화학 고2 물질의 구조와 성질 심화

자유 전자 모형

금속에서 원자가 전자들이 특정 원자에 속하지 않고 전체 금속 격자를 자유롭게 이동하는 모형. 전기·열 전도성, 금속 광택, 연성·전성을 설명한다.

금속에서 원자가 전자가 특정 원자에 묶이지 않고 금속 전체를 자유롭게 돌아다닌다고 보는 모형으로, 흔히 '전자 바다'라고 부릅니다.

금속 양이온들이 규칙적으로 놓인 격자를 바다 밑 바위라고 하면, 원자가 전자는 그 위를 자유롭게 흐르는 바닷물입니다. 바위는 제자리에 있고 물만 흐릅니다.

쉽게 말하면

금속 결합은 공유 결합처럼 두 원자 사이에 전자쌍을 두는 방식도, 이온 결합처럼 전자를 완전히 넘겨주는 방식도 아닙니다. 금속 원자들은 원자가 전자를 모두 내놓아 공용으로 만들고, 남은 양이온들이 그 전자 바다에 잠긴 채 서로를 붙들고 있습니다.

결정적인 점은 이 전자들이 어느 특정 원자에도 속하지 않는다는 것입니다. 이 하나의 사실에서 금속의 성질이 전부 따라 나옵니다.

전기 전도성: 전압을 걸면 이미 자유롭게 돌아다니던 전자들이 한 방향으로 흐르기만 하면 됩니다. 결합을 끊을 필요도, 이온이 이동할 필요도 없습니다. 그래서 고체 상태에서도 즉시 전기가 통합니다.

열 전도성: 한쪽을 가열하면 그쪽 자유 전자가 빠르게 움직이며 반대쪽까지 순식간에 에너지를 실어 나릅니다. 금속 숟가락을 뜨거운 국에 담그면 손잡이까지 금방 뜨거워지는 이유입니다.

금속 광택: 자유 전자가 들어오는 빛을 흡수했다가 곧바로 같은 진동수로 되쏩니다. 그래서 표면이 거울처럼 반짝입니다.

연성과 전성: 두들겨서 금속 층을 밀어도 전자 바다가 함께 흘러가 새 위치에서 다시 양이온들을 붙잡습니다. 결합이 특정 방향을 향하지 않으므로 모양이 바뀌어도 깨지지 않습니다. 반면 이온 결정은 층이 밀리는 순간 같은 부호의 이온끼리 마주 보게 되어 서로 밀어내며 쪼개집니다. 금속은 늘어나고 소금은 부서지는 차이가 여기서 갈립니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

금박은 얼마나 얇게 펼 수 있는가

금은 두들기면 빛이 비칠 만큼 얇게 펴집니다. 층을 아무리 밀어도 자유 전자가 따라 흘러 새 자리에서 다시 결합을 이루기 때문입니다. 같은 힘을 소금 결정에 가하면 층이 어긋나는 순간 같은 부호 이온이 마주쳐 튕겨 나가며 쪼개집니다.
예시 2

고체 소금은 전기가 안 통하는데 금속은 통한다

소금에서 전하를 나를 수 있는 것은 이온인데, 고체에서는 이온이 격자에 붙박여 움직이지 못합니다. 그래서 고체 소금은 부도체입니다. 녹이거나 물에 녹여 이온이 움직일 수 있게 되면 그때 전기가 통합니다. 금속은 애초에 움직일 수 있는 전자가 준비되어 있어 고체 그대로 통합니다.
예시 3

금속은 뜨거워지면 전기가 잘 안 통한다

온도를 올리면 격자의 양이온들이 더 심하게 진동합니다. 흐르던 전자들이 이 진동에 자꾸 부딪혀 방해받으므로 전기 저항이 커집니다. 반도체가 뜨거워질수록 오히려 잘 통하는 것과 정반대인데, 전하를 나르는 방식 자체가 다르기 때문입니다.

금속 결정과 이온 결정

구분	금속 결정	이온 결정
전하를 나르는 것	자유 전자	이온(고체에서는 못 움직임)
고체 상태 전기 전도	잘 통함	통하지 않음
액체 상태 전기 전도	잘 통함	통함
힘을 가하면	늘어나고 펴짐(연성·전성)	쪼개짐(깨짐)
왜	전자 바다가 따라 흘러 결합 유지	층이 밀리면 같은 부호 이온끼리 반발

자주 하는 오해

자유 전자가 금속을 빠져나간 것으로 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움금속은 원자가 전자를 다 잃은 양이온 덩어리이므로 전체가 (+)를 띤다

실제로는전자는 금속 밖으로 나간 것이 아니라 금속 안을 자유롭게 돌아다니고 있습니다. 금속 전체는 전기적으로 중성입니다.

'자유'라는 말은 '탈출했다'가 아니라 '특정 원자에 묶이지 않았다'는 뜻입니다. 전자는 여전히 금속 안에 있고, 양이온의 총 양전하와 자유 전자의 총 음전하가 정확히 상쇄됩니다. 만약 정말 전자가 빠져나갔다면 금속 덩어리가 서로 밀어내며 흩어졌을 것입니다.

금속이 전기를 통하는 이유를 이온의 이동으로 설명하기

이렇게 생각하기 쉬움금속에 전압을 걸면 금속 양이온이 (−)극 쪽으로 이동하면서 전류가 흐른다

실제로는양이온은 격자 자리에 그대로 있고, 움직이는 것은 자유 전자뿐입니다.

금속 양이온은 규칙적인 격자에 단단히 박혀 있어 제자리에서 진동만 합니다. 만약 이온이 실제로 이동한다면 전류를 흘릴 때마다 금속의 모양이나 조성이 변해야 하는데, 구리선에 전기를 아무리 흘려도 구리가 한쪽으로 쌓이지 않습니다. 전해질 용액에서 이온이 이동하는 것과 금속에서 전자가 이동하는 것을 구별해야 합니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

금속 결합고2

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

없음 — 이 개념이 마지막입니다

같은 단원의 개념 — 물질의 구조와 성질

자주 묻는 질문

Q1자유 전자 모형으로 설명되지 않는 것도 있나요?

있습니다. 왜 어떤 물질은 금속이고 어떤 물질은 반도체나 절연체인지, 금속마다 전도도가 왜 다른지는 이 모형만으로 충분히 설명되지 않습니다. 그런 질문에는 전자의 에너지 준위가 띠를 이룬다고 보는 더 정교한 모형이 필요합니다. 자유 전자 모형은 금속의 대표적인 성질을 직관적으로 설명하는 첫 번째 그림입니다.

Q2금속의 광택은 왜 색이 다른가요?

대부분의 금속은 모든 색의 빛을 고르게 되쏘아 은백색으로 보입니다. 구리나 금처럼 특정 파장의 빛을 조금 더 흡수하는 금속은 나머지 빛만 되쏘게 되어 붉거나 노란빛을 띱니다.

Q3자유 전자가 많을수록 전기가 더 잘 통하나요?

대체로 그렇지만 전자의 개수만으로 정해지지는 않습니다. 전자가 격자에 얼마나 방해받지 않고 흐를 수 있는지도 중요합니다. 그래서 원자가 전자가 더 많은 금속이 반드시 더 좋은 도체인 것은 아닙니다.

교육과정 2022 개정 · 고2 화학 · 물질의 구조와 성질 수록 심화 (교육과정 밖 확장 개념)

출처 교육부 고시 제2022-33호 (2022 개정 교육과정) · NCIC 국가교육과정정보센터

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금속 결합의 세기를 이온 결합과 비교하려면 격자 에너지를 보고, 전자가 특정 원자에 갇히지 않는다는 발상을 분자로 옮기면 분자 오비탈 이론이 됩니다.

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