금속 결정 구조 문서 원본 보기

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'''금속 결정 구조'''란 [[금속]]이 이루는 기하학적 결정 구조이며, 단순입방(單純立方)구조, 체심입방(體心入方)구조, 면심입방(面心立方)구조, 육방밀집(六方密集)구조 등이 있다. 면심입방구조와 육방밀집구조를 합쳐 최조밀 쌓임 구조라고도 한다. 

금속 결정을 기반으로 [[이온]] 결정의 형태 또한 결정된다. 결정의 구조를 구분하기 위해서는 단위 세포 속 입자 수, [[배위수]], 점유율(충진분율) 등을 고려해야 한다.

== 용어 ==

* 단위세포란 동일한 입방체로 빈 공간을 쌓아 원래 구조를 만들 수 있는 입방체를 지칭한다.<ref>{{서적 인용|제목=옥스토비|성=David W. Oxtoby|판=7|출판사=사이플러스|쪽=1038|장=6}}</ref>
* 입자 수란 단위 세포 하나에 몇 개의 입자 분량이 들어가는지를 계산한 값이다. 
* 배위수란 하나의 입자가 접하고 있는 입자의 수이다. 
* 점유율이란 단위 세포 속 입자의 비율이 얼마나 되는지로 계산한 밀도의 일종이다. 

== 구조 ==

=== 단순 입방 구조(sc) ===
[[파일:단순_입방_구조.png|섬네일|단순 입방 구조]]
단위 세포 속 입자 수(N)는 1개이며 접하고 있는 입자 수와 배위수는 6개이다. 점유율(충진분율)은 약 52.4%이며, L=2R의 형태를 갖는다. [[폴로늄]]만이 유일하게 단순 입방 구조를 갖는다.<ref name=":1">{{서적 인용|제목=옥스토비|성=David W. Oxtoby|판=7|출판사=사이플러스|쪽=1042|장=6}}</ref>

=== 체심 입방 구조(bcc) ===
단위 세포 속 입자 수는 2개이며 배위수는 8이다. 점유율은 68.0%이며, <math>\surd3</math>L=4R의 형태를 갖는다. 대부분의 1족 원소([[알칼리 금속]])와 세슘 및 대부분의 4주기 [[전이 금속|전이 원소]]들이 이 구조를 갖는다.<ref name=":1" />
[[파일:체심_입방_구조.png|섬네일|체심 입방 구조]]

=== 최조밀 쌓임 구조 ===
최조밀 쌓임구조를 이루는 구조들은 배위수와 점유율이 모두 동일하다.
[[파일:면심_입방_구조.png|섬네일|면심 입방 구조]]

==== 면심 입방 구조(fcc) ====
단위 세포 속 입자 수는 4개이며 배위수는 12이다. 점유율은 74.0%이며, <math>\sqrt{2}</math>L=4R의 형태를 갖는다. [[구리]], [[로듐]], [[팔라듐]], [[은]], [[니켈]] 등 다양한 원소(주로 [[전이 금속|전이 원소]])가 이 구조를 갖는다.<ref name=":1" />

==== 육방 밀집 구조(hcp) ====
단위 세포 속 입자 수는 6개이며 배위수는 12이다. 점유율은 74.0%이며, A=2R, B=(<math>4\surd6/3</math>)R의 구조를 갖는다. [[마그네슘]], [[아연]] 등의 원소(주로 [[알칼리 토금속|알칼리토금속]]과 [[전이 금속|전이 원소]])가 이 구조를 갖는다. 대부분 이름 그대로 육각기둥을 하나의 단위 세포로 나타낸다.

==== 면심 입방 구조와 육방 밀집 구조의 차이점 ====
면심 입방 구조는 "ABC"구조를 이루지만, 육방 밀집 구조는 "AB"구조를 이룬다. 즉, 면심 입방 구조는 1층과 4층이 같은 형태, 육방 밀집 구조는 1층과 3층이 같은 형태이다.

== 밀도 ==

=== 일반적인 밀도 방정식 ===
d=(원자 1개 질량*N)/(단위 세포의 부피)={(M/<math>N_A</math>)*N}/<math>L^3</math>

단위수와 L, R의 관계식을 알고 있으면 [[밀도]]를 구할 수 있다.

=== 육방밀집 구조의 밀도 방정식 ===
d=(<math>6M</math>/<math>N_A</math>)/<math>24\sqrt{2}R^3</math>

=== 점유율을 이용한 밀도 방정식 ===
d=(점유율)*(M/<math>N_A</math>)/{<math>(4/3)\pi R^3</math>}

== 원리 ==
[[알칼리 금속]]과 같은 전형적인 금속에서는 금속 내부의 각 원자에 속하는 [[원자가 전자]]의 일부는 이웃한 특정 원자의 전자와 상호작용을 가지지 않고, 결정 내를 자유롭게 움직이는 이른바 자유전자가 되어 있는 것으로 생각된다. 

따라서, 금속이란 고른 밀도로 퍼진 전자의 바닷속에 원자가 전자를 잃은 그 금속원자의 양이온이 떠 있는 것과 같은 것으로, 이들 모든 자유전자와 양이온 사이의 [[정전기적 인력]]이 전체를 결합시키는 힘이 된다. 이것이 금속결합의 주요한 힘이라고 생각되는데, 정확히는 여기에 양자론적인 생각이 덧붙여져 있다. 즉, 분자궤도함수론의 입장에서는 위그너, 자이츠, 슬레이터에 의해 설명되었고, 또한 [[하이틀러-런던 이론]]의 입장에서는 금속원자 사이의 공유결합에 상당하는 여러 결합구조의 공명에 의해서 설명되었다.<ref>{{웹 인용|url=https://terms.naver.com/entry.naver?docId=1070189&cid=40942&categoryId=32260|제목=[네이버 지식백과] 금속결합 [metallic bond, 金屬結合] (두산백과)}}</ref>

== 특성 ==
이처럼 금속 원자가 다음 구조를 띄며 결정화된다면 [[금속 결정]]이라고 한다.<ref name=":0">{{웹 인용|url=https://terms.naver.com/entry.naver?cid=40942&docId=1176222&categoryId=32260|제목=금속결정|언어=ko|확인날짜=2022-02-22}}</ref> 대다수의 금속결합이 이와 같은 결정을 통해 결합되어 있다. 

그러나 이 결합은 고정적이지 않으며 상태에 따라 바뀐다. 이를 테면 [[칼슘]] 금속의 경우, 저온에서는 면심입방격자를 만들 수 있으나 250℃에서는 육방최밀격자, 450℃에서는 체심입방격자로 격자의 모양이 달라진다. 이와 같은 현상을 결정의 [[상전이]]라고 한다. 그리고 금속에 따라서는 육방최밀격자와 면심입방격자가 서로 합쳐진 듯한 격자구조를 이룰 적도 있다.<ref name=":0" />

== 같이 보기 ==
* [[금속]]
* [[결정]]
* [[결정 구조]]
* [[상전이]]

== 각주 ==
{{각주}}

[[분류:결정]]
[[분류:결정학]]
[[분류:재료과학]]
[[분류:화학적 성질]]
[[분류:금속]]