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배워야 할 주요 내용
• 원자결합의 근원은 무엇인가?
• 어떤 원자결합이 있는가?
• 각각의 원자결합은 재료로 하여금 어떤 성질을나타내게 하는가?
2장 원자결합과 물성
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원자의 구조: 원자핵(양성자+중성자)+전자
• 최외각의 원자가 전자(Valence electrons)가 재료의 성질을좌우한다!!!
1) 화학적2) 전기적3) 열적4) 광학적
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전자 구조 (electronic structure)
• 전자는 파동과 입자의 성질을 동시에 가진다! – 전자는 궤도 (orbital) 내를 돌고 있으며, 위치와
에너지를 통계적으로 예측할 수 있으나 동시에알 수는 없다 (불확정성 원리).
– 각 궤도 (orbital)의 에너지는 단속적인 값을 갖고양자수 (quantum numbers)로 표현할 수 있다.
양자수 표기n = principal (energy level-shell) K, L, M, N, O (1, 2, 3, etc.)l = subsidiary (orbitals) s, p, d, f (0, 1, 2, 3,…, n-1)ml = magnetic 1, 3, 5, 7 (-l to +l)
ms = spin ½, -½
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전자의 에너지 상태
1s
2s2p
K-shell n = 1
L-shell n = 2
3s3p M-shell n = 3
3d
4s
4p4d
Energy
N-shell n = 4
(1) 전자들은 단속적인 에너지 상태를 갖고 있으며,(2) 가장 낮은 에너지를 점유하려고 한다.
Adapted from Fig. 2.4, Callister 7e.
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• 대부분 원소들의 전자 배위는 불안정하다! 즉, 최외각 (outer shell)이 완전히 채워지지 않았다.
원소들의 전자 배위 (electron configuration)
전자 배위
(stable)
...
...
1s 22s 22p63s 23p6 (stable)... 1s 22s 22p63s 23p63d10 4s 24p6 (stable)
원자번호
18...36
원소1s 11Hydrogen1s 22Helium1s 22s 13Lithium1s 22s24Beryllium1s 22s 22p15Boron1s 22s 22p26Carbon
...
1s 22s 22p6 (stable)10Neon1s 22s 22p63s 111Sodium1s 22s 22p63s 212Magnesium1s 22s 22p63s 23p113Aluminum
...
Argon...Krypton
Adapted from Table 2.2, Callister 7e.
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• 완전히 채워지지 않은 최외각의 원자가 전자들(valence electrons), 즉, 불안정한 전자들이
① 원자결합에 참여하는 전자이고, ② 물성을 결정한다.
예: 탄소 (C, 원자번호 6번)1s2 2s2 2p2
valence electrons
원자가 전자 (valence electrons)
예: 철 (Fe, 26번) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2
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주기율표 (The Periodic Table)• 같은 족의 원소들은 최외각의 전자 배위가 유사!! ∴ 비슷한 특성
Adapted from Fig. 2.6, Callister 7e.
Electropositive elements:Readily give up electronsto become + ions.
Electronegative elements:Readily acquire electronsto become - ions.
giv
e up
1e
giv
e up
2e
giv
e up
3e
iner
t gas
esac
cept 1e
acce
pt 2e
O
Se
Te
Po At
I
Br
He
Ne
Ar
Kr
Xe
Rn
F
ClS
Li Be
H
Na Mg
BaCs
RaFr
CaK Sc
SrRb Y
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• 전기음성도값의 범위= 0.7 ~ 4.0,
Smaller electronegativity Larger electronegativity
• ‘전기음성도가 크다’ = ‘전자를 받아 음이온이 되기 쉽다’
Adapted from Fig. 2.7, Callister 7e. (Fig. 2.7 is adapted from Linus Pauling, The Nature of the Chemical Bond, 3rd edition, Copyright 1939 and 1940, 3rd edition. Copyright 1960 by Cornell University.
전기음성도 (Electronegativity)
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• 양이온과 음이온간의 결합• 중성인 원자가 전자를 내놓아 양이온이 되고,
전자를 받아 음이온이 되는 과정이 필요• 전기음성도 차이가 큰 원소간의 결합
• 예: NaCl
이온결합 (Ionic Bonding)
Na (금속) 불안정
Cl (비금속) 불안정
electron
+ -CoulombicAttraction
Na (양이온) 안정
Cl (음이온) 안정
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Adapted from Fig. 2.8, Callister 7e.
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이온결합의 포텐셜 우물 (Potential Well) 곡선
• 에너지는 최소일 때가 가장 안정– 즉, 인력과 척력이 균형을 이룰 때가 가장 안정
인력(Attractive) energy EA
순수(Net) energy EN
척력(Repulsive) energy ER
Interatomic separation r
rA
nrBEN = EA + ER = --
Adapted from Fig. 2.8(b), Callister 7e.
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C: 4개의 원자가전자,최외각을 채우기 위해4개의 전자가 필요
H: 1개의 원자가전자, 최외각을 채우기 위해1개의 전자가 필요
전기음성도가 비슷하다.C: 2.5 / H: 2.1 Adapted from Fig. 2.10, Callister 7e.
공유결합 (Covalent Bonding)
• 비슷한 전기음성도 (electronegativity)를 갖는원소들끼리 전자를 공유하며 일어나는 결합
• s 궤도(orbital)와 p 궤도의 원자가전자들 (valence electrons)의 공유에 의해 결합
• Example: CH4 탄소 원자로부터공유된 전자
수소 원자로부터공유된 전자
H
H
H
H
C
CH4
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금속결합 (Metallic Bonding)• 순수 금속원소들의 결합으로 극단적인 형태의 공유결합
즉, 모든 원자들이 최외각 전자들을 내어놓아 (+)의 이온코어를형성하고 (원자가 전자의 바다를 형성), 내어놓은 전자들을 공유
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1차 결합 (Primary Bonding)• 금속결합 -- 비편재화된 전자운 (delocalized electron
cloud) 에 의한 결합• 이온-공유 혼합결합
% 이온결합성 =
여기서 XA 와 XB 는 A와 B 원소의 전기음성도
%)100(x
1− e− (XA−XB)2
4
ionic 70.2% (100%) x e1 % 4)3.15.3(
2
=
−=
−−
이온결합성
예: MgO XMg = 1.3XO = 3.5
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쌍극자(dipoles) 간의 상호작용에 의한 결합
• 극성 분자의 영구쌍극자(permanent dipoles)
• 비극성 분자의 전자요동(fluctuation)에 의한 쌍극자 형성
-general case:
-ex: liquid HCl
-ex: polymer
Adapted from Fig. 2.13, Callister 7e.
Adapted from Fig. 2.14,Callister 7e.
asymmetric electronclouds
+ - + -secondary bonding
HH HH
H2 H2
secondary bonding
ex: liquid H2
H Cl H Clsecondary bonding
secondary bonding+ - + -
secondary bonding
2차 결합 (Secondary Bonding)
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종류
이온
공유
금속
이차
결합에너지
크다
다양하다강한 결합-Diamond약한 결합-Bismuth
다양하다강한 결합-Tungsten약한 결합-Mercury
매우 작다
특기사항
비방향성 (ceramics)
방향성(반도체, ceramicspolymer chains)
비방향성 (metals)
방향성inter-chain (polymer)inter-molecular
원자결합별 특징
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• 결합길이, r
• 결합에너지, Eo
• 융점, Tm
결합에너지 Eo 가 크면융점 Tm 도 높다.
원자결합과 물성: 융점(Tm )
ro r
Energyr
larger Tm
smaller Tm
Eo = “결합에너지bond energy”
Energy
ro runstretched length
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t03_02_pg28 Adapted fromCallister 7e.
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• 열팽창계수 Coefficient of thermal expansion, α
• α ~ symmetry at ro
결합에너지 Eo 가 작으면열팽창계수 a 가 크다.
원자결합과 물성: 열팽창계수(α)
= α (T2-T1)∆LLo
coeff. thermal expansion
∆L
length, Lo
unheated, T1
heated, T2
r or
larger α
smaller α
Energyunstretched length
EoEo
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세라믹스(이온결합과 공유결합):
금속(금속결합):
고분자(공유결합과 이차결합):
큰 결합에너지높은 융점 Tm큰 탄성율 E작은 열팽창계수 a
다양한 결합에너지중간 정도의 융점 Tm중간 정도의 탄성율 E중간 정도의 열팽창계수 a
방향에 따라 차이가 큰 물성이차결합이 지배적
낮은 융점 Tm작은 탄성율 E큰 열팽창계수 a
1차결합 재료들의 물성
