1. 금속의 결정 구조
(1) 고체의 결정
결정은 공간에서 원자 혹은 분자들이 규칙적으로 배열하고 있는 고체 입니다. 기체 및 액체의 원자배열은 규칙적이지 않고 고체에서도 불규칙한 원자 배열을 한 비정질 물체도 있습니다.
어떤 물질을 구성하고 있는 원자 혹은 분자가 규칙적으로 배열되어 있는 것을 결정체라고 하는데 결정립과 결정립 사이를 결정립 경계(혹은 결정립계)라 하며 불순물이 이곳에 모이게 됩니다. 공간격자를 구성하고 있는 최소 단위를 단위포(unit cell)라 하고 단위포(결정의 최소 단위) 모서리의 길이는 격자상수 라고 합니다.
[격자상수의 크기: 보통 3~5Å(1Å=10cm)]
7종의 결정계와 14종의 브라베 격자가 있는데 결정계의 7개 종류는 입방정계 , 정방정계 , 사방정계, 삼방정계 , 6방정계, 단사정계, 삼사정계로 나누어 집니다. 브라베격자는 입방정계의 경우 단순, 체심, 면심 격자 , 정방정계의 경우 단순과 체심 격자, 사방정계의 경우 단순, 체심, 면심, 저심 격자, 삼방정계의 경우 단순 격자, 6방정계의 경우 단순 격자, 단사정계의 경우 단순, 저심 격자, 삼사정계의 경우 단순 격자로 분류됩니다
(2) 결정의 특성
결정의 정의부터 알아보도록 하겠습니다. 결정이란 금속과 같이 원자가 규칙적으로 배열된 상태를 결정이라고 합니다. 금속결정 중에서 한 개의 원자를 생각하면 한 개의 핵과 많은 전자로 구성되어 있습니다. 전자는 핵에 강하게 속박되어 있는 전자와 전자 안에서 비교적 자유롭게 움직이는 전자(자유전자)로 나누어져 있습니다.
원자들이 결합하여 고체를 만들게 되고 원자간의 결합에너지를 아는 척도로서 승화열(Es)이 있습니다. 이 승화열은 결정 중에서 원자를 집어내는데 필요한 에너지로 서로 인접한 원자를 끊는 에너지에 상당하게 됩니다. 인접한 원자수를 라고 하면 결합에너지는 ⊿E=ES/T, AEE(free)-E(고체)로 나타낼 수 있습니다. 금속의 승화열의 값은 다음과 같습니다.
금속의 승화열 값(kcal/mole)[leV 23kcal/mole]
Na = 26
K = 21.7
Cu = 81.2
Ag = 69
Au = 82.3
AI = 74.4
Ge = 78
Fe = 96.7
W 201.6
예를들어 Ag에서는 Es- 3eV, 인접한 원자수 - ・12이면 결합에너지- 0.25eV와 같다고 볼 수 있습니다. Fe에서 Es=4.2eV이고, 인접한 원자수 = 8이면 결합에너지- 0.5eV와 같은것 입니다. 고체 중의 원자를 서로 떼어 놓는데 필요한 에너지를 응집에너지라고 합니다.
(3) 고체를 구성하는 원자의 결합방법 4가지 분류
고체를 구성하는 원자의 겨합방법을 4가지로 분류할 수 있는데 금속결합, 분자결합, 이온결합, 공유결합 입니다.
분자결합(molecular bond): Ar, Kr
금속결합(metallic bond): Cu, Ag, Al
이온결합(ionic bond): KCl, MgO, LiF
공유결합(covalent bond): Ge, Si, C(다이아몬드)
(4) 결정입자의 크기
결정입자의 크기는 냉각속도와 결정립등에 의해 결정됩니다. 냉각속도가 빠르면 결정해 수가 많아지고 결정립은 미세해지게 되고 냉각속도가 느리면 결정해 수가 적어지고 결정립은 커집니다. 결정입자의 크기는 고체상태에서 0.01-0.1mm 정도이고 핵생성 속도란 단위시간에 단위체적에서 생성된 핵생성 수를 말합니다.
2. 결정격자의 방향과 결정면
(1) 결정격자
결정격자란 규칙적으로 배열된 결정의 원자 배열 상태를 보여주는 입체 모형을 말합니다. 금속이 결정체로서 3차원적으로 일정하게 규칙적으로 배열된 원자로 형성되어 있다는 증거는 X-선 회절현상으로 알 수 있습니다.
[ 브래그의 X-선 회절법칙: 2d sing-n(n: 정수) ]
금속결정을 3가지로 분류할 수 있는데 면심입방격자, 체심입방격자, 조밀육방격자로 나뉘게 됩니다.
면심입방격자(FCC): Au, Ag, Al, Cu, Pt, Pb, Ca, Ir, Rh, B-Co, y-Fe, a-황동
체심입방격자(BCC): Cr, W, Mo, V, Ta, Ba, Na, Li, K, Rb, a-Fe, 8-Fe, B-Ti
조밀육방격자(HCP): Mg, Zn, Cd, Be, a-Co, a-Ti, a-Zr
(2) 결정면과 밀러지수
밀러지수는 결정면을 나타내는 지수로서 X, Y, Z의 3축을 어느 결정면이 끊는 절편을 원자 간격으로 측정한 수의 역수의 정수비를 취하게 됩니다. 어떤 면을 표시하려면 보통(h, k, 1)로 표시하고 이것을 면지수 또는 밀러지수라 합니다 . 밀러지수는 면의 원점으로부터 결정축과 교차하는 점까지의 거리와 그 축의 단위거리에 대한 비의 역수를 말합니다. 또 밀러지수는 항상 분수를 포함하지 않도록 정리하게 됩니다.
결정축이 좌표축의 부(負)에서 교차할 때는 그 지수는 부수이고 수치의 위에 bar를 그어서 표시하고 육방정계에서도 결정면을 정의하는 데는 면지수를 사용하게 됩니다.
(3) 결정방향
격자내의 임의의 직선방향을 그 선과 평행하게 단위포의 원점을 지나는 직선을 그어 그 직선의 종점을 표시하고 그 수치는 가장 작은 정수로 표시하는 것이 보통입니다.