결정과 비결정

소금, 얼음, 다이아몬드, 구리는 모두 실온에서 고체이다. 그런데 얼음은 손에서 녹고, 소금은 801 °C가 되어야 녹으며, 다이아몬드는 3500 °C가 넘어야 녹는다. 구리는 망치로 두드리면 얇게 펴지지만 소금은 깨진다. 전기는 구리에만 통한다. 모두 입자가 규칙적으로 늘어선 고체인데 왜 이렇게 다를까?

물질 (0 염화 나트륨, 1 얼음, 2 다이아몬드, 3 구리)

1.4.1결정과 비결정

고체 가운데 입자가 3차원으로 규칙적으로 되풀이되어 늘어선 것을 결정성 고체라 한다. 결정은 일정한 녹는점을 가지며, 깨뜨리면 평평한 면을 따라 갈라진다. 반면 유리나 플라스틱처럼 입자가 불규칙하게 굳은 고체를 비결정성 고체라 한다. 비결정성 고체는 일정한 녹는점 없이 넓은 온도 범위에서 서서히 물러진다. 그래서 유리 공예가는 유리를 녹이지 않고 무르게 만들어 모양을 잡는다.

결정에서 되풀이되는 가장 작은 단위를 단위 세포라 한다. 예를 들어 염화 나트륨은 정육면체의 꼭짓점과 면의 중심에 같은 이온이 놓인 구조로, 단위 세포 하나에 Na⁺와 Cl⁻가 4개씩 들어 있다.¹

1.4.2결정을 붙잡는 힘

이온 결정은 힘이 세서 녹는점이 높고 단단하다. 그런데 힘을 받아 이온 층이 조금 밀리면 같은 전하끼리 마주쳐 반발하므로 잘 부서진다. 고체에서는 이온이 움직이지 못해 전기가 통하지 않지만, 녹이거나 물에 녹이면 통한다. 분자 결정은 분자 사이의 힘만 끊으면 되므로 녹는점이 낮다. 공유 결정은 결정 전체가 하나의 거대한 분자라, 녹이려면 공유 결합을 끊어야 하여 녹는점이 매우 높다. 금속 결정은 자유 전자가 양이온들을 고르게 묶어, 층이 밀려도 결합이 유지되므로 펴지고 늘어나며 전기가 잘 통한다.

1.4.3예제 풀이

A는 녹는점이 매우 높은데 녹여도 전기가 통하지 않으므로 이온이나 자유 전자가 없다. 따라서 공유 결정이다. 실제로 녹는점이 약 1700 °C인 석영(SiO₂)이 이런 성질을 가진다.

B는 고체일 때는 전기가 안 통하다가 물에 녹으면 통하므로 이온이 움직일 수 있게 된 것이다. 그래서 이온 결정이며, 염화 칼륨(녹는점 770 °C)이 그 예이다. C는 고체에서 전기가 잘 통하므로 자유 전자가 있는 금속 결정이며, 알루미늄(660 °C)이 그 예이다. 즉 녹는점과 전기 전도성 두 가지만으로도 입자를 붙잡는 힘의 종류를 가려낼 수 있다.

아래 탐구 카드에서 소금, 얼음, 다이아몬드, 구리를 붙잡는 힘을 비교하며 성질의 차이를 직접 설명해 보자.

1. 꼭짓점의 이온은 이웃한 단위 세포 8개가 나누어 가지므로 \(\frac{1}{8}\)개, 면의 중심의 이온은 2개가 나누어 가지므로 \(\frac{1}{2}\)개로 센다. 꼭짓점 8곳과 면 6곳을 합하면 \(8 \times \frac{1}{8} + 6 \times \frac{1}{2} = 4\)개이다.