금속결정[metal cystal]

금속결정[metal cystal]

 

금속을 만드는 원소는 원소 전체의 약 3/4를 차지한다. 이들 원소의 원자가 모여서 고체로 되는 결합은 금속결합이라고 불리우는 것으로, 전도전자의 바다 속에 양전하의 이온이 규칙적으로 배열한 상태를 상상하면 된다.

 

전자는 양의 이온에서 인력을 받지만 전도전자는 이온 부근에 있을 확률이 낮으므로, 주위의 이온 모두로부터 인력을 받게 되어 근사적으로 인력을 거의 받지 않는다고 가정할 수 있다. 이 근사가 가능한 경우에는 전도전자를 자유전자로 생각하는 것이 허용된다(자유전자모델).

 

자유전자를 매개로 한 이온간의 결합력은 방향성을 갖지 않으므로 이온은 탁구공을 빈틈 없이 나란히 한 배열(최밀구조)을 취한다. 단순금속으로 불리우는 알루미늄, 아연 등 대부분의 금속은 최밀구조의 일종인 면심입방구조 또는 최밀육방구조를 취한다(전도전자의 성질이 복잡하고 자유전자모델이 양호한 근사가 되지 않는 철 등 전이금속으로 불리우는 그룹에서는 최밀구조가 아닌 체심입방구조 등이 나타난다).

 

반도체에서 볼 수 있는 공급결합이나 이온결합은 전도전자가 거의 존재하지 않고 결합의 방향성이 세다.

 

결합방식의 차이를 반영하면, 금속에서는 다른 물질에 비해 전기나 열을 잘 통하는 것으로 알려지고 있다.

 

전자가 통하기 쉬운점을 나타내는 양(量)인 전기전도도를 조사해 보면, 상온에서 가장 잘 전기를 통하는 금속원소는 은으로 전기전도도는 6.2×107Ω-1․m-1이다.

 

지름이 약 1mm인 은선 1m를 0.1볼트의 전지에 연결하면 약 5암페어의 전류가 흐른다. 그 다음으로 전도도가 높은 것은 구리로서 은의 94% 정도이다. 가장 전기를 통하기 어려운 물질은 다이아몬드로서 은이나 구리의 1/1020밖에 되지 않는다.

 

물질 중에서 물질에 의한 차이가 이 것 외에 큰 것은 없다. 또 금속은 전기와 마찬가지로 열도 잘 전달된다(열전도도가 크다).

 

상온에서 최대의 값을 나타내는 금속원소는 역시 은으로 1.00칼로리/cm․초․도(0.418 kW/(K․m))이다. 단면적이 1cm2이고 길이가 1cm인 은의 막대 양끝에 1℃의 온도차가 있을 때 1초간에 1칼로리(4.184줄)의 열이 흐른다.

 

이것으로 1그램의 물의 온도를 1℃ 올릴 수 있다. 같은 조건으로 구리에서는 0.94℃, 알루미늄에서는 0.54℃의 수온 상승이 생긴다. 이 열에너지를 운반하는󰡒운반방󰡓도 금속인 경우에는 주로 자유전자이다.

 

전기를 운반하는 것도 열을 운반하는 것도 자유전자로 하면 전기전도도가 높은 것은 열전도도도 높게 된다. 자유전자모델에 의해 열전도도(κ)와 전기전도도(σ)와의 비를 계산하면, 절대온도를 T로 하여

κ/σT=2.45×10-8W․Ω․deg-2

 

이 된다. 극히 낮은 온도영역 이외에서 대부분의 금속에 대한 실험값은 이보다 가까운 값을 취한다(예를들면 이론값 2.45에 대해 은에서는 2.31, 구리에서는 2.23). κ/σT가 금속의 종류에 의존하지 않는 것을 비데만-프란츠의 법칙이라고 하고, 이 2.45×10-8W․Ω․deg-2인 값을 로렌츠수라고 한다.

 

금속은 전기나 물을 전달하는 재료로만이 아닌 구조재료로서 현대문명을 지탱하고 있다. 거대한 교량이나 빌딩, 항공기, 전차, 자동차 등은 금속 없이 만들 수 없다.

 

이것은 금속의 기계적성질이 대단히 우수하기 때문이다. 물체가 힘을 받으면 정도의 차는 있으나 반드시 변형된다. 힘이 작을 때 변형은 힘의 크기에 비례하고 힘을 제거하면 원래의 형태로 돌아온다.

 

이것이 탄성변형이다. 보다 큰 힘에 대해서는 비례관계는 성립하지 않게 되고 힘에 대한 변형량은 커져서 힘을 제거한 후도 물체는 원래의 형태로 돌아오지 않는다.

 

이것이 소성변형이다. 이 범위를 넘어서 힘을 가하면 물체는 파괴된다. 금속은 일반적으로 소성변형의 영역이 넓고 변형을 시작해도 상당한 파괴까지는 이르지 않는다. 이 성질을 이용하여 금속을 얇은 박으로 하거나 가는 선에 가공하기도 한다. 알루미늄박이나 동선(銅線) 등은 가장 잘 알려진 예이다. 박을 만들기 쉬운 성질을 전성, 선을 만들기 쉬운 성질을 연성이라고 하는데 어느 것이나 소성의 일종이다.

 

금속결합이 기본적으로는 자유전자적인 전자를 매개로 하고 결합의 방향성이 약한 점에 유래하고 있다. 기계적인 강도가 큰 재료는 힘에 대한 변형이 작을 뿐만 아니라 큰 힘을 가하지 않으면 파괴될 수 없다. 소성변형의 영역에서는 끈기가 강한 성질이 바람직하다. 이것을 인성(靭性)이라고 한다. 즉 강도도 크고 인성도 높은 것이 강인한 재료로 환영받는다.

 

강도는 원자간의 결합력의 세기라고 볼 수 있다. 결합력의 세기를 나타내는 하나의 목표는 금속이 녹는 온도이다. 금속 중에는 수은과 같이 상온에서 액체인 것도 있고, 또 텅스텐과 같이 녹는점이 3000℃ 이상인 것이 있다. 구조재료로서 가장 도움이 되는 철의 녹는점은 1538℃이다.

 

이들 녹는점의 금속은 어느 것도 전이금속의 한무리로서 전자계의 구조가 알루미늄 등의 단순금속에 비해 복잡하고 자유전자와 함께 d전자나 f전자가 결합에 참가하고 있다. 그런 이유로 단순금속에 비해 훨씬 높은 녹는점을 가지고 큰 강도를 나타내는 것에도 기여한다. 단체의 금속에서는 얻지 못하는 우수한 특성을 부여하기 때문에 철 등을 모체로 하고 다른 금속을 녹여서 합금을 만든다.

 

철의 경우에는 목적에 따라 다양한 종류의 강이 얻어지고 있다. 철 이외에도 대부분의 금속에서 사용목적에 따라 각종의 합금이 만들어져 인간생활에 도움을 주고 있다. 쉽게 합금을 만들 수 있는 것도 금속결합의 특징 중 하나이다.