1-1-3. 금속의 특징
금속 속에는 자유 전자가 존재합니다. 이 자유 전자 때문에 금속 재료는 다른 재료(예:플라스틱 재료나 세라믹 재료)에 없는 금속만의 특징이 나타나게 됩니다.
(1) 금속은 변형된다
돌이나 소금에 힘을 가하면 모양이 변하기 전에 깨져버리지만, 금속은 모양이 변할 수 있습니다. 소금과 금속의 경우를 비교하면서 그 이유를 생각해 보도록 하겠습니다.
먼저 이온 결합한 소금의 경우를 생각해 보도록 하겠습니다.
배열된 소금에 힘을 가하게 되면 이온들이 이동하여 그어놓은 점선의위, 아래에는같은 종류의 이온들이 만나게 됩니다. 즉 '+'전하의 나트트륨 이온들과 '-' 전하의 염소 이온들이 만나게 됩니다. 이렇게 되면 이 이온들은 서로 배척하여 떨어지려고 하는 힘이 작용하게 되는데 그 결과 점선을 중심으로 하여위아래에 있는이온들의 결합이 파괴되어 분리되게 됩니다.
(2) 금속은 전기가 잘 통한다
금속은 모든 재료 중에서 전기가 가장 잘 통합니다.
금속의 양쪽을 '+'와 '-'로 연결하여 보면 금속 속에서 돌아다니고 있던 '-'전하의 자유 전자는 '+' 쪽으로 계속 이동할 것 입니다. 자유 전자가 이동하면서 '-' 전기를 운반하여 전기가 통하게 되는 것 입니다.
금속 이외의 재료, 즉 플라스틱이나 세라믹 재료는 그 속에 자유전자가 없으므로 전기가 통하지 않습니다.
(3) 금속은 열전달이 잘 된다
플라스틱이나 유리와 같은 재료를 가열하면 열에너지가 재료 속으로 들어와서 원자가 더욱 심하게 진동하게 됩니다. 그리고 이 원자가 옆의 원자와 충돌하면서 에너지를 전달하면, 옆의 원자는 그 에너지를받아서 또 진동하게 됩니다. 이와 같은과정을 반복하면서 열이 조금씩 계속 전달되게 되는 것입니다.
플라스틱이나 유리 같은 재료는 이처럼 열전달이 잘 일어나지 않지만, 금속은 위의 재료에 비교할 수 없을 정도로 열전달이 잘 됩니다. 그 이유는 금속을 가열하면 자유 전자가 열 에너지를 받아서 매우 빠른 속도로 이동하면서 열을 전달하기 때문입니다.
(4) 금속은 광택으로 빛난다
모든 금속은 광택을 띄면서 빛나고 있습니다. 그 이유도 금속에 자유 전자의 구름이 있기 때문입니다. 햇빛이 금속의 표면에 도달하면 이 빛(-)은 자유 전자의 구름(-)에 막혀서 거의 대부분 반사 되게 됩니다. 그러므로 금속의 표면이 빛나는 것 입니다.
금, 은과 같이 자유 전자가 많은 금속은 전기도 잘 통할뿐만아니라 빛의 반사율도 큽니다. 그러나 철과 같은 금속은 자유전자의 수가 금, 은보다 적기 때문에 금속광택이 금과 은에 비해 조금 떨어집니다.
1-1-4. 금속의 결정 구조
지금까지 설명한 것처럼 금속은 원자들이 「금속 결합」의 방법으로 결합하여 생긴 원자의 덩어리 입니다. 이 원자들이 무질서하게 결합되어 있는 것이 아니라 규칙적으로 질서 정연하게 배열되어 있는것 입니다. 금속 원자가 동그란 구슬(sphere)처럼 생겼다고 가정할 경우, 원자들이 규칙적으로 치밀하게 배열하여 거대한 원자의 덩어리, 즉 금속이 되는과정을 생각해 보도록 하겠습니다.
(1) 금속 결정이 되는 과정
평평한 판 위에 많은 구슬(예:16개)을 올려놓는다고 생각해 보겠습니다. 이구슬들이 서로 접촉할 정도로 가깝게, 그리고 규칙적으로 배열할 수 있는 방법으로 배열해 본다고 가정해 볼 때 다음과 같이 생각해 볼 수 있습니다.
먼저 1 층의 구슬과 구슬 사이에 오목한 곳이 있다. 이곳에 구슬을 올려놓으면 구슬들이 안정되고 편안하게 있을 것 입니다.
이와 같은 방법으로 1 층의 구슬 위에 2 층의 구슬들을 올려놓아서 2 층을 만들었습니다. 또 2층의 구슬 사이에 있는 오목한 곳에 또 다른 구슬들을 올려놓아서 3층을 만들었습니다.
지금까지 설명한 방법으로 3층 위에 다시 구슬을올려놓아서 4 층, 5 층,··의 구슬 덩어리를 만들었다고 생각해 보겠습니다. 마치 아파트를 건설할 때 1층부터 시작하여 2층, 3층, 4층으로 높게 지어 올라가는 것과 같은 상황입니다. 우리들의 주위에 있는 금속들은 거대한 고층 아파트처럼 원자들이 입체적으로 질서 정연하게높이 쌓여 있는 것 입니다.
이렇게 무수히 많은 원자들이 배열되어있는 형태를 자세히 관찰하여 보면 같은 모양이 계속 반복되어 있다는 사실을 알 수 있을것 입니다. 그러므로 금속을 굳이 복잡하게 표현할 필요필요 없이 간단히 표시할 수도 있을 것입니다.
이처럼 원자의 구조를 나타내는 가장 간단한 최소단위를＇단위격자（單位格子， unit lattice）＇ 또는＇단위포（單位胞， unit cell）＇라고 합니다. 그리고 원자가 규칙적으로 배열되어 있는 상태를 ＇결정（結晶，crystal）＇이라고 하며, 단위격자가 중복되어 있는 결정 전체를 '결정격자（結晶格子，crystal lattice）＇라고 합니다. 다시 말하면 금속이 이룬 결정들은 단위격자(단위포)가 수없이 많이 모여서 된결정격자 라고 할 수 있겠습니다.