phase

Phase(상)
: 물질이 고체, 액체, 기체 임에 따라 분자의 모양새가 다른 것처럼, 원자나 분자들이 쌓인 양상의 차이이다.

결정구조
: 장거리 범위(= 수 nm 정도)에서 (고체) 원자의 반복적 & 주기적 배열
 (전제)
1. 고체여야 한다.
2. 고체 중에서 원자나 분자간 반복 단위가 일정해야 한다.

 동일한 물을 얼려서 만든 모든 얼음끼리는 똑같은 상일까?

 

쉽게 고체라고 생각할 수 있지만, 다른 상이다. 모두 물 분자로 만든 고체이지만, 쌓인 형태가 다를 수 있다.

 

예시를 보자.

 

 

 

행은 '화학 결합'에 따라 구분하고, 열은 '규칙성'에 따른 구분을 보여주고 있다. 

 

그러면 결정질이면 모두 같은 규칙성을 가지고 있을까?

 

Crystalline Metal에서 같은 철이어도 BCC Fe와 FCC Fe는 다르다. 상이 바뀌는 것을 '상전이(상변태)'라고 한다. BCC Fe에서 온도를 올리면 FCC Fe가 되고 여기에서 상을 더 올리면 BCC Fe가 된다. 이때 처음과 나중의 BCC는 다르다. 왜냐하면, 온도가 올라간다는 것은 원자들이 더 심하게 진동하며 열팽창을 하게 된다. 따라서, 열진동을 하는 단위 거리(격자상수)가 커지며 달라지기 때문에 다른 상이라고 생각할 수 있다.  BCC Fe에서 온도를 올리면 액체가 되는 데 이 과정 역시도 상전이라고 할 수 있다.

 

 결정질 고체간에 상전이를 해도 에너지가 발생한다. 보통 액체 -> 기체, 고체 -> 액체를 가는 경우에는 결합을 끊어 에너지를 방출한다. 이처럼 일반적인 고체간 상전이도 결합을 끊고 재결합하며 에너지의 이동을 수반한다. 또한 결정질 -> 비정질로 가는 경우에도 에너지 이동을 수반한다.

 

3. Solid의 분류

 규칙성에 따라 고체의 결정 구조를 분류해보자.

 

결정질에서 원자 한개 당 에너지가 얼마나 될까?

 

 Crystalline에서 원자와 원자 사이의 에너지 E = -100이라고 하자. 원자 간 에너지가 최저로 낮아질 때 (거리가 적당히 가까울 때) 안정적인 결합을 유지한다. 거리가 너무 가까우면 척력이 생기기 때문이다. 그리고, 이 원자의 배위수를 살펴보자.  배위수가 6이므로,  E = - 600이 된다. 

 

  Amorphous에서는 Random하게 배열을 하기 때문에 자유 부피를 가진다. 이때 비정질에서는 원자 사이의 거리(r)가 결정질에 비해 비교적 긴 모습을 보이고, 배위수는 약 3 개가 된다. 따라서, E = -30이라할 때 총 E = -90이다. 

 

 따라서 Crystalline의 bond enegy가 훨씬 더 낮아 안정적이다.  Diffusion은 Amorphous 에서 훨씬 잘 일어난다.

 

 

4. 동질이상 (polymorphism)

같은 물질이나 상이 다른 것을 동질이상이라고 한다.

 

C(탄소)의 경우를 살펴보자. 위에서 말했듯이 같은 고체 C여도 다른 상을 가진다.

다이아몬드와 흑연은 같은 C로만 이루어진 고체이지만, 쌓인 모양과 성질이 다르다. 흑연은 층과 층사이의 결합이 약하고 전기가 통하지만, 다이아몬드는 결합력이 매우 강하고 부도체이다.

 

이 외에도 Tin의 동질이상도 있다. Tin에서 결정구조가 바뀌면 mechanical 특성 뿐 아니라 다양한 특성들이 바뀐다.

 

 

4-1. 상 판별

 정사각형 내부와 외부의 모습을 보자. 내부는 규칙적인 모습을 보이므로 결정질처럼 보이지만, 외부는 내부와 반복의 단위가 같지 않다. 따라서 정사각형 내부와 외부의 결정 구조는 다르다. 또한, 외부에서 A와 B 원자의 개수비가 같지 않다.

 

 그렇다면 안과 밖은 같은 상일까? 아니면 다른 상일까? 외부는 정육각형의 결합(배위수 = 6)인 반면, 내부는 정사각형 결합(배위수 = 4)이다. 따라서 상 또한 같지 않다.

 

 

 

 

 다결정에서는 결함(Grain Boundary)으로 규칙성이 깨지는 부분이 존재한다. 그러나 결함을 제외한 쌓인 모양이 같으므로 같은 상이다. 그러나 결함이 매우 많은 Amorphous와는 다른 상이다.