12 고체와신소재
고체의분류 결합특성에따른분류금속성고체 (metallic solid) 이온성고체 (ionic solid) 공유성-그물구조고체 (covalent-network solid) 분자성고체 (molecular solid) 기타 중합체 (polymer) 나노물질 (nanomaterial)
고체의구조 결정성고체와비결정성고체 고체의결정성에따른분류 결정성고체 (Crystalline solid) 비결정성고체 (Amorphous solid) All solids (crystalline solids) in the universe have a certain number of ways of packing. microcrystals 결정구조 고체구조 고체알갱이
고체의구조 단위세포와격자 결정구조 고체구조 결정구조 (crystal structure): 결정에서원자들의규칙적인배열 요소 (motif): 고체를이루는구성성분의원자집단단위. 격자점으로대표될수있어야한다. 격자점 (lattice point): 요소 (motif) 를대표하는점. 하나의결정에서모든격자점은화학적, 물리적, 수학적으로주변환경이완벽히동일해야한다. 격자 (lattice): 격자점의무한한배열 단위세포 (unit cell): 결정의 3 차원적인기하학적기본단위. 단위방향으로단위길이만큼반복적으로이동하여전체결정을나타낼수있는단위. 이러한반복단위중가장작은것이단위세포 원시단위세포 (primitive unit cell): 단위세포중에서하나의격자점을가지고있는것
고체의구조 단위세포와격자 Repeating unit? Unit cell?
고체의구조 단위세포와격자 2 차원격자의종류 어느격자?
고체의구조 단위세포채움 Graphene
고체의구조 단위세포와격자 Solids in the Universe ( 입방 ) Face-Centered( 면심 ) 7 Crystal Classes ( 결정계 ) ( 정방 ) Body-Centered( 체심 ) 14 Bravais Lattices (Bravais 격자 ) ( 사방 ) 230 Space Groups ( 공간군 ) %%% Spheres: Lattice points Not atoms ( 육방 ) ( 단사 ) ( 삼방 ) 90 o c a b g a b ( 삼사 )
금속성고체 조밀쌓음 왜몇가지정해진패턴? Goldschmidt 는원자를단단한공으로생각하고쌓아보자고제안 (1926) 공간을가장효율적으로채울수있는방법은?
금속성고체 조밀쌓음 ABABAB 육방조밀쌓음 [hexagonal close packing (hcp)]
금속성고체 조밀쌓음 ABCABCABC 입방조밀쌓음 [cubic close packing (ccp)]
금속성고체 조밀쌓음 Solids in the Universe ( 입방 ) Face-Centered( 면심 ) 7 Crystal Classes ( 결정계 ) ( 정방 ) Body-Centered( 체심 ) 14 Bravais Lattices (Bravais 격자 ) ( 사방 ) 230 Space Groups ( 공간군 ) %%% Spheres: Lattice points Not atoms ( 육방 ) ( 단사 ) ( 삼방 ) 90 o c a b g a b ( 삼사 )
금속성고체 금속성고체의구조 육방격자 1 기압, 상온 Po Ba, Cr, Fe, W, alkai metals Ag, Al, Au, Ca, Cu, Ni, Pb, Pd, Pt Be, Cd, Co, Mg, Ti, Zn
금속성고체 쌓음효율 r l CCP 의쌓음효율 (packing efficiency) (4r) 2 l 2 l 2r 2 l 단위세포의부피 l 2 1 1 단위세포안에있는구의개수 8 ( ) 6 ( ) 4 8 2 4 3 단위세포안에있는구의부피 4( r ) 3 쌓음효율 16 3 16 r 3 2r 3 3 16 2r 3 0.74 74% 0.52 0.68 0.74 HCP? 쌓음효율
금속성고체 합금 합금 (Alloy): 두가지이상의원소를포함하고있고, 금속의고유한특성을갖는물질. 구성원소가모두금속일필요는없으나대부분이금속. 순수한금속원소의특성을보완할수있는주요한방법
금속성고체 합금 합금 (Alloy) 의종류 치환합금 (substitutional alloy): 고체용액 ( 균일혼합물 ). 용질원소가용매금속과비슷한크기일때. 용질원자가용매원자의자리를차지. 틈새합금 (interstitial alloy): 고체용액 ( 균일혼합물 ). 용질원소가용매금속보다훨씬작을때. 용질원자가용매원자의배열의틈새를차지. 불균일합금 (heterogeneous alloy): 성분들은균일하게분포하지않은합금금속간화합물 (intermetallic compound): 화합물. 화합물이기때문에, 정확한특성을가지며조성은변하지않음. 치환합금이나틈새합금과는달리, 금속간화합물에서는서로다른형태의원자들은무질서하게분포되어있는것이아니라질서정연하게분포. 제트기엔진초전도자석헤드셋, 스피커 ( 정밀자석 )
금속결합 3 주기원소 비금속과준금속원소형태에서원자는공유결합 금속은원자가전자가많이부족하여편재화된전자쌍결합을만들기에충분치않다. 대신, 원자가전자를금속전체적으로공유한다. Na Mg Ar
금속결합 전자바다모형 금속을원자가전자의 바다 (sea) 에떠있는금속양이온의배열로기술전기전도성, 열전도성, 연성 ( 늘림성 ), 전성 ( 퍼짐성 )
금속결합 분자오비탈모형 금속결합의분자오비탈모형 = 띠이론 (band theory) 원자오비탈 분자오비탈... : : : :...
금속결합 분자오비탈모형 왜 alkali earth 금속이전도성을가지나? E F E F 부도체 전도체 E F : Fermi level
금속결합 분자오비탈모형 E F E F E F
이온성고체 이온화합물의특성 높은끓는점, 녹는점 부스러지지쉽다. 극성용매에잘녹는다. Ruby(Al 2 O 3 :Cr)
이온성고체 이온성고체의구조 조밀쌓음에서의틈새 (hole) CCP 에서의위치 팔면체틈새 (octahedral hole) 배위수 =6 틈새의크기 radius r h r (2r) 2 + (2r) 2 = (2r+2r h ) 2 r h = (2 1/2-1)r = 0.414r
이온성고체 이온성고체의구조 조밀쌓음에서의틈새 (hole) CCP 에서의위치 사면체틈새 (tetrahedral hole) 틈새의크기 r l 배위수 =4 r t *All spheres are in contact. l 2 + l 2 = (2r) 2 (2r+2r t ) 2 = l 2 + l 2 + l 2 r t = r(6 1/2-2)/2 = 0.225r
이온성고체 이온성고체의구조 이온성고체의구조음 ( 양 ) 이온은결정격자의격자점을차지. 양 ( 음 ) 이온은결정격자의틈새를차지. 같은전하의이온끼리는직접적으로접촉하지않는다. 음 ( 양 ) 이온 : 격자점 육면체틈새팔면체틈새사면체틈새의반 양 ( 음 ) 이온
이온성고체 이온성고체의구조
이온성고체 이온성고체의구조 ( 음이온의전하수 x 단위세포안의음이온개수 )+ ( 양이온의전하수 x 단위세포안의양이온개수 ) = 0 결정격자면심입방격자체심정방격자삼방격자
이온성고체 이온성고체의구조 Ex) 구리와산소로이루어진이성분화합물의단위세포를그림에나타냈다. 주어진그림자료와각이온의반지름 r(cu + ) = 0.74 Å, r(o 2- ) = 1.26 Å 을이용하여다음물음에답하시오. (a) 이화합물의실험식을결정하시오. (b) 구리와산소의배위수를결정하시오. (c) 단위세포한변의길이를계산하시오. (d) 화합물의밀도를계산하시오. (a) Cu 2 O (b) Cu: 2, O: 4 (c) y = 2[2r(Cu + ) + 2r(O 2 )] = 4[r(Cu + ) + r(o 2 )] = 4[0.74 Å + 1.26 Å] = 8.00 Å ( y) a 2 a 2 a 2 a y o 4.62 3 2 3a (d) 단위세포안에있는 Cu 의개수 = 4 단위세포안에있는 O 의개수 = 2 2
분자성고체 분자성고체 (molecular solid): 쌍극자 - 쌍극자힘, London 분산력, 수소결합과같은분자간힘으로결합된원자나분자로구성된고체. 고체는무르고녹는점이상대적으로낮다. ( 일반적으로 200 C 이하 ) Ex) 물, 이산화탄소, 설탕? 극성 van der Waals 힘 Crystal packing
공유성 - 그물구조고체 공유성-그물구조고체 (covalent-network solid): 공유결합에의해형성된커다란그물구조에서로붙들려있는원자들로구성. 분자성고체보다훨씬단단하고녹는점이높다. sp 2 sp 3 ~ 3.35 Å mp: 3550 o C 최고경도 mp: 3652-3697 o C (sublimes) 전도성윤활제
공유성 - 그물구조고체 반도체 4 족원소 C (diamond): 5.5 ev Si : 1.11 ev Ge: 0.67 ev Sn: 0.08 ev Pb: 없음 ( 금속 ) E F 1 ev = 1.602 x 10-19 J = 96.485 kj/mol Si, Ge, Sn: 원소형반도체 (elemental semiconductor) 반도체 (semiconductor): 낮은온도에서는부도체, 높은온도에서는도체로작용하는물질
공유성 - 그물구조고체 반도체 화합물반도체 (compound semiconductor): 평균 4 개의원자가전자를갖는 13 족 -15 족, 12 족 -16 족화합물중반도체의성격을갖는것 전기음성도차이가클수록결합의극성은증가하여띠간격은증가한다.
공유성 - 그물구조고체 불순물반도체 반도체에소량의불순물원자를도핑 (doping) 하여반도체특성을변화시킬수있다. Si:P-dopping n- 형반도체 ( 전기전달체 : 전자 ) Si:Al-dopping p- 형반도체 ( 전기전달체 : 정공 (hole)) conduction band E F E F valence band n-type p-type
공유성 - 그물구조고체 불순물반도체 p-n 접합 (p-n junction): 다이오드, 트랜지스터, 태양전지등다양한응용성 발광다이오드 (LED)
중합고체 중합체, 고분자 (Polymer): 단위체 (monomer) 가반복결합되어생긴분자량이큰분자 polyester 생체고분자 : 단백질, DNA, 탄수화물
중합고체 중합체제조 참가중합반응 (condensation polymerization): 단위체에있는 결합을단위체들사이의 s 결합으로변환. 첨가중합체
중합고체 중합체제조 축합중합반응 (addition polymerization): 두분자가반응하여결합. 동시에작은분자가생긴다. 축합중합제 = 공중합체 (copolymer)
중합고체 중합체의구조와물리적특성 중합체는긴사슬이접혀서다양한 3 차원구조를갖는다. 그구조에따라특성이바뀐다. 결정도 (crystallinity): 정렬의정도
중합고체 중합체의구조와물리적특성 교차결합 (cross linking): 사슬사이의결합형성. 교차결합이많을수록중합체는더단단해진다. 가황반응 (valcunization)
나노물질 나노크기의반도체 나노 : 10-9 나노기술 (nano technology): 1 100 nm 에서조절 Cd 3 P 2 와같은반도체는입자의크기에따라다른파장의빛을발광또는흡수한다.( 띠간격변화 ) 양자점 (quantum dot): 지름 1-10 nm 광발광 (photoluminescence) Cd 3 P 2
나노물질 나노크기의금속 미세한입자의금속은큰입자의금속과다른성격을가진다. 샤르트르대성당 ( 프랑스 ) 스테인드글라스 금콜로이드 은콜로이드
나노물질 풀러렌, 탄소나노튜브, 그래핀 풀러렌 (fullerene) 탄소나노튜브 (carbon nanotube) 그래핀 (graphene) Buckminsterfullerene(C 60 ) 흑연 C 20, C 60, C 70, C 76, C 84 그래핀