금속 결정은 모양이 변하면서도 결합이 유지되어 연성(뽑힘성)과 전성(펴짐성)을 나타내는 이유가 무엇인가요?

Question

외부에서 힘을 가했을 때 이온 결정은 쉽게 부서지는 반면, 금속 결정은 모양이 변하면서도 결합이 유지되어 연성(뽑힘성)과 전성(펴짐성)을 나타내는 이유가 무엇인가요?

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

이온 결정과 금속 결정이 외부 충격에 다르게 반응하는 이유는 결합을 유지하는 방식의 차이에 있습니다.

​이온 결정은 플러스 전하를 띤 양이온과 마이너스 전하를 띤 음이온이 정전기적 인력에 의해 교대로 규칙적으로 배열된 구조입니다. 여기에 외부에서 강한 힘을 가하면 이온 층이 살짝 밀려나게 되는데, 이때 같은 전하를 가진 이온끼리 서로 마주 보는 상황이 발생합니다. 양이온은 양이온끼리, 음이온은 음이온끼리 마주치면 서로 밀어내는 강한 반발력이 작용하게 되고, 이 힘으로 인해 결합이 순식간에 끊어지면서 결정이 층을 따라 쉽게 쪼개지거나 부서지게 됩니다.

​반면 금속 결정은 자유 전자가 금속 양이온 사이를 자유롭게 이동하며 결합을 유지하는 구조입니다. 외부에서 힘을 가해 금속 양이온들의 배열이 밀려나거나 위치가 변하더라도, 그 사이를 흐르는 자유 전자들이 변한 위치에 맞춰 즉각적으로 이동하며 양이온들을 다시 붙잡아줍니다. 즉, 이온 결정처럼 같은 전하끼리 마주쳐 반발력이 생기는 것이 아니라, 자유 전자가 유연하게 움직이며 정전기적 인력을 계속 유지하기 때문에 결합이 끊어지지 않습니다.

​이러한 특성 덕분에 금속은 형태가 변형되어도 전체적인 결합의 안정성이 유지됩니다. 결과적으로 금속은 힘을 가했을 때 얇게 펴지는 전성이나 가늘고 길게 뽑히는 연성을 나타낼 수 있으며, 이는 금속이 다양한 산업 분야에서 가공되어 쓰일 수 있는 핵심적인 물리적 이유가 됩니다.

Answer 2

안녕하세요.

금속 결정이 외부 힘을 받아도 쉽게 깨지지 않고 늘어나거나 펴질 수 있는 이유는 금속 결합의 성질이 비방향성이고, 전자들이 전체 격자에 퍼져 있기 때문입니다. 반면에 말씀해주신 것처럼 이온 결정은 양이온과 음이온이 규칙적으로 교대로 배열된 구조라서 층이 조금만 어긋나도 강한 반발력이 생겨 쉽게 깨집니다. 금속 결정에서 금속 원자들은 바깥 전자를 비교적 느슨하게 내놓고, 이 전자들은 결정 전체에 퍼져 있는 자유 전자 구름을 형성합니다. 그 사이에 양전하 성격을 띠는 금속 이온핵들이 규칙적으로 배열되어 있는데요, 이때 금속 이온핵과 자유 전자 사이의 정전기적 인력이 결정 전체를 붙잡아 줍니다. 이때 이 결합이 고정된 형태가 아니다 보니, 어느 한 층이 옆으로 미끄러져도 전자 구름이 새로운 위치에서도 즉시 전체를 감싸며 결합을 계속 유지할 수 있습니다.

그래서 망치로 두드리면 원자층들이 서로 미끄러지며 재배열되고, 금속은 얇은 판으로 펴지는 전성을 갖습니다. 또한 잡아당기면 층들이 연속적으로 이동하면서 길게 늘어나 철사처럼 뽑힐 수 있는데, 이것이 연성입니다. 반대로 이온 결정에서는 이온결합으로 양이온과 음이온이 번갈아 배열되어 있기 때문에 평소에는 서로 다른 전하끼리 끌어당겨 안정하지만, 외부 힘으로 층이 조금 밀리면 원래 마주보던 배열이 어긋나면서 같은 전하끼리 나란히 마주보는 구간이 생깁니다. 그러면 양이온-양이온, 음이온-음이온 사이의 강한 반발력이 순간적으로 커져 결정이 갈라지고 깨지는 것입니다. 감사합니다.