금속결합

금속결합(金屬結合, metallic bonding)

금속결합(金屬結合, metallic bonding)은 강도, 전성, 연성, 광택, 열전도성과 전기전도성과 같은 금속의 여러 특성을 가지게 하는 화학결합이다.

금속결합은 금속에 고르게 퍼져있는 전자와 이온들 간의 전기적인 인력이다. 격자 모양으로 되어 있는 (+) 성질을 가진 금속 이온 사이에 자유 전자들이 공유되어 있기 때문에 녹은 염과 비교를 할 수 있다. 금속결합은 합금(순수한 금속 포함)에 서로 결합하는 원자들의 전기음성도가 다르고, 전자가 금속의 결정 구석구석 고르게 퍼져 있기 때문에 극성이 아니다.

금속원자는 에너지 준위나 주기에 관계되는 전자껍질에 약간의 전자를 가지고 있다. 그 전자들은 쉽게 원자에서 떨어져 나와 거대한 금속 양이온의 격자에 전자의 바다를 이루며 퍼질 수 있다.

전자와 금속 양이온 간의 힘은 매우 크기 때문에 결합을 끊으려면 많은 에너지가 필요하다. 그래서 금속들은 종종 높은 녹는점과 끓는점을 가진다. 이 이론은 이온결합과 비슷하다.

개요

금속결합은 주로 금속을 형성하는 물질이 결합하는 방식이다. 전기적으로 중성인 원자가 고체 결정을 구성하여 금속을 형성할 때, 격자에 위치한 원자는 각각의 최외각에 있던 전자가 빠져나가 양이온이 되고, 빠져나간 전자들은 전도전자를 형성한다. 이렇게 형성된 양이온과 전도전자 사이에 작용하는 정전기적 인력으로부터 기인하는 결합이 금속결합이다. 금속의 전도전자는 한 곳에 머물지 않고 고체 내의 모든 곳으로 자유롭게 움직일 수 있어서 자유 전자처럼 행동하고 이러한 전도전자를 격자에 있는 양이온이 전체적으로 공유하면선 결합하는 것으로 설명할 수 있다. 이러한 결합 특성으로부터 금속의 특징인 높은 전기전도도와 연성과 전성의 성질을 기술할 수 있으므로 금속결합이라고 부른다.

격자에 있는 금속 양이온과 전도전자 사이에 작용하는 힘은 기본적으로 정전기력이므로 매우 세고, 따라서 금속결합을 끊어 고체 상태를 액체나 기체로 만들려면 에너지가 매우 많이 든다. 그래서 금속은 녹는점과 끓는점이 높다. 보통 최외각에 전자가 하나 있는 Li, Na, K, Rb, Cs 등의 알칼리 금속 원자로 된 금속이 금속결합의 특징을 가장 잘 드러낸다. 종종 최외각에 전자가 두 개 있는 Be, Mg, Ca, Sr, Ba 등의 알칼리 토금속 원자들로 이루어진 금속들도 금속결합의 특징을 보여준다.

금속결합은 비국소적인 전자들의 존재와 전자 결핍이라는 두 현상의 결합으로 가능하게 된다. 전자 결핍은 비국소적 상태가 비국소적 전자보다 훨씬 더 많음을 의미한다. 위에서 언급한 대로 알칼리 금속이나 알칼리 토금속 원자의 경우 원자가 전자가 한 개 또는 두 개인데 비하여 그 원자의 최외각에는 전자가 존재할 수 있는 상태 또는 에너지 준위가 더 많이 있다. 이러한 전자 결핍 원소들은 한 원자의 상태에 다른 원자들로 부터 온 전자들을 포함하여 공유한다 하더라도 공유하는 전자의 수보다 더 많은 에너지 상태가 있으므로 전자 결핍 상태가 사라지는 것은 아니다. 비국속적인 전자와 전자 결핍이라는 두 조건은 모두 전기 전도도를 높이는 기본 조건이 된다. 즉 비국소적 전자들은 한 에너지 상태에서 조금 다른 상태로 쉽게 옮겨 갈 수 있으므로, 외부에서 전기장을 걸면 비국소적 전자는 쉽게 한 상태에서 다른 상태로 옮겨가며 전기장과 반대쪽으로 이동하여 전기 전도도에 기여한다. 외부 전기장이 없는 경우 전도전자는 모든 방향으로 이동할 수 있으므로 전기가 흐르지 않는다.

전도도

금속은 전기 전도도와 열전도도가 크다. 이는 금속결합과 관련이 있다. 금속 결정에 전류를 흘리면, 자유전자들 덕분에 전기 전도도가 높아진다. 역시 높은 열전도도 또한 자유전자 때문이다. 자유전자가 열에너지를 전달해주는 매개체가 되는 것이다.

이러한 자유 전자는 원자가전자띠와 전도띠 사이의 밴드갭이 무시될 때 발생한다. 밴드갭이 무시할 정도로 작기 때문에 전자가 원자가전자띠에서 전도띠로 이동이 쉽다. 그런 연유로 전자가 언제든 이동이 가능하게 된다.

연성, 전성

금속은 연성과 전성이라는 특별한 성질을 갖고 있다. 이 또한 자유전자와 관련이 있다. 연성은 뽑힘성이라고 하며, 엿가락처럼 길게 늘어나는 성질이다. 전성은 펴짐성이라고도 하며, 동전처럼 납작해 질 수 있는 성질을 말한다. 금속 결정은 외부로부터 힘이 가해져서 변형이 일어나도 결합이 잘 끊어지지 않아 이런 성질들이 나타난다. 자유 전자가 금속을 떠다니면서 양이온들을 결합시켜주기 때문이다.

참고자료

• 〈금속결합〉, 《물리학백과》
• 〈금속 결합〉, 《위키백과》
• 〈금속 결합〉, 《나무위키》

같이 보기

• 금속
• 공유결합
• 이온결합

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