안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
이온결합 물질이 고체 상태에서 규칙적인 격자 구조를 이루는 이유는 전체 시스템의 정전기적 위치 에너지를 최소화하여 에너지가 가장 안정한 상태를 만들기 위해서입니다. 양이온과 음이온이 무작위로 뭉치거나 1:1 쌍으로 존재하는 것보다 규칙적인 3차원 격자를 형성할 때 훨씬 더 안정하기 때문입니다.
3차원 공간에서 양이온과 음이온이 번갈아 배열되면, 이온 하나는 자신과 반대 전하를 띤 여러 이온에 가장 가까이 둘러싸이게 되는, 반면 같은 전하를 띤 이온들은 상대적으로 더 먼 거리에 위치하게 되어 가까운 거리의 강한 인력이 먼 거리의 약한 반발력을 압도하여 전체적으로 강한 결합력을 얻게 됩니다. 이온들이 규칙적인 결정 격자를 형성할 때 방출되는 에너지를 격자 에너지라고 합니다. 모든 이온 사이의 인력과 반발력을 합산하면, 단일 이온 쌍 형태나 불규칙한 집합체 형태보다 3차원 정규 격자일 때 전체 위치 에너지가 가장 크게 감소하여 안정적입니다. 그리고 양이온과 음이온의 크기 비율에 따라 인력을 극대화할 수 있는 최적의 배치가 결정됩니다. 예를 들어 염화나트륨은 나트륨 이온과 염화 이온의 크기비에 따라 하나의 나트륨 이온 주변에 6개의 염화 이온이, 하나의 염화 이온 주변에 6개의 나트륨 이온이 접하는 6:6 배위 구조를 이룹니다. 이 배치가 같은 전하끼리의 충돌을 피하면서 반대 전하와의 접촉면을 가장 넓히는 기하학적 최적 상태입니다.