금속 결합 물질이 전기를 잘 통하고 연성과 전성이 있는 이유가 궁금해요

Question

금속 원자들이 양이온 상태로 배열되어 있고 자유전자가 자유롭게 돌아다니는 금속 결합 모형이 어떻게 외부 충격에 부서지지 않고 늘어나거나 펴지는 성질(연성과 전성)을 만드는지 궁금합니다. 열전도율이 높은 이유도 알고 싶어요.

Answer 1

안녕하세요. 박재화 전문가입니다.

금속에서는 원자가 전자가 특정 원자에 묶이지 않고 결정 전체를 비교적 자유롭게 이동할 수 있어 전류가 잘 흐릅니다.

외부 힘을 받아 금속 원자층이 서로 조금 미끄러지더라도 자유전자가 계속 양이온들을 묶어 주기 때문에 결합이 쉽게 끊어지지는 않습니다. 그래서 금속은 깨지기보다는 길게 늘어나는 연성과 얇게 펴지는 전성 특성이 나타나는 것입니다. 반대로 세라믹처럼 방향성이 강한 결합은 원자층이 움직일 떄 결합이 쉽게 깨져 취성 파괴가 일어나기 쉬운 특징이 있습니다.

금속의 열전도율이 높은 것도 자유전자가 열에너지를 빠르게 받아 주변으로 전달하기 때문이고, 격자 진동도 함께 열을 전달하게 됩니다. 요약하면 금속의 높은 전기전도성, 연성, 전성, 열전도성은 자유전자가 결정 전체에 퍼져 움직이는 금속 결합의 특성과 깊게 관련있다고 보시면 되겠습니다.

Answer 2

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

금속에서는 원자가 전자가 특정 원자에 묶이지 않고 결정 전체에 퍼져 있어요. 전압을 걸면 이 자유전자들이 한 방향으로 흐르면서 전류가 되니 전기가 잘 통해요.

연성과 전성은 결합에 방향이 없어서 나타나요. 양이온 사이를 전자가 고르게 채우고 있으니, 원자층이 옆으로 한 칸 미끄러져도 전자가 곧바로 새 자리를 감싸 결합이 유지돼요. 이온 결정은 층이 한 칸만 밀려도 같은 전하끼리 마주 보며 밀어내서 깨져 버려요. 실제로는 층 전체가 한꺼번에 미끄러지지 않고, 전위라는 결정 속 어긋난 줄이 조금씩 이동하면서 변형이 일어나요. 미끄러질 수 있는 면과 방향이 많은 면심입방 구조의 금, 구리, 알루미늄이 특히 잘 늘어나서, 금은 0.1μm 두께의 금박까지 펼 수 있어요.

열전도도 자유전자가 맡아요. 뜨거운 쪽에서 운동에너지를 얻은 전자가 빠르게 움직이며 차가운 쪽으로 에너지를 나르고, 원자 진동으로 전달되는 몫이 여기에 더해져요. 그래서 전기를 잘 통하는 은과 구리가 열도 가장 잘 전하고, 전기 전도도와 열전도도가 비례하는 관계를 비데만-프란츠 법칙이라고 해요 :)

Answer 3

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

금속 결합 물질은 원자들이 전자를 내놓아 형성된 양이온과 이들 사이를 자유롭게 이동하는 자유전자가 존재하여 전기를 매우 잘 통합니다 또한 열을 가했을 때 에너지를 얻은 자유전자가 빠르게 움직이며 전체 구조로 열을 신속하게 전달하므로 열전도율이 높습니다 외부에서 물리적 충격이 가해지면 금속 양이온 층이 밀리면서 상대적인 위치가 쉽게 바뀌게 됩니다 이때 자유전자가 즉시 이동하여 양이온들 사이의 공간을 채우고 정전기적 인력을 유지해 주기 때문에 동종 전하 간의 반발로 인해 부서지는 현상이 방지됩니다 이 독특한 구조 덕분에 금속은 충격을 받아도 결합이 깨지지 않고 실처럼 길게 늘어나는 연성과 얇게 펴지는 전성을 가지게 됩니다

Answer 4

안녕하세요. 최정훈 전문가입니다.

금속은 양이온들 사이에 자유전자들이 자유롭게 돌아다니고 있습니다. 왜냐하면은 이 전자들이 전체를 단단하게 잡아주는 끈끈히 역할을 하기 때문이죠. 그래서 충격을 받는다고 하더라도 쉽게 부서지지 않고 잘 늘어나는 겁니다.

거기다가 이 전자들이 마음대로 움직일 수가 있어서 전기도 잘 통하고 열도 빠르게 전달이 됩니다. 그래서 한쪽만 데운다고 하더라도 금방 전체가 뜨거워지는 거죠.

Answer 5

안녕하세요. 강세훈 전문가입니다.

금속 결합은 방향성이 없고, 양이온 사이를 자유전자가 항상 채워주기 때문에, 충격이 와도

결합이 깨지는 대신 양이온이 미끄러지면서 연성과 전성이 나타난답니다. 열전도율이 높은 것은 자유전자가 열에너지를 빠르게 운반하기 때문입니다.