고체와 신소재12

고체의 분류

결합 특성에 따른 분류

금속성 고체(metallic solid)

이온성 고체(ionic solid)

공유성-그물구조 고체

(covalent-network solid)

분자성 고체(molecular solid)

중합체 (polymer)

나노물질 (nanomaterial)

기타

고체의 구조

고체 알갱이

microcrystals

결정성 고체와 비결정성 고체

고체의 결정성에 따른 분류

결정성 고체 (Crystalline solid)

비결정성 고체 (Amorphous solid)

All solids (crystalline solids) in the universe have a certain number of ways of packing.

결정 구조 ≡ 고체 구조

고체의 구조 단위 세포와 격자

결정 구조 ≡ 고체 구조결정 구조(crystal structure): 결정에서 원자들의규칙적인 배열

요소(motif): 고체를 이루는 구성 성분의 원자집단 단위. 격자점으로 대표될 수 있어야 한다.

격자점(lattice point): 요소(motif)를 대표하는 점.하나의 결정에서 모든 격자점은 화학적, 물리적,수학적으로 주변 환경이 완벽히 동일해야 한다.

격자(lattice): 격자점의 무한한 배열

단위 세포(unit cell): 결정의 3차원적인 기하학적기본 단위. 단위 방향으로 단위 길이 만큼 반복적으로 이동하여 전체 결정을 나타낼 수 있는 단위.이러한 반복 단위 중 가장 작은 것이 단위 세포

원시 단위 세포(primitive unit cell): 단위 세포중에서 하나의 격자점을 가지고 있는 것

고체의 구조 단위 세포와 격자

Repeating unit ? Unit cell ?

고체의 구조 단위 세포와 격자

2차원 격자의 종류

어느 격자 ?

고체의 구조 단위 세포 채움

Graphene

고체의 구조 단위 세포와 격자

Solidsin the Universe

7Crystal Classes (결정계)

14Bravais Lattices(Bravais 격자)

230Space Groups (공간군)

%%%Spheres:

Lattice pointsNot atoms

Body-Centered(체심)

a

c

ba

b

g

(입방)

(사방)

(정방)

(육방)(삼방)

(삼사)

Face-Centered(면심)

(단사)

90o

금속성 고체 조밀 쌓음

Goldschmidt 는 원자를 단단한 공으로 생각하고쌓아보자고 제안 (1926)

공간을 가장 효율적으로 채울 수 있는 방법은?

왜 몇 가지 정해진 패턴?

금속성 고체 조밀 쌓음

ABABAB……

육방 조밀 쌓음[hexagonal close packing (hcp)]

금속성 고체 조밀 쌓음

ABCABCABC……

입방 조밀 쌓음[cubic close packing (ccp)]

금속성 고체 조밀 쌓음

Solidsin the Universe

7Crystal Classes (결정계)

14Bravais Lattices(Bravais 격자)

230Space Groups (공간군)

%%%Spheres:

Lattice pointsNot atoms

Body-Centered(체심)

a

c

ba

b

g

(입방)

(사방)

(정방)

(육방)(삼방)

(삼사)

Face-Centered(면심)

(단사)

90o

금속성 고체 금속성 고체의 구조

Po Ag, Al, Au, Ca, Cu, Ni, Pb, Pd, Pt

Ba, Cr, Fe, W, alkaimetals

1 기압,

상온

육방 격자

Be, Cd, Co, Mg, Ti, Zn

금속성 고체 쌓음 효율

CCP의 쌓음 효율(packing efficiency)

rl

%7474.0216

3

16

)3

44(

4)2

1(6)

8

1(8

216

22

)4(

3

3

3

33

222

r

r

r

rl

rl

llr

쌓음효율

부피구의있는안에단위세포

개수구의있는안에단위세포

부피단위세포의

쌓음 효율0.52 0.68 0.74

HCP ?

금속성 고체 합금

합금(Alloy): 두 가지 이상의 원소를 포함하고 있고, 금속의 고유한 특성을 갖는 물질. 구성 원소가 모두 금속일 필요는 없으나 대부분이 금속. 순수한 금속 원소의 특성을 보완할 수 있는 주요한 방법

금속성 고체 합금

합금(Alloy)의 종류

치환 합금 (substitutional alloy): 고체 용액(균일 혼합물). 용질 원소가 용매 금속과 비슷한 크기일 때. 용질 원자가용매 원자의 자리를 차지.

틈새 합금 (interstitial alloy): 고체 용액(균일 혼합물). 용질원소가 용매 금속보다 훨씬 작을 때. 용질 원자가 용매원자의 배열의 틈새를 차지.

불균일 합금 (heterogeneous alloy): 성분들은 균일하게 분포하지 않은 합금

금속간 화합물 (intermetallic compound): 화합물. 화합물이기 때문에, 정확한 특성을 가지며 조성은 변하지 않음. 치환 합금이나 틈새 합금과는 달리, 금속간 화합물에서는 서로 다른 형태의 원자들은 무질서하게 분포되어 있는 것이 아니라 질서 정연하게 분포.

제트기 엔진 초전도 자석 헤드셋, 스피커(정밀 자석)

금속 결합

3 주기 원소

Na Mg Ar

비금속과 준금속 원소 형태에서 원자는 공유결합

금속은 원자가 전자가 많이 부족하여 편재화된 전자쌍 결합을 만들기에 충분치 않다.대신, 원자가 전자를 금속 전체적으로 공유한다.

금속 결합 전자 바다 모형

금속을 원자가 전자의 “바다 (sea)”에 떠 있는 금속 양이온의 배열로 기술전기 전도성, 열 전도성, 연성(늘림성), 전성(퍼짐성)

금속 결합 분자 오비탈 모형

원자 오비탈

분자 오비탈

...

...

::::

금속 결합의 분자 오비탈 모형= 띠 이론(band theory)

EF

부도체 전도체

금속 결합 분자 오비탈 모형

EF: Fermi level

왜 alkali earth 금속이 전도성을 가지나?

EF

금속 결합 분자 오비탈 모형

EF

EF

EF

이온성 고체 이온 화합물의 특성

부스러지지 쉽다.

높은 끓는점, 녹는점

Ruby(Al2O3:Cr)

극성 용매에 잘 녹는다.

이온성 고체 이온성 고체의 구조

조밀 쌓음에서의 틈새(hole)

팔면체 틈새(octahedral hole)

배위수=6

(2r)2 + (2r)2 = (2r+2rh)2

rh = (21/2-1)r = 0.414r

radius

rh

r

틈새의 크기

CCP에서의 위치

이온성 고체 이온성 고체의 구조

조밀 쌓음에서의 틈새(hole)

사면체 틈새(tetrahedral hole)

배위수=4

틈새의 크기

CCP에서의 위치

r

*All spheres are in contact.

l

rt

l2 + l2= (2r)2

(2r+2rt)2 = l2 + l2 + l2

rt = r(61/2-2)/2 = 0.225r

이온성 고체 이온성 고체의 구조

이온성 고체의 구조음(양)이온은 결정 격자의 격자점을 차지. 양(음)이온은 결정 격자의 틈새를 차지.같은 전하의 이온끼리는 직접적으로 접촉하지 않는다.

음(양)이온: 격자점

양(음)이온육면체 틈새 팔면체 틈새 사면체 틈새의 반

이온성 고체 이온성 고체의 구조

이온성 고체 이온성 고체의 구조

(음이온의 전하수 x 단위 세포 안의 음이온 개수)+ (양이온의 전하수 x 단위 세포 안의 양이온 개수) = 0

결정 격자 면심입방격자 체심정방격자 삼방격자

이온성 고체 이온성 고체의 구조

Ex) 구리와 산소로 이루어진 이성분 화합물의 단위 세포를 그림에 나타냈다. 주어진 그림 자료와 각 이온의 반지름 r(Cu＋) ＝ 0.74 Å, r(O2－) ＝ 1.26 Å을 이용하여 다음 물음에 답하시오. (a) 이 화합물의 실험식을 결정하시오. (b) 구리와 산소의 배위수를 결정하시오. (c) 단위 세포 한 변의 길이를 계산하시오. (d) 화합물의 밀도를계산하시오.

(a) Cu2O (b)

Cu: 2, O: 4

(c) y = 2[2r(Cu+) + 2r(O2)] = 4[r(Cu+) + r(O2)] = 4[0.74 Å + 1.26 Å] = 8.00 Å

oya

aaaay

62.43

3)( 22222

(d) 단위세포 안에 있는 Cu의 개수 = 4

단위세포 안에 있는 O의 개수 = 2

분자성 고체

분자성 고체 (molecular solid): 쌍극자-쌍극자 힘, London 분산력, 수소 결합과같은 분자간 힘으로 결합된 원자나 분자로 구성된 고체. 고체는 무르고 녹는점이상대적으로 낮다. (일반적으로 200°C 이하) Ex) 물, 이산화탄소, 설탕……………

?

극성van der Waals 힘Crystal packing

공유성-그물구조 고체

공유성-그물구조 고체 (covalent-network solid): 공유 결합에 의해 형성된 커다란 그물구조에 서로 붙들려 있는 원자들로 구성. 분자성 고체보다 훨씬 단단하고녹는점이 높다.

sp3

sp2

~ 3.35 Å

mp: 3550 oC mp: 3652 - 3697 oC (sublimes)최고 경도 전도성

윤활제

공유성-그물구조 고체 반도체

4족 원소

EF

C (diamond): 5.5 eVSi : 1.11 eVGe: 0.67 eVSn: 0.08 eVPb: 없음(금속)

1 eV = 1.602 x 10-19 J = 96.485 kJ/mol

Si, Ge, Sn: 원소형 반도체(elemental semiconductor)

반도체(semiconductor): 낮은온도에서는 부도체, 높은 온도에서는 도체로 작용하는 물질

공유성-그물구조 고체 반도체

화합물 반도체(compound semiconductor): 평균 4개의 원자가 전자를 갖는 13족-15족, 12족-16족 화합물 중 반도체의 성격을 갖는 것

전기음성도 차이가 클수록 결합의 극성은 증가하여 띠간격은 증가한다.

공유성-그물구조 고체 불순물 반도체

반도체에 소량의 불순물 원자를 도핑(doping)하여 반도체 특성을 변화시킬 수 있다.

Si:P-dopping n-형 반도체 (전기 전달체: 전자)Si:Al-dopping p-형 반도체 (전기 전달체: 정공(hole))

p-typen-type

EF

EF

conduction band

valence band

공유성-그물구조 고체 불순물 반도체

p-n 접합(p-n junction): 다이오드, 트랜지스터, 태양 전지 등 다양한 응용성

발광 다이오드 (LED)

중합 고체

중합체, 고분자(Polymer): 단위체(monomer)가 반복 결합되어 생긴 분자량이 큰 분자

생체 고분자: 단백질, DNA, 탄수화물…

polyester

중합 고체 중합체 제조

참가중합반응(condensation polymerization): 단위체에 있는 결합을 단위체들 사이의 s결합으로 변환. 첨가 중합체

중합 고체 중합체 제조

축합중합반응(addition polymerization): 두 분자가 반응하여 결합. 동시에 작은 분자가 생긴다. 축합중합제 = 공중합체(copolymer)

중합 고체 중합체의 구조와 물리적 특성

중합체는 긴 사슬이 접혀서 다양한 3차원 구조를 갖는다. 그 구조에 따라 특성이 바뀐다.

결정도(crystallinity): 정렬의 정도

중합 고체 중합체의 구조와 물리적 특성

교차 결합 (cross linking): 사슬 사이의 결합 형성. 교차 결합이 많을수록 중합체는 더단단해 진다.

가황반응(valcunization)

나노 물질 나노 크기의 반도체

나노: 10-9

나노 기술(nano technology): 1 – 100 nm에서 조절

Cd3P2와 같은 반도체는 입자의 크기에 따라 다른 파장의 빛을 발광 또는 흡수한다.(띠간격 변화)

양자점(quantum dot): 지름 1-10 nm

Cd3P2

광발광 (photoluminescence)

나노 물질 나노 크기의 금속

미세한 입자의 금속은 큰 입자의 금속과 다른 성격을 가진다.

샤르트르 대성당(프랑스) 스테인드글라스

금 콜로이드 은 콜로이드

나노 물질 풀러렌, 탄소 나노 튜브, 그래핀

풀러렌(fullerene) 탄소나노튜브(carbon nanotube) 그래핀(graphene)

Buckminsterfullerene(C60)

C20, C60, C70, C76, C84

흑연

그래핀