2차 결합, 결정 구조

지난 시간에는 1차 결합에 대해 알아보았다. 이번 시간에는 2차 결합에 대해 알아보자.

2차 결합, 반 데르 발스 결합 또는 물리적 결합은 1차 혹은 화학적 결합에 비해 약하다. 결합 에너지는 보통 10kJ/mol 정도이다. 2차 결합은 실제로 모든 원자와 분자 사이에 존재한다. 그러나 이러한 결합의 효과는 전술한 세 종류의 1차 결합이 함께 존재할 때는 가려진다. 2차 결합은 안정된 전자 배위를 갖고 있는 불활성 기체나 공유 결합의 분자와 분자 사이에서 볼 수 있다. 2차 결합력은 원자나 분자의 쌍극자에서 나온다. 원자나 분자에서 양전하와 음전하가 근접하게 분리 위치할 때는 언제나 전기적 쌍극자가 존재하게 된다. 결합은 한 쌍극자의 양전하 끝 부위와 인접한 쌍극자의 음전하 끝 부위 사이에 작용하는 쿨롱 인력에 기인한다. 쌍극자 간 상호작용은 유도 쌍극자들 사이에, 유도 쌍극자와 영구 쌍극자를 가진 극성분자들 사이에, 또는 극성 분자들 사이에 존재한다. 수소 결합은 2차 결합의 특수한 형태로, 수소 원자를 구성 원소로 갖는 분자들 중에서 발견된다.

원자나 분자 내에 생성되거나 유도되는 쌍극자는 일반적으로 전기적으로 대칭성이 있다. 즉, 전체적인 전자의 위치 분포는 양전하의 핵에 대해 대칭적이다. 모든 원자들은 계속적인 진동을 하며, 이때 순간적이거나 단기적으로 전기 대칭이 깨지게 되고, 작은 전기 쌍극자가 생기게 된다. 이러한 쌍극자는 다시 인접한 분자나 원자의 전자 배치를 이동시켜, 다시 쌍극자를 생성하고 이들은 서로 약하게 결합하게 된다. 이러한 기구는 반 데르 발스 결합의 한 종류이다. 이러한 인력은 많은 수의 원자나 분자 간에 존재하게 되는데, 이러한 힘은 일시적이며 시간에 따라 진동하게 된다. 액상화 현상이나 불활성 기체, H2나 Cl2 등의 대칭성 분자의 응고 현상은 이러한 결합에 의해 이루어진다. 쌍극자 결합이 지배적인 재료의 용융 및 비등 온도는 극히 낮으며, 분자 간에 가능한 결합 중에서 가장 약하다.

어떤 분자에서는 비대칭적인 양극과 음극 영역 분포에 의해 영구적인 쌍극자 모멘트가 존재한다. 이러한 분자를 극성 분자라고 부른다. 영구 쌍극자 모멘트는 HCl 분자의 수소와 염소 끝에 존재하는 순 양극과 음극 전하 사이에 존재한다. 극성 분자는 인접한 비극성 분자에서 쌍극자를 유도할 수 있고, 이 두 분자 간에 인력을 만들어 낼 수 있다. 더구나 이러한 결합의 세기는 진동 유도 쌍극자에 비해 크다.

반 데르 발스 힘은 또한 인접한 두 극성 분자 사이에 존재한다. 이러한 결합 에너지는 유도 쌍극자에 의해 만들어진 결합에 비해 상당히 크다. 2차 결합 중 가장 강한 결합력을 갖는 수소 결합은 극성 분자 결합의 특수한 경우이다. 이는 수소가 불소, 산소, 질소와 공유 결합하는 분자 간에 존재한다. H-F, H-O, H-N 결합에서 수소 전자는 다른 원자와 공유한다. 따라서 결합의 수소 원자 부위는 전자에 의해 차폐되어 있지 않은 양자에 의해 양극성을 갖는다. 이러한 분자의 강한 양극성을 갖는 한쪽 끝은 인접 분자의 음극성 끝과 인력을 가지게 된다. 근원적으로 양자는 두 음극성의 원자 사이에 다리 역할을 한다고 볼 수 있다. 수소 결합의 강도는 다른 종류의 2차 결합에 비해 통상적으로 크고, 51kJ/mol까지 커질 수 있다. 불화수소의 용융 및 비등 온도는 수소 결합에 의해 낮은 분자량에 비추어 볼 때 극히 높다고 할 수 있다.

분자는 강한 1차 결합에 의해 결집된 원자군으로 생각할 수 있으며, 이러한 경우에 해당되는 물질은 2 원자의 분자와 화합물이다. 응집된 액체와 고체 상태에서, 분자 간의 결합은 약한 2차 결합으로 되어 있다. 결과적으로 이러한 분자 재료는 상대적으로 낮은 용융 및 비등 온도를 가지고 있다. 작은 분자로 구성된 이러한 재료의 대부분은 상압, 상온, 대기 중에 기체 상태로 존재한다. 반면에, 매우 큰 분자로 구성된 많은 폴리머 재료는 고체로 존재하며, 그들의 물성은 반 데르 발스와 수소 2차 결합에 민감한 영향을 받는다.

지금까지는 개별 원자의 전자 구조에 의해 결정되는 여러 종류의 원자 결합에 대해 알아보았다. 이제 재료 구조의 다음 단계, 특히 고체 내의 원자 배열에 관해 설명하고자 한다. 우선, 결정성과 비결정성의 개념을 설명할 것이다. 결정질 고체에서 결정 구조는 단위정에 의해 표식 된다. 금속에서 흔히 볼 수 있는 세 종류의 결정 구조에 대해 알아보고 결정 방향, 결정면들을 나타내는 표기법 또한 알아보자. 또한 단결정질, 다결정질, 비결정 재료에 관해서도 설명하고 x-선 회절법을 이용하여 결정 구조를 파악하는 방법에 관해서도 설명할 것이다.

고체 재료는 원자나 이온 간의 배열의 규칙성에 따라 구분될 수 있다. 결정질 재료는 장범위의 원자 간에 반복적인 혹은 주기적인 배열이 존재하는 재료이다. 결정질 재료는 응고에 의해 원자들이 규칙적인 3차원적 패턴을 형성하며 위치하고, 원자는 최인접 원자와 결합한다. 모든 금속과 대부분의 세라믹 재료, 일부의 폴리머는 통상적인 응고 조건에서 결정 구조를 형성한다. 결정화되지 않는 재료, 즉 장범위의 원자 규칙성이 존재하지 않는 비결정질 재료에 대해서는 다음에 다시 설명하도록 하겠다. 결정질 고체의 여러 성질은 재료 내의 원자, 이온, 분자의 배열 방식, 즉 결정구조에 의해 결정된다. 장범위의 원자 규칙을 갖는 수많은 결정 구조가 있으며, 이러한 결정 구조는 비교적 간단한 구조를 갖는 금속에서부터 세라믹과 폴리머에서 볼 수 있는 극히 복잡한 구조에 이르기까지 실로 다양하다.

결정 구조를 설명할 때 원자를 일정한 지름을 갖는 딱딱한 구로 생각할 수 있다. 이러한 접근을 원자구 모델이라고 하며, 원자를 나타내는 구가 최인접 원자와 서로 접하고 있다고 생각한다. 흔히 결정 구조에서 격자라는 용어가 사용되는데, '격자'는 원자의 위치에 해당되는 점을 3차원으로 배열한 것을 말한다. 다음 시간에는 금속의 결정 구조에 대해 조금 더 알아보자.