1-1. 원자들이 모여서 만드는 금속 결정
이 세상의 모든 물건들은 매우 작은 원자들이 모이고 쌓여서 이루어진 것이며, 금속 제품도마찬가지입니다. 원자들이서로 결합하여 결정을 만들면서, 금속 재료가 형성되는 방법과 과정들을 밝혀 보도록 하겠습니다.
1-1-1. 원자의 구조
태양계에서 태양을 중심으로 수성, 금성,지구 등과 같은 행성들이 일정한 궤도를 이루면서 돌고 있듯이 원소 속에서도 핵을 중심으로 전자들이 회전하고 있습니다. 핵과 전자들이 가지고 있는 특징은 다음과 같습니다.
(1) 핵은 + 전하를 가지고 있는 양자와 전기적으로 중성인 중성자로 되어 있다.
(2) 전자는 - 전하를 가지고 있으며, 양자 하나가 가지고 있는 전기량(+)과 전자 하나가 가지고 있는 전기량(- )은 같다.
(3) 하나의 원자 속에 있는 양자의 수와 전자의 수가 같으므로 모든 +전기량과 -전기량이 같다. 그러므로 원소는 전기적으로 중성（中性）이다.
예를 들어 보겠습니다. 나트륨(Na) 원자(원자 번호11)는 핵 속에 11개의 양자와 12개의 중성자로 되어 있습니다. 그리고 전자의 수도 11개이므로 나트륨원자는 전기적으로 중성입니다
또 염소(Cl) 원자(원자 번호 17, 원자량 35.5)는 17개의 양자와 전자가 각각 존재하므로, 전기적으로 중성인 것을 알 수 있습니다.
1-1-2. 금속 결합
원자들이 결합하여 가장 작은 물질(분자)을 만드는 방법은 몇 종류가 있으나, 그중에서금속 원자들이 결합하는 금속 결합에 대하여 알아보도록 하겠습니다.
금속 결합을 쉽게 설명하기 위하여 먼저 이온 결합부터 설명한 후, 이온 결합과 비교하면서 금속 결합을 설명해 보도록 하겠습니다.
(1) 이온 결합
원자의 구조에서 가장 바깥 궤도를 도는 전자를 최외각 전자라고 하며,물질의 물리 화학적 성질에 큰 영향을 미치게 됩니다. 이 최외각 전자들이 원자들을 결합하는 방법에 대하여 소금(NaCl, 이온 결합)의 경우를 예로 들어 보도록 하겠습니다.
나트륨이나 철과 같은 금속의 원자는 일반적으로 최외각전자가 3개 이하이지만, 염소나 규소와 같은 원자(준금속「metalloid」) 들의 최외각전자는 이보다 많습니다.
최외각 전자의 수가 적을수록 핵이 이 전자들을 잡아당기는 힘이 약하게 됩니다. 그러므로 금속 원자와 준금속 원자가접근하면 금속 원자의 최외각 전자는 준금속 원자의 최외각으로 이동하게 됩니다.
그 결과 나트륨(Na) 원자의 전자 수는 11개에서 10개로 하나 감소하였으므로 양자(11 개)가 하나 더 많게 되었습니다. 따라서 전기적으로 중성이었던 나트륨 원자는 전기적으로 ＇＋＇전하의 이온인 양이온（陽ion)으로 변하게 되었습니다.
그러나 염소(C1) 원자의 경우 전자의 수가 하나 더 증가하였습니다.그러므로 전자의 수가 양자의 수보다 하나 더 많으므로 전기적으로 '-' 전하의 이온 즉 음이온（陰 ion）으로 변하게 되었습니다.
양이온인 나트륨(Na) 이온과 음이온인 염소(C1) 이온은 서로 잡아당겨서 결합하게 됩니다. 이런 과정을 거쳐서 NaCl(소금)이 만들어지며, 이와 같이 결합하는 방법을 이온 결합(ionicbond)이라고 합니다.
(2) 금속 결합
금속 원자들이 금속을 만드는 방법은 이온결합이 아니고 금속만의 독특한 결합 방법이 있습니다. 금속이 결합하는 방법을 살펴보면 철 원자의 최외각 전자의 수는 2개이고 철 원자 궤도를 정상적으로 회전하고 있습니다. 그러나 앞에서 설명한 것처럼 금속 원자의 경우 핵이 이 전자들을 잡아당기는 힘이 약합니다.
그러므로 A, B 금속 원자들이 접근하여 최외각 궤도가 겹치면 A 금속 원자를 회전하던 전자가 이탈하여 B 금속 원자 궤도를 돌게 됩니다. 또 B 원자 궤도를 돌던 전자들도 B, C원자 궤도가 겹치는곳에서 C원자의 궤도를 돌게 됩니다.
이와 같이 금속 원자의 최외각 전자는 한 원자의 궤도만을 계속 회전하는 것이 아니라, 인접해 있는 원자의 최외각 궤도로 이동하여 회전하게 됩니다. 다시말하면 금속의 최외각 전자들은 어느 한 원자에 속하지않고, 금속의 속을 자유스럽게 이동하면서 회전하고 있습니다. 이와같은 전자들을 「자유전자（自由電子，freeelectron)」라고 합니다. 이 자유 전자는 금속의 특성이나 물리·화학적 성질에 중요한 역할을 하게 됩니다.
모든 금속 원자에서 생긴 수많은 자유 전자들이 금속 원자 주위를 고속으로 회전하고 있으므로 금속원자들은 자유전자 속에 파묻혀 있는 모양으로 됩니다. 마치 자유전자의 바다에 떠 있는 배, 또는 달걀의 흰자위 속에 떠 있는 노른자위와 유사한 모양을 하고 있다고 할 수 있습니다.
이렇게 원자 주위를 돌고 있는 자유전자의 무리들을 「전자구름（電子雲，electron claud）」，또는 「전자가스」 라고 합니다.
이런 상태에 있는 금속 원자들은 전기적으로 어떤 작용을 하고있을까요?
자유 전자가 이탈된 '+' 전하의 금속 이온 주위를 '-'전하의 전자구름이 돌고 있으므로 금속 이온 사이에는 전자구름이 존재하게 됩니다. '+' 전하의 A 금속 이온은 '-'전하의 전자구름과 결합하고, B 금속 이온도 이전자구름과 결합 하게됩니다. 그러므로 가운데에 있는 '-'전하의 전자구름 때문에 양 옆에 있는 A, B 금속 이온이 결합하게되는 것입니다. 같은 방법으로 B, C 금속 이온도 결합할 뿐만 아니라 모든 금속이온 사이에서 일어나므로 , 모든 금속 이온들이 이 방법으로 결합하게 됩니다. 이와 같은방법으로 원자들이 결합하는 방법을 「금속 결합（金屬 結合， metallicbond)」 이라고 합니다.
우리들 주위에 있는 금속들은 모두 이와 같이 금속 원자들이 금속 결합의 방법으로 결합하여 이루어진 것 입니다.