2 장원자결합과물성 배워야할주요내용 원자결합의근원은무엇인가? 어떤원자결합이있는가? 각각의원자결합은재료로하여금어떤성질을나타내게하는가? 1
원자의구조 : 원자핵 ( 양성자 + 중성자 )+ 전자 최외각의원자가전자 (Valence electrons) 가재료의성질을좌우한다!!! 1) 화학적 2) 전기적 3) 열적 4) 광학적 2
전자구조 (electronic structure) 전자는파동과입자의성질을동시에가진다! 전자는궤도 (orbital) 내를돌고있으며, 위치와에너지를통계적으로예측할수있으나동시에 알수는없다 ( 불확정성원리 ). 각궤도 (orbital) 의에너지는단속적인값을갖고양자수 (quantum numbers) 로표현할수있다. 양자수 n = principal (energy level-shell) 표기 K, L, M, N, O (1, 2, 3, etc.) l = subsidiary (orbitals) s, p, d, f (0, 1, 2, 3,, n-1) m l = magnetic m s = spin ½, -½ 1, 3, 5, 7 (-l to +l) 3
전자의에너지상태 (1) 전자들은단속적인에너지상태를갖고있으며, (2) 가장낮은에너지를점유하려고한다. 4d 4p N-shell n = 4 3d 4s Energy 3p M-shell n = 3 3s 2p 2s L-shell n = 2 Adapted from Fig. 2.4, Callister 7e. 1s K-shell n = 1 4
원소들의전자배위 (electron configuration) 대부분원소들의전자배위는불안정하다! 즉, 최외각 (outer shell) 이완전히채워지지않았다. 원소 Hydrogen Helium Lithium Beryllium Boron Carbon... Neon Sodium Magnesium Aluminum... Argon... Krypton 원자번호 1 2 3 4 5 6 10 11 12 13 18... 36 전자배위 1s 1 1s 2 1s 2 2s 1 1s 2 2s 2 1s 2 2s 2 2p 1 1s 2 2s 2 2p 2... (stable) 1s 2 2s 2 2p 6 (stable) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1... 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 (stable)... 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 (stable) Adapted from Table 2.2, Callister 7e. 5
원자가전자 (valence electrons) 완전히채워지지않은최외각의원자가전자들 (valence electrons), 즉, 불안정한전자들이 1 원자결합에참여하는전자이고, 2 물성을결정한다. 예 : 탄소 (C, 원자번호 6 번 ) 1s 2 2s 2 2p 2 valence electrons 예 : 철 (Fe, 26 번 ) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 6
주기율표 (The Periodic Table) 같은족의원소들은최외각의전자배위가유사!! 비슷한특성 give up 1e give up 2e give up 3e H Li Be Na Mg K Ca Sc accept 2e accept 1e inert gases O S Se F Cl Br He Ne Ar Kr Adapted from Fig. 2.6, Callister 7e. Rb Sr Y Te I Xe Cs Ba Po At Rn Fr Ra Electropositive elements: Readily give up electrons to become + ions. Electronegative elements: Readily acquire electrons to become - ions. 7
전기음성도 (Electronegativity) 전기음성도값의범위 = 0.7 ~ 4.0, 전기음성도가크다 = 전자를받아음이온이되기쉽다 Smaller electronegativity Larger electronegativity 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. 8
양이온과음이온간의결합 중성인원자가전자를내놓아양이온이되고, 전자를받아음이온이되는과정이필요 전기음성도차이가큰원소간의결합 예 : NaCl 이온결합 (Ionic Bonding) Na ( 금속 ) 불안정 electron Cl ( 비금속 ) 불안정 Na ( 양이온 ) 안정 + - Coulombic Attraction Cl ( 음이온 ) 안정 9
Adapted from Fig. 2.8, Callister 7e. 10
이온결합의포텐셜우물 (Potential Well) 곡선 에너지는최소일때가가장안정 즉, 인력과척력이균형을이룰때가가장안정 A E N = E A + E R = - - r B n r 척력 (Repulsive) energy E R Interatomic separation r 순수 (Net) energy E N Adapted from Fig. 2.8(b), Callister 7e. 인력 (Attractive) energy E A 11
공유결합 (Covalent Bonding) 비슷한전기음성도 (electronegativity) 를갖는원소들끼리전자를공유하며일어나는결합 s 궤도 (orbital) 와 p 궤도의원자가전자들 (valence electrons) 의공유에의해결합 Example: CH 4 C: 4 개의원자가전자, 최외각을채우기위해 4 개의전자가필요 H: 1 개의원자가전자, 최외각을채우기위해 1 개의전자가필요 CH 4 전기음성도가비슷하다. C: 2.5 / H: 2.1 Adapted from Fig. 2.10, Callister 7e. H H C H H 탄소원자로부터공유된전자 수소원자로부터공유된전자 12
금속결합 (Metallic Bonding) 순수금속원소들의결합으로극단적인형태의공유결합 즉, 모든원자들이최외각전자들을내어놓아 (+) 의이온코어를형성하고 ( 원자가전자의바다를형성 ), 내어놓은전자들을공유 13
1 차결합 (Primary Bonding) 금속결합 -- 비편재화된전자운 (delocalized electron cloud) 에의한결합 이온-공유혼합결합 % 이온결합성 = 1 e (X A X B ) 4 x (100%) 여기서 X A 와 X B 는 A 와 B 원소의전기음성도 예 : MgO X Mg = 1.3 X O = 3.5 2 (3.5 4 % 이온결합성 = 1 e 1.3) 2 x (100%) = 70.2% ionic 14
2 차결합 (Secondary Bonding) 쌍극자 (dipoles) 간의상호작용에의한결합 비극성분자의전자요동 (fluctuation) 에의한쌍극자형성 asymmetric electron ex: liquid H2 clouds H2 H2 + - + - secondary 극성분자의영구쌍극자 (permanent dipoles) -general case: -ex: liquid HCl bonding H H Adapted from Fig. 2.13, Callister 7e. secondary + - + - bonding secondary H Cl H Cl bonding H secondary bonding H Adapted from Fig. 2.14, Callister 7e. -ex: polymer secondary bonding 15
종류 원자결합별특징 결합에너지 특기사항 이온 크다 비방향성 (ceramics) 공유 금속 이차 다양하다강한결합 -Diamond 약한결합 -Bismuth 다양하다강한결합 -Tungsten 약한결합 -Mercury 매우작다 방향성 ( 반도체, ceramics polymer chains) 비방향성 (metals) 방향성 inter-chain (polymer) inter-molecular 16
원자결합과물성 : 융점 (T m ) 결합길이, r 융점, T m r Energy 결합에너지, E o Energy r o smaller T m r unstretched length r o E o = r 결합에너지 bond energy larger T m 결합에너지 E o 가크면융점 T m 도높다. 17
t03_02_pg28 Adapted from Callister 7e. 18
원자결합과물성 : 열팽창계수 (α) 열팽창계수 Coefficient of thermal expansion, α length, Lo coeff. thermal expansion unheated, T1 heated, T2 L L Lo = α (T 2 -T 1 ) α ~ symmetry at r o Energy E unstretched length r o smaller α r 결합에너지 E o 가작으면열팽창계수 a 가크다. o E larger α o 19
1 차결합재료들의물성 세라믹스 ( 이온결합과공유결합 ): 금속 ( 금속결합 ): 큰결합에너지높은융점 T m 큰탄성율 E 작은열팽창계수 a 다양한결합에너지중간정도의융점 T m 중간정도의탄성율 E 중간정도의열팽창계수 a 고분자 ( 공유결합과이차결합 ): 방향에따라차이가큰물성이차결합이지배적낮은융점 T m 작은탄성율 E 큰열팽창계수 a 20