금속 결합

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12.4 금속 결합

금속 원소에서 결합 메커니즘이 급격하게 바뀌는 이유는 금속의 원자가 전자 가 편재화 된 전자쌍 결합을 형성할 수 있을 만큼 충분하지 못 해, 부족함을 보상하기 위하여 조밀 쌓임 구조로 비편재화 된 전자의 공유가 일어난다.

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금속의 특성을 설명하는 모형

① 전자 바다 모형 (electron sea model)

→ 열∙전기 전도도, 연성, 전성 설명

② 분자 오비탈 모형 (molecular orbital model)

→ 끓는점, 용융열, 경도 설명

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금속 결합

금속을 원자가 전자의 바다 (sea) 에 떠 있는 금속 양이온의 배열로 기술

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분자 오비탈 모형

같은 주기의 전이 금속 계열에서 중앙의 원소들의 녹는점이 가장 높다. 즉, 금속 결합의 세기가 원자가 전자수가 증가할 수록 증가하다가 다시 감소한다.

→ 전자 바다 모형에 의하면 금속 원자간 결합 세기 는 원자가 전자의 수에 비례해야 하므로 모순.

∴ MO를 이용한 설명

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분자 오비탈 모형

나열된 원자의 개수가 많아질 수록 MO간의 차이 가 무시될 정도로 작은 MO들이 존재하게 되며, 허용된 에너지 상태가 연속적인 띠(band) 가 된다.

전자의 수가 점점 증가해 반결합성 MO 를 채우게 되면 결합의 세기가 약해진다.

→ 그림 12. 21의 경향성 설명 가능

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12.5 이온성 고체 (ionic solid)

양이온과 음이온 사이의 정전기적 인력, 즉 이온 결합으로 붙 들려있다. 이온 결합의 세기는 이온의 전하와 크기에 의존한다.

이온성 고체의 특징-

•

높은 녹는점, 끓는점

• 금속과 달리 음이온에 전자들이 편재 ∴

전기 부도체

•

쪼개지는 성질

∵ 같은 전하의 이온간 반발력

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이온성 고체의 구조

양이온-음이온 사이는 이온 반지름이 허용하는 한 가까이, 음이온-음이온

∙양이온-양이온 사이는 최대가 되는 배열이 가장 바람직한 구조

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이온성 고체의 구조

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이온성 고체의 구조

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12.6 분자성 고체 (molecular solid)

쌍극자-쌍극자 힘, London 분산력, 수소 결합과 같은 분자간 힘으로 결합 된 원자나 분자로 구성된 고체. 분자간 힘은 약하므로 분자성 고체는 무르 고 녹는점이 상대적으로 낮다.

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12.7 공유성-그물구조 고체

공유성-그물구조 고체 (covalent-network solid) 는 공유 결합에 의해 형 성된 커다란 그물구조에 서로 붙들려 있는 원자들로 이루어져 있다.

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반도체 (semiconductor)

금속과는 달리 채워진 오비탈과 채워지지 않은 오비탈 사이의 에너지 간격이 결합 오 비탈과 반결합 오비탈 사이의 에너지 간격 처럼 전개된다.

•

원자가띠 (valence band)

: 결합성 분 자 오비탈로부터 형성된 띠

•

전도띠 (conduction band)

: 반결합 성 분자 오비탈로부터 형성된 띠

•

띠간격 (band gap, E

^g

)

: 두 띠 사이의 에너지 차이

•

절연체 (insulator)

: 띠간격이 3.5eV 이 상인 물질, 전기를 전도하지 않음

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13

반도체 (semiconductor)

•

원소 반도체 (elemental semiconductor)

: 한 개의 원소로 구성

•

화합물 반도체 (compound semiconductor)

: 두 개 이상의 원소로 구성

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불순물 반도체

• 도핑 (doping)

• n-형 반도체 (n-type semiconductor)

• p-형 반도체 (p-type semiconductor) 반도체에 원자가전자보다 많거나 (n-type) 적은(p-type) 불순물 원 자를 소량 포함시키면 전기 전도 도가 달라진다.

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15

12.8 중합체 (polymer)

분자량이 작은 단위체 (monomer)의 중합에 의해 형성된 분자량이 큰 물질

• 플라스틱 (plastic) : 일반적으로 열과 압력을 가해 다양한 형태를 만들 수 있는 물질.

• 열가소성 (thermoplastic) 물질 : 열로 재가공 가능

• 열경화성 플라스틱 (thermosetting plastic) : 비가역적인 화학적 공정으 로 재가공 불가능

• 탄성체 (elastomer) : 탄성을 나타내는 물질

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16

중합체 제조

첨가 중합 반응 (addition polymerization)

: 단위체에 있는 이중결 합이 열리고 다른 단위체 분자와 새로운 탄소-탄소 단일 결합을 형성

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중합체 제조

축합 중합 반응 (condensation polymerization)

: H₂O같은 작은 분 자가 제거되면서 두 개의 분자가 결합하는 것

공중합체(copolymer) : 두 개의 다른 단위체로부터 형성된 중합체

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중합체의 구조와 물리적 특성

결정도 (crystallinity)

: 고체의 어떤 영역에서 사슬들이 짧은 거리의 규 칙적인 정렬을 할 때, 이와 같은 정렬의 정도. 결정도가 클수록 ① 밀집도는 커지고 ② 더 단단해지며, ③ 용해도는 작아지고 ④ 내열성은 강해진다.

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중합체의 구조와 물리적 특성

교차결합 (cross linking)

: 사슬 사이의 결합 형성, 중합체를 더 단단하 게 만들 수 있다. Ex) 가황 반응 (vulcanization)

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중합체의 구조와 물리적 특성

대부분의 고분자는 비편재화된 파이 전자가 없어지므로 전기 절연체에 무색이다. 그러 나 중합체의 골격이 공명구조를 가지면 전 자들이 긴 거리에 걸쳐 비편재화 되어 반도 체의 거동이 나타날 수 있다.

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12.9 나노물질 (nanomaterial)

크기가 다른 반도체 입자들은 두 밴드 사이의 에너지 차이에 따라 다른 파 장의 빛을 방사할 수 있다.

: 접두사 나노(nano) 는 10^－9을 의미

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나노크기의 탄소

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끝

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