화학 고2 물질의 구조와 성질

금속 결합

Q: 금속 결합은 이온 결합과 어떻게 다른가요?

이온 결합에는 음이온이 있지만 금속 결합에는 음이온이 없습니다. (-)를 담당하는 것은 특정 자리에 고정된 음이온이 아니라 금속 전체에 퍼진 자유 전자입니다. 그래서 이온 결정은 부서지고 금속은 펴집니다.

금속 양이온과 자유 전자 사이의 인력으로 이루어지는 결합으로, 전기 전도성과 연성·전성을 설명한다.

금속 양이온들이 규칙적으로 늘어서고, 그 사이를 자유롭게 돌아다니는 전자들이 양이온 전체를 끌어당겨 붙잡아 두는 결합입니다.

양이온이라는 구슬들을 전자라는 접착제 바다에 담가 놓은 모습입니다. 구슬 사이의 짝이 정해져 있지 않으니, 밀어도 구슬이 자리만 바꿀 뿐 접착제가 계속 붙잡아 줍니다.

쉽게 말하면

금속 원자는 바깥 전자를 붙잡는 힘이 약합니다. 금속 원자들이 잔뜩 모이면 각자의 원자가 전자가 특정 원자를 떠나 금속 덩어리 전체를 자유롭게 돌아다니게 되는데, 이것을 자유 전자라고 합니다. 남은 것은 금속 양이온이고, 자유 전자가 이 양이온들 사이를 메우면서 모두를 동시에 끌어당깁니다. 이 인력이 금속 결합입니다.

중요한 것은 결합에 방향도 짝도 없다는 점입니다. 공유 결합은 '이 원자와 저 원자'가 짝을 지어 특정 방향으로 묶이고, 이온 결합은 $+$ 와 $-$ 가 정해진 자리에 있어야 합니다. 금속 결합에서는 양이온이 자리를 바꿔도 자유 전자가 따라와 그대로 붙잡아 줍니다.

금속의 성질은 전부 이 그림에서 나옵니다. 자유 전자가 전하를 나르므로 전기가 잘 통하고, 열도 잘 전달합니다. 두들기면 부서지지 않고 얇게 펴지고(전성), 길게 늘어납니다(연성). 표면의 자유 전자가 빛을 흡수했다가 곧바로 되쏘아서 금속 광택이 납니다.

결합의 세기는 내놓은 자유 전자의 수와 양이온의 전하로 정해집니다. 나트륨( $+ 1$ )보다 마그네슘( $+ 2$ ), 그보다 알루미늄( $+ 3$ )이 더 단단하고 녹는점이 높은 것이 그 때문입니다. 지구 외핵이 액체 금속이면서도 전류를 흘려 자기장을 만드는 것도 자유 전자 덕분입니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

망치로 두들겼을 때 — 금속과 소금의 갈림길

이온 결정을 두들기면 $+$ 끼리 마주쳐 반발하며 쪼개집니다. 금속을 두들기면 양이온 층이 미끄러지지만 자유 전자가 함께 따라 움직여 결합이 유지되므로, 부서지지 않고 얇게 펴집니다. 금박을 만들 수 있는 이유입니다.
예시 2

구리선에 전류가 흐를 때

전지를 연결하면 자유 전자가 한쪽으로 밀려 흐릅니다. 이때 구리 양이온은 제자리에서 진동만 할 뿐 이동하지 않습니다. 소금물에서는 이온이 직접 움직이지만, 금속에서는 전자만 움직입니다.
예시 3

$Na$ · $Mg$ · $Al$ 의 녹는점

원자당 내놓는 자유 전자가 각각 1개, 2개, 3개이고 양이온 전하도 $+ 1$ , $+ 2$ , $+ 3$ 으로 커집니다. 전자와 양이온 사이의 인력이 세지므로 이 순서로 단단해지고 녹는점이 올라갑니다.

자주 하는 오해

금속 덩어리가

(+)

전하를 띤다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움금속은 양이온으로 이루어져 있으니 전체가

(+)

이다

실제로는빠져나간 전자가 그 안에 그대로 있습니다. 양이온의

(+)

총량과 자유 전자의

(-)

총량이 같으므로 금속 전체는 중성입니다.

'자유 전자'라는 말이 전자가 밖으로 도망갔다는 인상을 주지만, 전자는 금속을 떠난 것이 아니라 특정 원자를 떠난 것뿐입니다. 이 점을 놓치면 왜 금속이 전기를 띠지 않은 채로 전기를 잘 통하는지가 이해되지 않습니다.

온도를 올리면 금속이 전기를 더 잘 통할 것이라고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움온도가 높으면 전자가 활발해지니 전기 전도성이 좋아진다

실제로는금속은 온도가 올라가면 오히려 전기 전도성이 나빠집니다.

금속에서 전하를 나르는 자유 전자는 이미 충분히 많습니다. 온도가 올라가면 전자가 늘어나는 게 아니라 금속 양이온의 진동이 커져서, 지나가던 전자가 더 자주 부딪히고 방해받습니다. 온도가 오를수록 전도성이 좋아지는 것은 전하 운반체 자체가 늘어나는 반도체 이야기입니다.