Chapter 2 Atomic Structure & Interatomic Bonding

Chapter 2 Atomic Structure & Interatomic Bonding. Materials Science & Engineering 2019 Spring. Dept. of SCEE Kukdong University. SCEE.

Chapter 2 원자구조와 원자 간 결합 (Atomic Structure & Interatomic Bonding) 2.1 서론 • 고체 재료의 성질을 결정하는 요소 . 원자의 공간 상 기하학적 배열, 원자나 분자 간 결합(Bond, Bonding)의 종류. 전자 구름. . 학습 내용) 원자 구조, 원자 내 전자의 분포, 원소 주기율표, 원자의 결합 양성자(Proton) • 원자의 구성 요소, 질량과 전하량. . 원자는 양성자(Proton), 중성자(Neutron),전자(Electron)로 구성 ☞ Figure 2S.1 . 원자 번호(Atomic Number)는 원소의 핵 속에 들어있는 양성자 수를 표시. 핵. 중성자(Neutron). . 원자의 질량수(Mass Number, A)는 원자 속의 양성자의 수(Number of Protons, Z)와 중성자와 수 (Number of Neutrons, N)의 합이며 따라서 아래와 같이 표시된다 e.g. 양성자 하나인 수소의 원자 번호는 1 (1H), 양성자 두 개인 Helium의 원자 번호는. Figure 2S.1 원자의 구조 – 핵과 전자 모형. 2 (표기; 2He)가 된다 ☞ Figure 2S.2. A=Z+N. Figure 2S.2 원자 번호와 질량 표기법 Table 2S.1 원자 구성 요소와 질량 및 전하량 원자 구성 요소 핵 (Nucleus). 기호 (수). 양성자 (Proton). Z. 중성자 (Neutron). N. 전자(Electron). 입자 질량(Mass of Particle). 전하량(Electrical Charge) 1.60 x 10-19 C(Coulomb) x Z (양전하, Positively Charged). m = mneutron = mproton = 1.67 x 10-27 kg. e. 중성 (0, Electrically Neutral) 무시할 정도 (9.11 x 10-31 kg, ~1/1836 of Proton or ~1/1841 of Neutron). A. Materials Science & Engineering 2019 Spring. [원자 총 질량] = = = =. [양성자 총질량] + [중성자 총질량] mZ + mN m(Z + N) mA. Copyright by DH Lee. - 1.60 x 10-19 C x Z (음전하, Negatively Charged). [(총)전하량] = [양성자 보유 총전하] + [전자 보유 총전하] = 0. Dept. of SCEE, KDU. SCEE.

Chapter 2 원자구조와 원자 간 결합 (Atomic Structure & Interatomic Bonding) 2.1 서론 (계속) • 전자(Electron)의 발견 . Figure 2S.3, 2S.4 실험을 통한 J. J. Thompson의 음극선(Cathode Ray) 규명 (1897), 음극(Cathode) 단자에서 녹색 광선이 발생하여 양극(Anode)으로 이동하는 것을 발견 . 전기장과 자기장에 의해 편향(Deflection)되는 음극선의 존재를 통해 Tube 내의 기체의 종류나 전극 물질의 종류에 무관하게 단위 질량 당 전하량*1이 같다고 결론지으면서 전자의 존재를 발견 *1. 전자의 전하량(Electric Charge) q = 1.7854 x 1011 coulomb/kg. . Thompson의 이 실험의 원리는 그 후로 약 120년 동안 최근까지도 많이 사용되던 Figure 2S.5의 Braun관과 각종 Monitor의 기본 원리가 되었음. Figure 2S.3 Thompson의 음극선 발생 실험. Screen. Figure 2S.4 Thompson의 편향 전자 Beam 발생 실험. Figure 2S.5 전자총에 의한 편향 전자 Beam을 이용한 화상 구현. Materials Science & Engineering 2019 Spring. Copyright by DH Lee. Dept. of SCEE, KDU. SCEE.

Chapter 2 원자구조와 원자 간 결합 (Atomic Structure & Interatomic Bonding) 2.1 서론 (계속) • 전자의 전하량과 질량 규명 . 전자의 전하량 계산을 위한 기름방울 실험 (R. Milikan in 1906 ☞ Figure 2S.6 -19 . 중력과 전하량 사이의 균형을 유도하는 실함을 통해 전자의 전하량이 qe = 1.6 x 10 C, -31 질량은 me = 9.11 x 10 kg 임을 계산 (전자의 질량은 수소 원자 1개 질량의 약 1/1840 정도). • 전기적 중성(Electric Charge Neutrality) . 전자가 음전하를 가진다면 원자가 전기적으로 중성을 유지하기 위해서는 원자 내에 전자의 음전하와 맞먹는 양전하를 지닌 그 무엇이 존재해야 한다는 생각에 이르게 된다. • 원자핵(Nucleus) . 금속 박막에서 흩어지는 방사성 입자 실험을 통해 E. Rutherford는 양전하로 이루어진 원자핵(Nucleus)의 존재와 더불어 양성자(Proton)의 존재를 제안하게 되었고 (1907), 이어 Chadwick에 의해 중성자 (Neutron)의 존재가 확인됨 (1932). Materials Science & Engineering 2019 Spring. Copyright by DH Lee. Figure 2S.6 Milikan의 기름방울 낙하 실험을 통한 전자 전하량 계산. Dept. of SCEE, KDU. SCEE.

Chapter 2 원자구조와 원자 간 결합 (Atomic Structure & Interatomic Bonding) 2.2 기본 개념 • 동위원소(Isotope) . 주어진 원소에서 모든 원자에 대해 양성자 수는 일정, 중성자의 수는 다를 수 있으므로 어떤 원소는 두 가지 이상의 원자량을 가질 수 있다 . 동위원소를 가진 원소의 원자량(Atomic Weight)은 자연에 존재하는 동위원소들의 원자량의 가중 평균치 예) 탄소(C) 원자번호는 6, 양성자 수 6개, 전자의 수도 6개임을 의미, 그러나 중성자 수가 다른 동위원소의 존재로 인해 자연계에 존재하는 탄소 질량의 가중 평균치는 12.011이 된다 ∙ 원자량 계산에 쓰이는 원자 질량 단위 amu(Atomic Mass Unit). 1 amu ≡ 원자 질량 12인. 12. C (A=12) 탄소의 동위원소 평균 질량의 (1/12)로 정의. • 원자량과 화합물의 분자량 ∙ 단위 원자 (혹은, 분자) 당 amu, 또는 재료 1 mole 당 질량으로 규정 ∙ Avogadro의 법칙(Avogadro’s Law) 23 어떤 물질 1 mole에는 6.022 x 10 개*1의 원자나 분자가 존재, 1 amu/atom (or molecule) = 1 g/mol *1. 이를 제안자의 이름을 따라 Avogadro의 수(Avogadro’s Number)라고 부른다. e.g. 철(Fe)의 원자량 55.85 amu/atom, 혹은 55.85 g/mol 구리(Cu)의 원자량 63.55 amu/atom, 혹은 63.55 g/mol. Materials Science & Engineering 2019 Spring. Copyright by DH Lee. Dept. of SCEE, KDU. SCEE.

Chapter 2 원자구조와 원자 간 결합 (Atomic Structure & Interatomic Bonding) 2.3 원자 내 전자 • Bohr의 가설(Bohr의 원자 Model, Bohr’s Atomic Model, 이하 BM으로 약함) - 전자가 정해진 궤도(Orbital)에서 원자 주위를 회전 ☞ Figure 2.1 - 전자의 Energy는 양자화(Quantization, Quantized). 전자들이 연속적인 Energy(E) 값을 가지는 것이 아니라 불연속적으로 특정하게 허용되는 특정 값을 가진다 이러한 값들을 상태(State), 혹은 준위(準位, Level)이라고 칭하며, 각 상태는 작은 Energy의 간격으로 구분(격리)되어 있음 - 전자의 E가 변하기 위해서는 한 상태에서 다른 Energy 상태로 도약(Quantum Jump)이나 Energy의 방출이 필요 ☞ Figure 2.1 - 전자의 위치(궤도)와 양자화된 Energy 상태를 설명하기 위한 최초의 파동역학적 시도이나 완벽한 전자 거동을 설명하는데 한계. DE = hn DE = hn. • 원자Model. Shell K n=1. L n=2. M n=3. ∙ 고전역학(Classical Mechanics, Newton 역학)으로만 고체 내 전자 움직임을 설명할 수 없는 한계를 극복하기 위해 원자와 내부 System을 설명할 수 있는 양자역학(Quantum Mechanics), 혹은 파동역학(Wave Mechanics)의 원리와 법칙이 등장 (19C 초) Figure 2.1 Bohr의 원자 구조. ∙ 원자나 결정질 고체 내 전자 거동을 이해하기 위해 양자역학에 대한 이해 필요 ∙ Einstein Equation. 광자(광양자, Photon)*1에 의해 방출(Emission), 혹은 흡수(Absorption) 되는 Energy와 Photon의 주파수(Frequency, 또는 파장 - Wavelength, 이하 WL로 약함)와의 관계 *1. 광자: Energy를 가진 입자, 혹은 파동으로도 해석. DE = E2 - E1 = hn = hc/l Frequency n (  1/l ) h ; Planck 상수(Planck’s Constant, 6.6325 x 10. -34. Jsec = 4.13 x 10. -15. O. eVsec),. *1. n ; 방출되는 Energy (DE)를 보유한 Photon (Energy를 가진 입자)의 주파수 E3 Energy. c ; 빛의 속도. l ; Photon의 파장 위 식은 원자 내의 전자의 Energy 흡수나 방출뿐 아니라 자연계의 Photon과 관련된 모든 Energy의 변화에 대해 일반적으로 성립하는 식임에 유의!. Materials Science & Engineering 2019 Spring. E2 DE. 직선의 기울기 = h. E1. Figure 2S.7 Physical Meaning of Planck’s Constant. Copyright by DH Lee. Dept. of SCEE, KDU. SCEE.

Chapter 2 원자구조와 원자 간 결합 (Atomic Structure & Interatomic Bonding) 2.3 원자 내 전자 (계속) • 파동역학(Wave-Mechanical Model) ∙ BM의 한계를 극복하기 위해 전자가 파동성(Wave)과 입자성(Photon)을 동시에 보유하고 있다는 설명에 이르게 됨 ∙ 전자는 특정 궤도(특정 시간에 위치를 특정)에서 움직이는 입자로 고려되지 않고, 전자 위치가 핵 주위에서 존재할 확률(Probability)로 규정 - 전자의 이동속도*1와 크기*2의 문제 *1. 전자의 이동 속도; ~2 x 106 m/s ,. *2. 전자의 질량; me = 9.11 x 10-31 kg 임을 계산 (전자의 질량은 수소 원자 1개 질량의 약 1/1840 정도). • 양자(Quantum)의 개념. . 양자는 Energy를 가지는 입자로서 가지고 있는 Energy를 방출하기도 하며, 외부의 Energy를 흡수하기도 하는 입자로 해석된다 (1900, M. Planck) . 빛을 파동(Wave)의 개념에서 입자(Particle) 개념으로 확대*1, 광자(Photon)이라 불리는 Energy의 덩어리(다발)로 해석 *1. 빛이 때로는 파동으로서, 때로는 입자로서 거동하는 것을 가리켜 빛의 파동-입자 이중성(Duality)이라고 한다. 1) 양자(Quantum) 빛은 때로는 파동(Wave)으로, 때로는 입자(Particle)로서 거동하는데, 빛을 포함하여 Energy를 가진 모든 입자를 양자라고 부른다 2) Energy 상태(Energy State), Energy 준위(Energy Level) 전자나 양자가 가지는 내부 Energy의 특정 값을 이르는 용어로서, 입자가 어떤 특정한 Energy 값(Discrete Energy Level)을 가질 때 이 입자는 “특정 Energy 준위에 있다”거나 “특정 Energy 상태에 있다,” 혹은 “특정 Energy 상태를 점하고 있다”고 표현한다. 3) 양자화(Quantization) 입자(양자)의 Energy는 연속적인 것이 아니라 특정한 값을 가진다고 알려져 있는데, Figure 2S.7에서 보는 바와 같이 불연속으로 특정한 E 값(Discrete Energy E1, E2, E3, … 등)을 가지는 것을 양자화되어 있다(Quantized)라고 말한다 4) 광자(Photon) 광전효과를 일으키는 입사된 개개의 빛 양자(Photoelectron)는 전자, 양성자, 중성자와 같은 단어와 대등한 이름으로서, 혹은 광자(광양자, Photon)라고 부른다. • 20C 초부터 비롯된 양자역학의 이론 정립에 기여한 과학자들 M. Planck (1858-1947) - 양자(Quantum)의 존재 제안 (1900) N. Bohr (1885-1962) - 최초의 원자 궤도와 전자 E 양자화의 개념, 원자 Spectrum의 생성을 설명 (1918) L. de Broglie (1892-1987) - 전자파의 파동-입자 이중성 (1924) E. Schrödinger (1887-1961) - 전자의 존재 확률과 Energy Model에 대한 이론 정립 및 Energy 정량화 (1926) W. Heisenberg (1901-1976) - 불확정성의 원리(The Principle of Uncertainty) 제안 (1927). Materials Science & Engineering 2019 Spring. Copyright by DH Lee. Dept. of SCEE, KDU. SCEE.

Chapter 2 원자구조와 원자 간 결합 (Atomic Structure & Interatomic Bonding) 2.3 원자 내 전자 (계속) • 원자 Spectrum(Atomic Spectrum) . 특정한 색의 빛은 특정 파장에 해당하는 광파 (전자기파의 일종) - 각각의 빛의 색은 고유의 파장을 가진다. . 이를 이용하여 여러가지 원소의 불꽃 반응 (불꽃에 의해 가열된 원소들이 고유의 빛을 나타내는 현상)을 분광기 (Spectrometer)를 통해 파장 별로 분리해 내면 Figure 2S.8에서 보는 것과 같이 각 원소마다 고유의 불연속적인 색의 띠(“원자 Spectrum”이라 함)를 나타내게 되는데, 이것은 각 원소마다 나타내는 빛의 파장이 따르기 때문이다 이 Spectrum은 원소 고유의 지문에 해당한다 . 이와 같이 원자 Spectrum 분석에 기반을 둔 분광학(Spectroscopy)을 통해 물질 중의 전자와 원자핵의 배열, 운동 등에 관한 다양한 정보를 얻을 수 있기 때문에 물질의 연구 수단으로 매우 중요하며, 잘 알려진 빛 외에 X선과 g(Gamma)선, Microwave 등도 사용된다 . 별에서 지구로 오는 광파를 이런 기법으로 분석하면 그 별의 구성 성분과 관련 정보를 얻을 수 있다. * 무지개의 일곱 색과 파장 여러분이 일곱 빛깔의 무지개를 볼 때에 “아름답다”고 느끼며 즐거워하는 낭만도 물론 좋지만, 이제는 공학도로서 이 세상에 존재하는 색마다 그에 대응(1:1)하는 고유의 파장이 존재한다는 과학적 사실도 더불어 인지해야 한다. • 양자 가설(Quantum Hypothesis) - M. Planck에 의해 제안 “따뜻한 물체는 양자(Quantum)라는 불연속적 다발의 복사 Energy를 방출” -19 . 입자(전자) 하나의 전하량 ( = 1.60 x 10 Coulomb)은 정해져 있으므로 모든 전하량은 하나의 전하량에 어떤 정수를. Figure 2S.8 원소의 불꽃 반응. 곱한 것과 같다 (따라서, 연속적인 값을 가지지 않는다 ☞ Figure 2S.7) . 고전역학에 대비하여 양자역학(Quantum Mechanics)라는 물리학의 새로운 지평을 여는 시초 . 빛이 양자화(Quantumization)되어 있다, 광선은 양자라는 수많은 불연속적인 Energy 입자로 구성 (A. Einstein) . 두 가지 중요한 사실 1) 빛의 파동-입자 이중성(Wave-Particle Duality), 빛은 때로는 입자로 거동하지만 이것만으로 그 거동을 모두 설명할 수 없으며 이 경우 입자가 아닌 파동으로 설명하여야 한다 2) 광자의 Energy E는 빛의 진동수 n 에 정비례, E ∝ n (1/l). Materials Science & Engineering 2019 Spring. Copyright by DH Lee. Dept. of SCEE, KDU. SCEE.

Chapter 2 원자구조와 원자 간 결합 (Atomic Structure & Interatomic Bonding) 2.3 원자 내 전자 (계속) • Bohr 가설과 양자역학의 차이와 원자 내 전자에 대한 파동역학적 해석 . Bohr는 전자를 입자로 해석하였으나, 양자역학에서는 전자를 파동으로 해석. ∙ 양자역학에서는 전자가 파동성과 입자성을 모두 가진다고 보고 파동역학적 해석 모형을 도입하여 해석 (즉, 때로는 입자로 때로는 파동으로 해석하기도 한다). . Bohr는 전자 상태(위치)가 핵과 일정한 거리를 두고 있다고 해석하므로 그 위치가 확정적인 궤도 상에 존재 한다고 해석한 반면, 양자역학에서는 전자를 파동으로 취급하므로 위치가 불확정적이어서 움직이는 입자로 고려하지 않고 핵 주위의 특정 궤도(특정 위치와 시간)에서 전자가 머무를 확률(Probability)로서 해석할 수 밖에 없다 (질량도 아주 작고 눈에 보이지 않으며, 그 속도가 워낙 빨라* 위치를 특정할 수 없다) cf. 육안으로 그 위치를 확인할 수 있는 공을 가지고 경기하는 운동에서 공과 전자의 비교 육안으로 공을 확인할 수 있는 각종 구기 운동의 경우 공에 대한 고전역학적 해석(위치, 속도, Energy 등)이 얼마든지 가능하지만, 눈으로 볼 수 없는 입자의 경우에는 더 이상 고전역학적 해석이 불가능 6 (전자의 이동 속도; ~2 x 10 m/s). 진폭. x=0. x. x=L. Figure 2S.9 진동하는 현의 정상파(Standing Wave). Figure 2.3 전자 분포에 의한 (a) Bohr, (b) 파동역학적 원자 Model의 비교. Materials Science & Engineering 2019 Spring. Copyright by DH Lee. Dept. of SCEE, KDU. SCEE.

Chapter 2 원자구조와 원자 간 결합 (Atomic Structure & Interatomic Bonding) 2.3 원자 내 전자 (계속) . 파동역학적 Model은 L. de Broglie가 제안하고 E. Schrödinger가 수학적 해석이 가능한 모형을 제시 진동하는 현(弦, Vibrating String)의 정상파(定常波 ; Standing Wave)를 설명하는 모형과 동일하게 전자의 거동을 설명 (Schrödinger 방정식). d2Y (x) + 8p 2m/h2 (E – V )Y (x) = 0 dx2. Y (x); 전자의 파동 함수(Wave Function, x의 함수), E; 전자가 가진 총 Energy (=위치Energy + 운동Energy), V; 전자의 위치 Energy, m; 전자의 질량, h; Planck 상수 6.6325 x 10-34 J∙sec = 4.13 x 10-15 eV∙sec Figure 2S.10 a) 수소 원자의 전자에 대한 확률 구름 b) 수소 원자의 전자에 대한 원자 궤도. • 파동역학적 해석에 의한 핵 주위 전자 거동 . Figure2S.10은 전자의 움직임에 따른 순간적 위치 변화의 확률을 나타내는 것으로서 Schrödinger 방정식을 풀어 얻은 결과, 진하게 표시한 부분일수록 전자가 머물 확률이 높은 지역이며 이런 모양을 확률구름(Probability Cloud)이라 한다. . 빠르게 움직이는 물체를 육안으로 보면 잔상이 남게 될 것인데, 사람의 눈의 잔상 효과를 충분히 뛰어 넘고도 남을 만큼 빠른 속도로 움직이는 전자를 육안으로 본다면 Figure2S.10 a)와 같은 모양으로 보일 것이며, 이를 보기 쉽도록 형상화한 것이 그림 b) 인데 이와 같은 구(Sphere)를 원자 주위를 돌고 있는 전자의 궤도(Orbital)라고 부른다. . 전자는 이 궤도의 거의 안쪽 에서 원자 주위를 돌며 움직인다는 의미 (확률 ~ 90% 이상) Quiz 1) 구기 종목 중 공의 속력이 가장 빠른 운동경기는?. DE = hn DE = hn. 2) Tennis 선수의 Service 시 공의 속력?. Shell K n=1. L n=2. M n=3. • 원자 구조와 전자 Energy 상태에 관한 Bohr의 원자 Model ☞ Figure 2.1 . Bohr의 이론은 모든 현상을 설명할 수 없는 한계를 가지고 있음이 밝혀지면서 하나의 ‘가설’로 남게 되는데, 수소의 경우처럼 간단한 원자 구조에 한해 제한적으로 적용되는 이론이지만 원자 구조를 개념적으로 이해하는데 도움이 되므로 여전히 현대의. Figure 2.1 Bohr의 원자 구조. 역학에서도 인용되고 있다. Materials Science & Engineering 2019 Spring. Copyright by DH Lee. Dept. of SCEE, KDU. SCEE.

Chapter 2 원자구조와 원자 간 결합 (Atomic Structure & Interatomic Bonding) 2.3 원자 내 전자 (계속) • BM의 원자 Model ☞ Figure 2.1 Table 2S.2 Energy of Series Defined by Bohr’s Atomic Model. ∙ BM에서 유도된 전자의 Energy. Series (계열). E = -2p2me4/n2h2 = -13.6/n2 (eV). m: 전자의 질량, e: 전자의 전하, n: 주양자수 ( = 1, 2, 3, …). . Figure 2.2는 주양자수 값에 따라 Energy가 변화하는 상태를 나타낸 그림이다. n Energy State (eV) (주양자수). Lyman. 1. -13.60. Balmer. 2. -3.40. Paschen. 3. -1.51. Brackett. 4. -0.85. . Bohr의 Model에서 위 식에 의해 계산된 주양자수에 따라 처음 세 계열의 전자의 Energy 상태를 계산해 보면 오른쪽 표(Table 2S.2)와 같은 결과를 얻는다. . 이러한 Energy 상태에 따라 주양자수 n = 1로부터 Lyman, Balmer, Paschen, Brackett 등의 계열(series) 이름을 붙여 부르기도 한다. . 이 해석에서 주양자수(n)에 따른 Energy의 숫자 자체는 큰 의미가 없다고 하더라도 다음 2가지 사실에 주목할 필요가 있다 1) 원자핵 가까이에 있는 전자의 Energy 상태가 상대적으로 더 낮은 값을 가진다 따라서, 상대적으로 안정된 상태를 유지하며 또한 그 상태를 잘 바꾸려 하지 않을 것 2) 원자핵 가까이 있는 전자가 상대적으로 낮은 값을 가지고 있을 뿐만 아니라 절대값이 더 크다는 것은 그 만큼 전자를 원자핵으로부터 분리해 내기 어렵다는 의미 결국 표현은 1)과 다르지만 그 뜻은 1)에서와 같이 더 안정된 상태라는 것과 마찬가지 의미를 가진다. Figure 2.2 (a) Bohr 수소 원자에 대한 처음 세 계열 전자의 E 상태, (b) 파동역학적 수소 원자의 처음 세 각에 대한 E 상태. Materials Science & Engineering 2019 Spring. Copyright by DH Lee. Dept. of SCEE, KDU. SCEE.

Chapter 2 원자구조와 원자 간 결합 (Atomic Structure & Interatomic Bonding) 2.3 원자 내 전자 (계속) • 파동역학(Wave-Mechanical Model)과 양자수(Quantum Numbers) . 원자 내 모든 전자는 양자수(Quantum Number)라는 4개 변수 n, l, ml, ms에 의해 특성화 1) n, 주양자수(Principal Quantum Number) BM에서 보는 것처럼 전자의 운동 궤도를 핵 주위에 핵에 가까운 순서로 K, L, M, N, O 각 (主殼, Shell) … 등으로 부르며, 각각 해당되는 주양자수는 정수로서 순서대로 K각 부터. Table 2.1 양자수 및 주각과 부각이 수용할 수 있는 상태 수와 전자수 주양자수 PN n. 주각 (Shell) 명칭. 1. K. 2. L. 시작하여 n = 1, 2, 3, 4, 5, … 가 된다 각 각(殼)에는 2n 개만큼 전자가 들어갈 자리(Electron Home)가 존재한다 ☞ Table 2.1 2. 2) l (= n-1), 부양자수*1(Subshell Quantum Number) *1. 각운동량 양자수(Angular Momentum QN). 3. M. 부양자수 SN l = n-1. 부각 (Subshell) 명칭. 상태 수 (+l, 0, -l). 0*2. s. 0. 수용 전자수 2n2 부각. 주각. 1. 2. 2. s. 1. 2. 1. p. 3. 6. 0. s. 1. 2. 8. 1. p. 3. 6. s(harp), p(rincipal), d(iffuse), f(undamental) 등으로 표시되는 부각. 2. d. 5. 10. 주각이 차지할 수 있는 부각의 수는 주양자수 n 값에 달려있다 ☞ Table 2S.3. 0. s. 1. 2. 1. p. 3. 6. 2. d. 5. 10. 3. f. 7. 14. 4. 3) m l (= +l, …, +1, 0, -1, …, -l), 자기양자수(Magnetic Quantum Number). N. s, p, d, f 각 부각의 상태 수는 1, 3, 5, 7 *2. 4) m s (+1/2 & -1/2), 전자 Spin 양자수(Electron Spin Quantum Number). 18. 32. 여기서 0의 의미는 ‘0 개’라는 것이 아니라 ‘0’이라 이름 붙여진 부양자수라는 의미임에 유의 PN = 2 인 L 각에는 각각 ‘0’과 ‘1’이라 이름 붙여진 2 종류의 부양자수가 있다는 의미. 전자 Spin Moment의 방향을 표시하는 양자수로서 각 Energy State마다 Up(+1/2,↑)과 Down(-1/2,↓)의 2개의 상태만이 존재 ☞ Figure 2S.11. Figure 2S.11 외부 자기장 속에서 전자의 2가지 회전 방향. Materials Science & Engineering 2019 Spring. Copyright by DH Lee. Dept. of SCEE, KDU. SCEE.

Chapter 2 원자구조와 원자 간 결합 (Atomic Structure & Interatomic Bonding) 2.3 원자 내 전자 (계속) • 가전자(價電子, 원자가전자, Valence Electron) ∙ 한 원자에 속해 있는 전자 중에서 다른 원자와의 결합에 참여함으로써 원자로부터 구속을 받지 않거나 분리되는 전자 . 다른 원소와 결합에 참여하여 상대 원자에게 전자를 내어주거나 상대로부터 전자를 받아들이는 경우, 결합에 참여하는 원자는 이러한 전자들로 인해 전기적으로 양(陽, Positive). 또는 음(陰, Negative)의 값을 가지게 되는데 이렇게 되면 원자는 더 이상 전기적으로 중성적인 원자로 거동하지 않으며 Ion 이 된다 ☞ Figure 2S.1. Figure 2S.12 자기 양자수에 따른 Orbital의 4가지 모양. • 오른쪽 Figure 2S.12는 SQN s, p, d, f 의 공간 상 형상을 Figure 2S.10 b)와 유사한 궤도로 도식화하여 나타낸 것이다 . s 궤도는 공간적으로 구형을 이루지만, 기타 p, d, f 등의 궤도는 다양한 기하학적 대칭 형태로 나타난다 . 원소에 따라 양성자와 전자의 수가 달라지므로 다양한 종류의 부각을 소유하게 되는데, 이러한 부각 형태와 이 부각에 존재하는 전자의 수에 따라 원소 간 다양한 형태의 화학 결합(궤도의 겹쳐짐)이 나타나게 되고, 이 결합의 종류에 따라 물질의 성질이 모두 다르게 나타난다 . 즉, 원자 주위에 다양한 궤도를 형성하고 있는 전자의 궤도에 의해 물질의 특성이 결정된다. Materials Science & Engineering 2019 Spring. Copyright by DH Lee. Dept. of SCEE, KDU. SCEE.

Chapter 2 원자구조와 원자 간 결합 (Atomic Structure & Interatomic Bonding) 2.3 원자 내 전자 (계속) • Pauli의 금칙(Pauli’s Exclusion Principle, 이하 PEP로 약함)과 원자 내의 전자 배치(Electron Configuration) . PEP 하나의 Energy 상태에는 최대 2개의 전자만 수용될 수 있는데, 두 개의 전자는 반드시 전자 Spin의 방향이 반대이어야 한다 즉, Spin이 동일한 전자가 한 상태에 들어갈 수 없다*1 ☞ Figure 2S.11 *1. BM은 이러한 상황을 설명하지 못한다. . 전자 배치 - 원자 내의 모든 Energy 상태가 반드시 전자로 채워지는 것은 아니며, 대부분의 원자들은 전자를 수용할 수 있는 주·부각에서 가장 Energy가 낮은 상태에서부터 상태 당 2개의 전자를 수용하게 된다. - Figure 2.7는 Sodium(Natrium,. 11Na)의. 원자 Energy 구조인데, 지금까지 논한 양자수에 관한 여러가지 원칙들에 의해. Sodium 원자 내에 있는 전자의 Energy 상태를 표시한 것이다. Figure 2.7 Sodium(Na) 원자에 채워진 전자의 Energy 상태를 보여주는 개략도. - 전자는 일반적으로 가장 낮은 Energy 상태(기저 상태, Ground State)부터 차지하게 되는데, 이는 자연계에서 Energy가 낮은 상태가 안정된 상태이며 따라서 자연의 모든 계(系)는 조건이 허락되는 한 가장 낮은 Energy상태로 가려고 하기 때문이다 그렇지만 Figure 2.1에서 언급한 것처럼 전자는 낮은 Energy 상태에서 높은 Energy 상태로 옮겨 갈 수도 있는데 이를 전이 (혹은 천이, Transition라고 한다). - 원자 내의 전자 배치는 이런 방식으로 Energy 상태가 전자에 의해 채워진 결과를 뜻하는데, 여러 원소들에 대한 안정된 전자 배치의 예를 Table 2.2 (in p31)에 표시하였다. - 원자 내의 모든 Energy 상태가 반드시 전자로 채워지는 것은 아니다 (비어 있는 Energy 상태가 존재). Quiz) What is the Atomic Formula of the Edible Salt(Sodium Chloride) being used for Food as a Sauce? Then, Configure the Electrons in Chlorine(17Cl) Atom in terms of Energy State. Materials Science & Engineering 2019 Spring. Copyright by DH Lee. Dept. of SCEE, KDU. SCEE.

Chapter 2 원자구조와 원자 간 결합 (Atomic Structure & Interatomic Bonding) 2.3 원자 내 전자 (계속) • 뒤에 논할 화학 결합(Chemical Bond)의 근원은 모든 원자가 더 안정된 전자 상태 (Electronic Configuration)를 가지려 하는 경향에서 비롯된다 (계의 Energy의 최소화) . 자연의 모든 계(系, System)는 Energy가 최소인 상태(열역학적으로 안정 상태)를 유지하려는 경향이 있다 . 우측 Figure 2S.13 (a) 직육면체로 이루어진 한 장의 벽돌이 평평한 바닥에 놓여져 있는 경우. 맨 왼쪽 상태 같이 짧은 모서리를 바닥에 대고 세울 수 있는데, 이를 손가락으로 밀어 넘어뜨린다고 하면 가운데 그림과 같은 상태를 거쳐 궁극적으로는 가장 오른쪽 그림과 같이 넘어져서 긴 모서리가 바닥에 놓인 상태가 되고 더 이상은 밀더라도 넘어지지 않을 것,. G. 이 때 무게 중심의 위치(높이, Point G)의 변화를 주목. G G. . 아래 Figure 2S.13 (b)에는 무게 중심의 위치(높이)의 변화를 한 축에 나타내었다 무게 중심의 변화에 따른 벽돌의 위치 E의 변화를 살펴 보면, 가장 우측의 상태가 위치 E가 최소인 상태 (역학적으로 가장 안정), 따라서 벽돌은 더 이상 넘어지지 않는다. Center of Mass (무게 중심). 좌측의 상태는 중간 상태보다는 상대적으로 안정된 상태이지만, 더 안정된 상태가 존재하므로 벽돌은 이렇게 더 안정된 상태를 취하려는 경향이 있으며, 외력이 가해지면 위치 E가 최소인 상태로 가게 된다. ∙ 이 과정에서 반드시 Energy장벽(Barrier)을 극복해야 하며, 이를 넘어서기 위해서는 외부 자극(외력)이 필요한데, 외력에 의해 가해지는 Energy를 활성화Enegy(Activation Energy)라 부른다. ∙ 자연의 모든 계는 이렇듯 더 낮은 E 상태를 취하려는 경향을 가지며, 궁극적으로는 가장 E가 낮은(안정된). Figure 2S.13 벽돌의 위치 변화에 따른 위치 Energy 변화와 안정성. 상태로 가려는 경향을 가지고 있다 ∙ 계가 취하는 Energy 상태(크기)에 따라 계의 안정성을 판단하는 것을 열역학(Thermodynamics)이라고 한다 * 열역학적 해석으로는 다만 계의 안정성을 판단할 수 있을 뿐 얼마나 빨리 그 상태가 변화하는지는 알 수 없기 때문에 Energy의 변화(반응) 속도를 알기 위한 여러가지 이론과 해석이 필요하게 되는데, 이러한 접근 방법은 반응속도론(속도학, Kinetics)이라고 부른다. Materials Science & Engineering 2019 Spring. Copyright by DH Lee. Dept. of SCEE, KDU. SCEE.

Chapter 2 원자구조와 원자 간 결합 (Atomic Structure & Interatomic Bonding) 2.4 주기율표(Periodic Table) • 주기율표의 화학적 의미와 주기율표 내 원자 배열 . 존재하는 지구 상의 모든 원소의 배열표 (인공적으로 만들어진 원소를 포함 모두 118종) . 개개 원소 자체의 정보를 담고 있으며, 원소 간 결합의 종류와 그 양상에 영향을 미치는. 여러가지 다양한 속성을 포함, 설명 . 주기율표 내 원소(Element)는 각 난에 화학기호, 원자번호, 원자량을 사용하여 표시 괄호 안 숫자는 가장 안정되거나(Stable) 가장 잘 알려진 동위원소(Isotope)의 질량수 ☞ Figure 2S.14, Figure 2.8 (in p32). 원소 이름. Hydrogen 1. 원소 기호. H 1.008. 원자 번호 원자 질량(amu). Figure 2S.14 주기율표 내의 개별 원소 표시 . 주기율표에는 원소를 행과 열로 구분하여 원자구조와 화학 작용에 따라 배열한 형태로 표시 ☞ Figure 2S.15 1) 행(가로 줄); 주기(Period)를 나타냄. 최대수를 완성하면 최외각의 궤도를 채우고 끝난다 ☞ Figure 2S.16 주기가 존재한다는 것은 여러 원소의 전자 배열의 규칙성이 반복(Octet Rule, I–VIII 주기) 된다는 것을 의미 2) 열(세로 줄); 족(Group, 혹은 Family)을 표시 첫 A족은 IA로 표시, 이 족에 있는 모든 원소의 원자는 바깥 궤도에 1개의 전자를 가진다는 의미 ☞ Table 2S.3 IIA족에 있는 모든 원소는 바깥 궤도에 2개의 전자를 보유 ☞ Table 2.2 in p31, 이 규칙은 VIIIA족까지. 주기(Period)의 변화. 주기는 새로운 궤도에서 한 개의 전자로 시작, 주 Energy 준위를 차지하는 전자의. 계속, Helium(He)을 제외한 모든 원소는 바깥 궤도에 8개의 전자가 존재. 동 족. 족(Group)의 변화. 원 소 동주기 원소 Figure 2S.15 주기율표의 족과 주기의 구성. . 원자 바깥 궤도함수에 있는 전자만이 화학반응에 관여, 즉 원소의 화학적 특성은 바깥 궤도에 있는 전자(최외각 전자)에 의해 결정, 따라서 같은 족에 속한 원소들은 결합에서 나타나는 화학적 성질이 비슷하다는 의미. . 주기율표 상에서 동일 행 내의 왼쪽에서 오른쪽으로 갈수록 원자번호는 증가, 원자의 크기는 작아진다 ∵ 외각 궤도의 전자의 수가 증가하므로 더 큰 전기적 인력이 작용하기 때문 Quiz) Which is Right Statement in the Parenthesis? 동일 족 내에서 아래로 갈수록 원자 크기는 (커, 작아)진다 ☞ Figure 2S.17. . 주기율표는 A족과 B족으로 세분화 (A족과 B족을 ‘1－18’ 명칭을 사용하여 나타내기도 함) ☞ Figure 2S.16 1) A족 구성 원소; 주족(Main Group), 또는 전형원소(Representative Elements) 2) B족 구성 원소; 전이원소(천이 원소, Transition Elements), 또는 전이금속이라고 부른다. Materials Science & Engineering 2019 Spring. Copyright by DH Lee. Dept. of SCEE, KDU. SCEE.

Chapter 2 원자구조와 원자 간 결합 (Atomic Structure & Interatomic Bonding) 2.4 주기율표 (계속). Inert Gases. Uut. Fl. Uup. Lv. Uus. Uuo. Figure 2S.16 원소의 주기율표. Materials Science & Engineering 2019 Spring. Copyright by DH Lee. Dept. of SCEE, KDU. SCEE.

Chapter 2 원자구조와 원자 간 결합 (Atomic Structure & Interatomic Bonding) 2.4 주기율표 (계속) • I족 염기성 금속(Alkali Metals) . I족 (첫열)의 모든 원소는 최외각 궤도(Outer Orbital)에 전자가 1개 ☞ Table 2S.3. (수소는 Alkali 금속은 아니나 최외각 궤도에 한 개의 전자를 가지고 있기 때문에 동일한 족에 배치). Table 2S.3 Alkali 금속의 전자 배치. . 칼로 쉽게 자를 수 있을 만큼 부드럽고 반짝이는 저밀도 금속 . 물과 격렬하게 반응하여 Alkali 용액을 형성, 반응성이 강하기 때문에 자연적으로 발생하지 않는다 (별도 추출 필요). • VIIA족 (Halogen) VIIA족 원소는 모두 일곱 개 전자의 외부 배열을 가지고 있으며, 바깥 궤도를 채우기 위해 1개의 전자를 더 필요로 한다. 1개의 최외각 전자. 이들 원소를 Halogen족(Halogen Group)이라고 하는데, 매우 반응성이 큰 비금속이다 예) 불소(F)는 옅은 노란색, 염소(Cl)는 황록색 기체, Brome(Br)은 적갈색 액체, Iodine(I)는 자주색 고체로서,. 해독제나 표백제로 사용되고 금속과 결합하여 Halogen Lamp의 광원으로 사용 . Halogen*1은 금속과 반응하여 NaCl과 같은 염(Salt)을 형성 *1. Halogen은 Greece어로 ‘염 전구체’(前驅體) - Salt Former를 의미 Table 2S.4 불활성 기체 족의 전자 구조. • II족 염기성 토금속(Alkaline Earth Metals) . 둘째 열의 모든 원소는 바깥쪽 전자가 2개인 원소로, Alkali 토류금속(Alkaline Earth Metals) . 부드럽고 반응성이 있는 금속이나, Alkali 금속 보다는 약하다 안정된 최외각 전자 배치. • VIIIA족(Noble Gases, Inert Gases) ☞ Table 2S.4 . 최외각 전자(Outer Electrons)의 배열이 가득 차있기 때문에 다른 원소와 잘 화합하지 않는 원소들로서 매우 안정적(Inert)인 상태 (무색, 무취의 기체 cf. Halogen Gas와 비교). 8개의 최외각 전자. . 다른 원소와 화합물을 형성하지 않으므로 화학적으로 비활성기체(Inert Gas), 귀족기체(Noble Gas)라고도 한다 (희소성 때문에 희소기체 – ‘Rare Gas’라고도 부름). Materials Science & Engineering 2019 Spring. Copyright by DH Lee. Dept. of SCEE, KDU. SCEE.

Chapter 2 원자구조와 원자 간 결합 (Atomic Structure & Interatomic Bonding) 2.4 주기율표 (계속). IA. IIA. IIIA. IVA. VA. VIA. 1s1. VIIIA. 1s2 K Shell. K(2) Shell 2s1. VIIA. 2s2 2p1. 2p2. 2s2. 1s2. K (2 ) L ( 8 ). K (2 ) L (8 ). 3s1. 2p6. 2p6. 3s2. 3p1. 3p2. 2s2 1s2. K(2) L (8 ) M(18). 3s2. 3p6. K (2 ) L 8 ( ) M 18 ( ). Figure 2S.17 주기율표 1~3 주기 원소들의 각 모형(Shell Model)과 전자 배치. Materials Science & Engineering 2019 Spring. Copyright by DH Lee. Dept. of SCEE, KDU. SCEE.

Chapter 2 원자구조와 원자 간 결합 (Atomic Structure & Interatomic Bonding) 2.4 주기율표 (계속) • 전이원소(천이원소, Transition Metals) . 각 족 내에서 B족 전이원소는 모두 금속인데, 유사한 성질의 세로 방향으로 같은 족 원소를 형성하는 전형원소와 그 거동이 다르며, 가로 방향으로 유사 성질을 보유하는 경향을 가짐. e.g. VIIIB족 세 원소 - 철(Fe), Cobalt(Co), Nickel(Ni)은 자성(Magnetism)을 가진다 . 전형원소들을 포함하는 족은 동일한 값의 전하를 가진 Ion을 형성하는데 반해, 전이원소는 변동 전하(Variable Charge)를 가진다 e.g. 구리, 은 등 전이원소는 하나의 최외각 전자를 잃고서 전하 1+인 Ion을 형성하지만, 구리는 전자를 1개 더 잃고 전하 2+인 Ion이 되기도 한다 . 대부분의 전이원소는 s 궤도에 2개의 최외각 전자를 가지며, 전하가 2+ Ion을 형성하기 위해서. Table 2.2 원소들의 궤도와 전자 배치(Electron Configuration). 3+ 전자를 더 내놓기도 하는데, Fe, Co, Ni 등은 원자가가 3+ 인 Ion (M )을 형성하기도 한다. . 전이원소의 전자 배치 Figure 2S.17을 IV족까지 확장하여 전이금속 원소들의 전자 배치를 나타낸 것이 Table 2.2 in p31 . 일부 구간에서 전자 배치 순서가 부각 Energy에 따라 뒤바뀌는 경우가 있는데, 4s의 Energy 상태가 3d 보다 낮으므로 이에 따라 3주기에 있는 Scandium(Sc)부터 Zinc(Zn)까지는 3d 상태가 채워지기 전에 Energy 상태가 더 낮은 4s에 먼저 전자가 채워진다 ☞ Figure 2.6 in p29. Some Aspects 1) ns < (n+1)s < (n+2)s 2) ns < np < nd < nf 3) Overlap of nd or nf with (n+1)s. 전이원소 Energy 준위; 4s < 3d. Figure 2.4 주각과 부각에 따른 상대적 Energy 준위. Materials Science & Engineering 2019 Spring. Copyright by DH Lee. Dept. of SCEE, KDU. SCEE.

Chapter 2 원자구조와 원자 간 결합 (Atomic Structure & Interatomic Bonding) 2.4 주기율표 (계속) • 전기음성도(전기음전성, Electronegativity) . Figure 2S.18, Figure 2.9 in p33의 주기율표 상에 나타낸 것처럼 대부분의 원소들은 금속으로 분류되며 이 원소들은 전자의 일부를 방출하면서 양Ion(Cation)이 되려는 경향이 있는데. 이를 전기양전성을 띤다(Electropositive)라고 표현하며, 반대로 주기율표 우측에 있는 원소들은 전자를 받아들여 음Ion(Anion)이 되려고 하는 경향이 있으므로 상대적으로 전기음전성을 띤다(Electronegative, Electronegativity)고 표현한다. . 전기양전성과 음전성의 경향은 최외각에 있는 전자의 수를 비교해보면 알 수 있는데, 외각에 전자가 한 두개 있는 경우는 전자를 받아들이는 것보다 내어주기가 상대적으로 용이하기 때문이며 따라서 전자를 내어주고 양전하를 띠게 된다 (음전성의 경우는 이와 반대로 전자를 받아들이는 것이 상대적으로 용이하다 Section 2.5에서 결합력과 결합 Energy를 살펴 보게 되는데, 전자를 떼어내는 데는 향상 일정량의 Energy가 필요하므로 보다 많은 전자를 떼어낼수록 Energy가 더 많이 필요하기 때문). . 주기율표 상 원소들의 전기음성도 ☞ Figure 2.9 in p33. . 일반적으로 주기율표 왼쪽에서 오른쪽으로 갈수록, 또 하단에서 상단으로 갈수록 전기음성도가 증가하는 경향을 보인다 Quiz) 이러한 경향의 이유를 설명해 보라. 비활성기체들의 전기음성도 지표 무의미. Figure 2S.18 원소의 전기음성도. Materials Science & Engineering 2019 Spring. Copyright by DH Lee. Dept. of SCEE, KDU. SCEE.

Chapter 2 원자구조와 원자 간 결합 (Atomic Structure & Interatomic Bonding) 2.5 결합력과 Energy • 원자 간 인력(Attraction)과 척력(Repulsion) . 인력과 척력은 모두 원자 간 거리의 함수 즉 FA & FR = f (Interatomic Distance). ∙ 인력, FA 주로 원자 간의 결합(Bond)의 종류와 원자 간 거리에 의존 (Coulomb 힘 - Coulomb의 법칙*1에 의해 정의되는 인력). r 원자 1. 원자 2. . 척력, FR 원자 간 거리에 의존. 척력이. 인력이 지배적인 영역. 지배적인 영역. . 인력과 척력의 합을 FN이라 쓰면 아래와 같이 표현된다. FN = FA + FR *2. 원자 간에 힘이 존재하지 않는 거리 r0가 존재하는데, 이를 평형 상태*3(Equilibrium)라고 한다 *2. 열역학적으로 계의 Energy가 최소 상태라는 의미. FA + FR = 0 *3. 위의 식은 FA, FR 이 모두 0 인 상태가 아니라 그 합이 0인 상태임에 유의. . 수학적으로 FA ≠ FR, FA = -FR 인 것은 FA, FR 의 부호가 서로 반대, 즉 서로 상쇄된다는 의미 즉, FA는 양(+)의 값, FR은 음(-)의 값을 가진다 Figure 2.10 (a) 고립된 두 원자 간의 거리 변화에 따른 척력, 인력과 총 힘의 변화 (b) 거리 변화에 따른 Energy의 변화. Materials Science & Engineering 2019 Spring. Copyright by DH Lee. Dept. of SCEE, KDU. SCEE.

Chapter 2 원자구조와 원자 간 결합 (Atomic Structure & Interatomic Bonding) 2.5 결합력과 Energy (계속) • 결합 Energy ∙ 결합 Energy(Bonding Energy) 1) 최소 위치 Energy 는 평형 원자간 거리(Equilibrium Distance, r0)에서 나타나는데, 무한대만큼 떨어져 있는 하나의 원자를 또 다른 원자에 근접시킬 때 나타나는 Energy의 최소값. (평형, Equlibrium: 열역학적으로 최소 Energy 상태, 가장 안정된 상태, 이하 Eqm.으로 약함) 2) 1)의 반대과정을 생각해 본다면 평형 원자간 거리 r0 만큼 떨어져 있는 원자를 떼어 내어 무한대의 거리로 격리시킬 때 필요한 Energy가 결합 Energy가 된다 3) 결합 Energy의 크기, 원자 간 거리에 따른 결합 Energy의 변화 양상, 평형 거리(r0)는 재료의 고유 특성 (즉, 재료마다 다르다지만 대략 0.3 nm = 3 Å ) 또한 재료의 여러가지 물성이 Energy 변화의 양상과 결합 Energy에 의존 ☞ Figure 17.3 in p883. . 물리학적으로 Energy는 일반적으로 아래와 같이 표현된다. ☞ Refer to (2.9, 2.10, 2.11) in p37. [Energy] = [Force(힘)] x [Displacement(변위)]. FA =. 일을 하는 시간 동안 작용한 힘이 시간과 위치에 따라 일정치 않고. k0 (|Z1|e) (|Z2|e) / r2. FR = - B n / rn+1. 시각과 위치에 따라 변화하므로, 수학적으로는 일반식으로서 아래와. k0 ; A0 / 4peo (A0는 상수) eo ; 진공 유전율 (= 8.85 x 10-12 F/m). 같이 표현 (어떤 힘에 의해 발생한 Energy는 그 힘이 가해진 구간에서. |Z1|, |Z2| ; 두 Ion 거동에 따른 최외각 전자의 절댓값 e ; 전자의 전하 (= 1.602 x 10-19 C). 그 힘을 적분하면 얻을 수 있다) ☞ Figure 2.10 in p35. * B,. E = ∫ F dr. n 은 실험적으로 결정되는 값(Empirical Value), n은 원자 결합의 종류에 따라 달라진다 (n = 8~10) A의 값도 이론적으로는 (2.10)으로 쓸 수 있지만 A0와 더불어 통상 실험적으로 결정한다. 따라서 이 원자계에서 순 Energy EN은 아래와 같이 표현되며, EA, ER은 각각 인력과 척력에 의해 생성되는 Energy로서 아래와 같다. r. EA = ∫ FA dr = - ko (|Z1|e)(|Z2|e) / r = ∞. r. r. 𝟏. 4pe0. (|Z1|e)(|Z2|e) / r = - A / r. r. r. ER = ∫ FR dr = ∫ [- B n / rn+1]dr = B / rn ∞. ∞. r. EN = EA + ER = ∫ FN dr = ∫ FA dr + ∫ FR dr = - (A / r) + (B / rn) ∞. Materials Science & Engineering 2019 Spring. ∞. ∞. Copyright by DH Lee. Dept. of SCEE, KDU. SCEE.

Chapter 2 원자구조와 원자 간 결합 (Atomic Structure & Interatomic Bonding) 2.5 결합력과 Energy (계속) • 결합의 종류 ∙ 1차 결합(Primary Bond, 주결합); 화학적 결합(Chemical Bond → Chemisorption(화학적 흡착) = Chemical + Absorption 주결합의 근원은 구성 원소들의 전자 구조에 의존, 이 결합은 불활성기체(Inert Gas)에서와 같이 최외각 전자가 완전히 채워진 안정된 전자 구조를 얻으려는 경향의 결과. 3 종류의 결합: 1) Ion결합(Ionic Bonding), 2) 공유결합(Covalent Bonding), 3) 금속결합(Metallic Bonding). . 2차 결합(Secondary Bond, 부결합,); 물리적 결합(Physical Bond →Physisorption(물리적 흡착) = Physical + Absorption 다수의 재료에서 발견되는 (원자 간, 또는 분자 간) 2차적 결합, “van der Waals” 결합과 수소결합(Hydrogen Bond) 등의 물리적 결합 e.g. Natural Oxide(자연산화막), 자연계에서 물질의 표면에 존재하는 얇은 탄소층(Carbon on Free Surface of Materials) 등. 2.6 1차 원자 결합 • Ion결합(Ionic Bonding, Heteropolar Bonding) ∙ 양전하(주로 주기율표 좌측의 금속원소)와 음전하(주기율표 우측 전기음성도가 큰 비금속원소)를 가진 이종원소 간 정전기적 인 힘(Electrostatic Force, CF)에 의한 결합 ∙ 요업재료(Ceramic)에서 많이 볼 수 있는 결합 형태 + + + + ∙ 대표적인 예가 염화Natrium(Sodium Chloride, NaCl = Na - Cl ), 산화 Magnesium(Magnesium Oxide, MgO = Mg - O ) 가전자가 금속원소(Na , Mg )로부터 다른 비금속원소 (Cl , O )로 이동하면 금속원소는 전기적으로 양전하를 띠게 되고 비금속 원소는 음전하를 띠게 되며, 양/음 전하 상이에 형성되는 Coulomb 힘에 의해 결합이 이루어 짐. F = - k0∙(|Z1|e)∙(|Z2|e)/r2 = - (1/4p e0 )|Z1|e |Z2| e/r2 = - (1/4p e0) |Z1| |Z2| e2/r2 ☞ Figure 2.10 in p35 * CF를 설명하는 상기 식의 물리적 의미 1) CF는 두 원자가 가진 전하의 양에 비례 2) CF는 두 원자 간 거리가 가까워 질수록 커진다 (수학적 표현으로는 음의 값을 가지지만 힘의 절대값은 커진다). ∙ 멀리(∞) 떨어져 있는 두 원자를 평형 거리(Eqm. Distance, r0)까지 움직이는데 필요한 Energy(결합 E)는 상기 식을 [∞, r0] 구간에서 아래와 같이 적분하여 얻는다. r. r. ∫∞ 0 F dr = ∫∞ 0 - (1/4p e0 )(|Z1| |Z2| e2 )/r2 = - (1/4p e0) |Z1| |Z2| e2/r0. Materials Science & Engineering 2019 Spring. Copyright by DH Lee. Dept. of SCEE, KDU. SCEE.

Chapter 2 원자구조와 원자 간 결합 (Atomic Structure & Interatomic Bonding) 2.6 1차 원자 결합 • Ion결합 (계속) ∙ 2-, 3- 차원 구조 ☞ Figure 2.11, Fig. 2S.19 두 원자에 작용하는 전기적인 힘에도 불구하고 우리가 육안으로 접하는 NaCl이나 MgO의 고체 결정은 전기적으로는 중성을 유지 + 이는 Na , Cl Ion들이 공간 내에서 규칙적으로 배열되어 대칭성을 유지하기 때문 (결정구조의 대칭성의 결과). ∙ Ion결합은 매우 큰 Energy (600~1500 kJ/mol, 3~8 eV/atom)가 발생하는 결합이므로, 이 결합에 의한 재료는 단단하고(Hard) 취약한(Brittle) 성질을 나타내며, 매우 높은 융점을. 가진다 ☞ Table 2.3 in p38. (a ). (b ) + Figure 2.11 모식도: (a) Na 와 Cl 의 형성, (b) NaCl의 Ion 결합. Materials Science & Engineering 2019 Spring. + Figure 2S.19 NaCl의 결정 구조에서 나타나는 Na , Cl Ion의 배열 6 (각 원자가 이종의 원자 개에 의해 대칭적 구조). Copyright by DH Lee. Dept. of SCEE, KDU. SCEE.

Chapter 2 원자구조와 원자 간 결합 (Atomic Structure & Interatomic Bonding) 2.6 1차 원자 결합 (계속) • 공유결합(Covalent Bonding) ∙ 동종(同種), 혹은 이종(異種)의 두 인접 원자 사이에서 전자를 공유함으로써 안정적인 전자 배치를 가지는 결합 ∙ 두 원자에서 적어도 하나 이상의 전자가 결합에 참여, 서로 공유하는 전자는 두 원자 모두에 속하는 것으로 간주 e.g. 수소 분자의 경우 각 수소 원자에 있는 1개의 외각전자를 두 원자가 공유하여 한 개의 원자가 마치 외각에. (a ). 2개 전자를 가진 것처럼 분자를 형성, Helium 원자와 같은 안정된 전자 배치를 가진다 ☞ Figure 2S.20. H˙ + H˙ → H : H (b ). ∙ 공유결합의 대표적인 예 1) 동종 원소. Figure 2S.20 2개 수소 원자의 공유결합에 의한 수소 분자의 형성과 전하분포 (a) 2개 수소 원자, (b) 수소 분자. H2 ☞ Figure 2S.20 Cl2, F2, O2 (2중 공유결합) ☞ Figure 2S.21 N2(3중 공유결합) ☞ Figure 2S.21. 2) 이종 원소 HF(Hydrogen Fluoride) ☞ Figure 2S.22 H2O(Water) ☞ Figure 2S.22 & 23 Figure 2S.21 동종 원자 간 다중공유 결합의 예. NH3(Ammonia) ☞ Figure 2S.24 in Next Slide CH4(Methane) ☞ Figure 2S.22 & 2.26 in Next Slide, Figure 2.14 & 15 in p42 CO2 ☞ Figure 2S.25 in Next Slide HNO3, GaAs, InSb, SiC. Hydrogen Fluoride. Water. Ammonia. Methane. Figure 2S.22 이종 원자 간 공유 결합의 예. Materials Science & Engineering 2019 Spring. Copyright by DH Lee. Dept. of SCEE, KDU. SCEE.

Chapter 2 원자구조와 원자 간 결합 (Atomic Structure & Interatomic Bonding) 2.6 1차 원자 결합 (계속) • 공유결합(계속) ∙ 공유결합의 대표적인 예 (계속) 1) 동종 원소 H2 ☞ Figure 2S.20. Cl2, F2, O2 (2중 공유결합) ☞ Figure 2S.21 N2(3중 공유결합) ☞ Figure 2S.21 Figure 2S.24 Ammonia(NH3) 분자의 공유결합. 2) 이종 원소. Figure 2S.25 이산화탄소(CO2) 분자의 공유결합. HF(Hydrogen Fluoride) ☞ Figure 2S.22 H2O(Water) ☞ Figure 2S.22 & 23 NH3(Ammonia) ☞ Figure 2S.24 in Next Slide CH4(Methane) ☞ Figure 2S.22 in Previous Slide & 2.26. & Figure 2.14 & 15 in p42 CO2 ☞ Figure 2S.25 HNO3, GaAs, InSb, SiC. 3) 동종 원소의 단원자 고체 Diamond(C) Silicon(Si) Germanium(Ge). Figure 2S.26 Methane(CH4) 분자의 공유결합을 나타내는 개략도. Materials Science & Engineering 2019 Spring. Copyright by DH Lee. Dept. of SCEE, KDU. SCEE.

Chapter 2 원자구조와 원자 간 결합 (Atomic Structure & Interatomic Bonding) 2.6 1차 원자 결합 (계속) • 탄소에서의 결합 혼성(Hybridization) . 혼성 궤도(Hybrid Orbitals)에 의한 결합이 흔히 발생 . 혼성궤도란 서로 Energy 상태가 다른 종류의 궤도가 혼재되어 있는 것을 말하는데, 이러한 혼성궤도에 의한 결합을 혼성 결합이라고 한다 e.g. Methane(CH4)의 경우 ☞ Figure 2.14 & 15 in p42. . p41-43에 걸쳐 설명된 내용들을 상세히 학습하지 않지만, 여기서 알아야 할 것은. 이런 결합 양상의 차이에 의해 같은 성분을 가진 물질이라도 그 결정구조가 달라질 수 있다는 점 단원자 탄소(C)의 경우가 좋은 예, 탄소는 그 결합의 양상에 따라 흑연(Graphote), Diamond, Graphene 등 다양한 재료로 구분되는데 이를 동질이상(同質異狀, Polymorphism)이라고 부르며, 이렇게 동질이상으로 고체 상태로 존재하는 여러 형태를 동질이형(Allotropy)이라고 부른다 ☞ Section 3.10 (in p82-83) Figure 2.15 Methane(CH4) 분자에서 탄소 sp 혼성 궤도가 4개의 수소원자의 1s 궤도에의 결합을 보이는 모식도 3. e.g. 탄소의 궤도 결합 양상의 차이에 따른 동질이상 1) Diamond 2 2 2 2 1 3 3 탄소의 전자배치 1s 2s 2p ☞ Table 2.2 in p31가 1s 2s 2p (이를 sp 혼성궤도라고 함)로 바뀌어. 4개의 sp3 궤도끼리 3차원적으로 정사면체(Tetrahedron)의 형태로 결합한 것이 Diamond의 구조 ☞ Section 3.10 (p82-83), Figure 3.17 in p82 2) 흑연(Graphite) sp2 궤도가 평면(2차원적)에서 6각형을 이루며 만들어진 판상구조(Graphene) ☞ Footnote 3.18 in p82 판과 판 사이는 공간적으로 다른 방향으로 놓인 궤도(혼성궤도 2pz ☞ Figure 2.5 in p28)에 의해 상대적으로 약하게 결합되어 있다 (Graphite) ☞ Figure 3.18 in p82 위와 같은 혼성궤도 간 결합력의 차이로 인해 Diamond의 단단한 성질은 흑연과 큰 차이를 나타내게 된다. . 같은 물질이라도 온도의 변화에 따라 그 결정구조가 달라지는 동질이형 현상을 겪기도 하는데, 재료공학에서 이러한 현상을 변태(Transformation)이라고 부른다 912 ℃. e.g. 철(Fe) Fe(BCC) → Fe(FCC) (BCC, FCC 등의 결정 구조에 대해서는 Ch. 3에서 다루게 될 것임). Materials Science & Engineering 2019 Spring. Copyright by DH Lee. Dept. of SCEE, KDU. SCEE.

Chapter 2 원자구조와 원자 간 결합 (Atomic Structure & Interatomic Bonding) 2.6 1차 원자 결합 (계속) • 금속결합(Metallic Bonding) ∙ 단원자 금속, 합금 등에 존재하는 결합, Ion Core + Electron Cloud (자유전자 모임에 의해 형성됨). ∙ 1~3개의 가전자가 특정 원자에 속하지 않고 원자 간에 자유롭게 유동(Drift), 공유결합이나 Ion결합에 관여하는 전자보다 상대적으로 그 운동이 자유롭다. (자유전자, Free Electron) ☞ Figure 2.19 자유 전자가 전자의 바다(Sea of Electrons)나 전자운(Electron Cloud)을 형성한 것으로 해석, 이 경우 결합의 양상은 공유결합의 경우와 유사하지만 공유결합의 경우와는 다르게 전자의 거동이 자유롭다 남아있는 비(非)가전자(Nonvalence Electrons)와 핵을 합하여 Ion Core라 부름. ∙ Ion Core의 전하량은 가전자의 전하량에 해당되는 만큼 양의 값이 될 것, 결합 이후 전체적으로는 전기적 중성을 유지하므로 금속결합은 특정한. Figure 2.19 금속결합의 모식도. 방향성이 없다 ☞ Figure 2.19. ∙ Ion결합이나 공유결합과 다른 점은 자유 전자의 존재로 인해 금속은 양질의 열적, 전기적 전도체, 또한 상온에서 대부분 금속과 합금은 연성*1(延性, Ductility), 전성*2(展性, Malleability)을 나타낸다 *1. 연성: 변형이 가능(다양한 형태로 가공), 그러나 많은 Energy가 필요 ↔ (반대어) 취성(脆性), 취약, Brittle(ness) = Ion결합이나 공유결합을 가진 재료의 특성, 가공성이 낮음 *2. Materials Science & Engineering 2019 Spring. Copyright by DH Lee. 전성: 가공하여 옆으로 넓게 펼칠 수 있는 성질. Dept. of SCEE, KDU. SCEE.

Chapter 2 원자구조와 원자 간 결합 (Atomic Structure & Interatomic Bonding) 2.7 2차 결합 • 2차 결합 (또는 van der Waals Bond, 이하 VDWB로 약함) . 2차결합은 모든 안정된 원자와 분자 간에 존재,혹은 전기적으로 극성이 없는 액체나 고체 상태에서도 존재. ∙ 원자, 혹은 분자 간 결합 중 가장 약한 결합으로서, Physisorption 상태로 묶여 있어 아주 작은 결합 Energy (~10 kJ/mol, 0.1 eV)를 가짐, 따라서 1차 결합과 같이 존재할 때 2차 결합의 힘과 Energy는 무시할 만큼 작다. (VDWB의 결합력이나 결합 Energy는 매우 작다 ☞ Table 2.3 in p38). . 분자 간 VDWB의 원천은 유도쌍극자 ☞ Figure 2.21, 혹은 영구쌍극자(Permanent Dipole). . 쌍극자에 의한 VDWB에는 아래와 같은 종류가 존재 (분자간 결합력의 상대적 강도는 1) < 2) < 3)의 순서로 증가) 1) 유도쌍극자 간 결합 (유도쌍극자 - 유도쌍극자) 극성이 없는 분자도 쌍극자로 거동할 수 있는 것은, 특정 위치에서의 전자가 존재하는 것이 확률로. Bonding Force, F Energy, E. e.g. 영구쌍극자의 대표적인 예는 극성을 띤 극성분자(Polar Molecule) HCl , HF ☞ Figure 2.22 (a), 2.23. Figure 2.20 두 쌍극자사이에서의 VDW 결합의 모식도. (a ) (b ) (c ) Time, t. 해석되는 양자역학 개념을 도입하여 이해. Figure 2S.27 결합력, Energy의 시간에 따른 변화 개념 (a) 1차 결합, (b) 2차 결합 - 실제 (c) 2차 결합 – 시간에 따른 평균치. 2) 유도쌍극자와 영구쌍극자 간 결합 (유도쌍극자 – 영구쌍극자) 3) 영구쌍극자 간 결합 (극성분자 - 극성분자). ∙ 전기적으로 대칭인 비극성 원자나 분자에서 대칭성의 순간적, 단기적 왜곡(Distortion) 발생 하면 생성된 쌍극자끼리 Ionic Force(CF)에 의해 2차 결합 ☞ Figure 2.21 (a) -> (b) 따라서 이 결합은 일시적이며 시간에 따라 변화 (Fluctuation, Perturbation ☞ Figure 2S.27). ∙ 2차 결합의 결합력은 매우 약하지만 물성에 영향을 미치며, 전기적 중성 분자의 액화, 응고 등의 상변화 등이 그 예 e.g. H2O의 상변화(相變化, Phase Change) 액체(물) - 고체(얼음) - 기체(수증기) Figure 2.21 a) 전기적 대칭 원자, b) 유도 원자 쌍극자와 생성된 쌍극자 사이의 VDW 결합 유도의 모식도. Materials Science & Engineering 2019 Spring. Copyright by DH Lee. Dept. of SCEE, KDU. SCEE.

Chapter 2 원자구조와 원자 간 결합 (Atomic Structure & Interatomic Bonding) 2.7 2차 결합 (계속) • 수소결합(Hydrogen Bonding) ∙ VDWB의 특수한 형태. ∙ 물(H2O)이 전형적인 예, 생체 내에서 단백질(Protein) 등을 포함한 고분자 (Polymer)의 결합에서 중요한 역할. ∙ 영구쌍극자를 형성하는 H - F, H - O, H - N, H - Cl 등 수소 원자가 다른 원자와 공유결합으로 묶여있는 분자에서, 일단 공유결합에 참여한 수소 원자는 양전하를 띠게 되고, 다른 쌍극자(분자)와 수소 원자가 위치한 반대 측의 음전하와 서로 인력(CF)을 나타내며 결합력을 가지게 되는 것이 수소결합의 원천. . 결과적으로 수소가 전자를 하나 잃고 양성자처럼 거동하며 마치 두 음전하 사이에서 연결 고리 역할, 따라서 이 때 수소 원자의 역할을 양성자다리(Proton Bridge)라고. Figure 2.22 (a) HCl 분자(쌍극자) (b) HCl 분자가 전기적으로 대칭인 원자/분자를 쌍극자가 되도록, 이 사이에 VDW 결합을 유도하는지 보여주는 모식도. 한다 ☞ Figure 2.22, 23. . 공유결합에 의해 수소와 이종 원자 간 영구쌍극자를 형성하는 분자 중에서 2차로 수소결합을 하는 분자들은 전기음성도가 높은 원소를 수소 원자의 짝으로 가진 분자들 F, Cl, O, N 등은 주기율표의 우측에 위치하여 전기음성도가 높은 원소들 H - F, H - O, H - N, H - Cl ,… 1차적으로 이종 원자 간 공유 결합. →. H - F ······ H - F Proton Bridge (Hydrogen Bond). ☞ Figure 2.23. Figure 2.23 HF에서 수소결합의 모식도. . 수소결합의 Energy는 다른 2차 결합에 비해 상대적으로 크기 때문에 수소결합을 2차 결합으로 가지는 재료는 다른 2차 결합 물질보다 상대적으로 높은 융점, 비등점을 가진다 ☞ Table 2.3 in p38. ∙ 수소결합은 분자의 기하학적 분포 구조로 인해 전기적으로 방향성(극성, Polarity)을 가진다. Materials Science & Engineering 2019 Spring. Copyright by DH Lee. Dept. of SCEE, KDU. SCEE.

Chapter 2 원자구조와 원자 간 결합 (Atomic Structure & Interatomic Bonding) 2.8 결합의 혼성 (교과서에는 “혼성 결합”으로 되어있으나 이는 앞서 설명한 혼성 궤도에 의한 결합과 혼동의 소지가 있어 임의로 제목 변경) · 결합의 혼재 양상 . 많은 재료들의 결합에서 원자결합은 두 종류 이상의 결합 성분을 가지게 되는데 이를 결합의 혼성(Mixed Bonds)이라 한다 . 대부분 원자의 결합은 부분적으로 Ion결합과 공유결합의 복합으로 이루어지며, 순수하게 한 가지 종류의 결합의 특성을 가진 재료는 매우 드물다 ☞ Figure 2.25. . 결합의 정도는 구성 원자들의 주기율표 상에서 상대적 위치 ☞ Figure 2.8 in p32. 전기음성도의 차이에 의존 ☞ Figure 2.9 in p33 , 전기음성도의 차이가 클수록 (즉, 주기율표 상에서 떨어진 거리가 멀수록) Ion결합의 성분이 커진다. . 이러한 결합의 혼재성은 XA, XB를 각각 원소 A, B의 전기 음성도라고 하면 Ion결합의 성질 (Ion결합률)을 기준으로 아래와 같이 표현할 수 있다. (a ). 2 [Ion결합률, %] = {1 - exp[-0.25 (XA – XB) ]} x 100. 위 식의 물리적 의미 주기율표 상의 두 원소가 좌측 하단에서 우측 상단 (대각선 방향)으로 갈수록, 또는 서로 거리가 멀수록 전기음성도의 차이(XA – XB 는 A , B의 전기 음성도의 차이를 나타내는 항)는 증가하고, 따라서 Ion 결합성 증대. 2 (XA – XB)↑→ (XA – XB) ↑ → exp[-( )] =. 𝟏 ↓ → {1---} ↑ → Ionic결합률↑ 𝐞𝐱𝐩[ ]. 2.9 분자들 ☞ Read p50-51 in Class (b ) 2.10 결합형태 - 재료 종류와의 상관성 ☞ Read p51 in Class. Materials Science & Engineering 2019 Spring. Figure 2.25 (a) 결합사면체 (Tetrahedron of Bond Types) , (b) 재료의 종류의 사면체 (재료의 종류 와 결합 형태의 연관성). Copyright by DH Lee. Dept. of SCEE, KDU. SCEE.