[일반화학] 27. 이온성 고체, 공유성 그물구조 고체, 상도표

[일반화학] 27. 이온성 고체, 공유성 그물구조 고체, 상도표

이온성 고체는 구가 일정한 방식으로 함께 쌓이는 점에서 금속과 유사하나 구는 서로 다른 크기를 갖는다. 이온반지름(ionic radii)은 일반적으로 음이온이 양이온보다 크다. \(\text{NaCl}\), \(\text{KCl}\) 등의 염들은 면심입방 단위세포를 갖는다. 큰 \(\text{Cl}^{-}\)음이온이 꼭짓점과 면에, 작은 \(\text{Na}^{+}\)양이온은 음이온 사이의 구멍에 위치한다(아래그림 참고, 아래그림 오른쪽은 공간채움보기 이다).

\(\text{NaCl}\)단위세포는 4개의 \(\text{Cl}^{-}\)음이온(\(\displaystyle\frac{1}{8}\times8=1\)개의 꼭짓점 원자와 \(\displaystyle\frac{1}{2}\times6=3\)개의 면 원자)과 4개의 \(\text{Na}^{+}\)양이온(\(\displaystyle\frac{1}{4}\times12=3\)개의 모서리 원자와 1개의 중심원자)이있다.

다음 그림은 다른 두 이온성 단위세포이다.

염화구리(I)(\(\text{CuCl}\), 위 왼쪽그림)에서 큰 \(\text{Cl}^{-}\)음이온은 면심입방 배열을 하고, 작은 \(\text{Cu}^{+}\)양이온은 구멍에 위치하므로 4개의 음이온으로 둘러싸인 사면체 구조를 갖는다. 대조적으로 염화바륨(\(\text{BaCl}_{2}\), 위 오른쪽그림)은 작은 \(\text{Ba}^{2+}\)양이온이 면심입방 배열을 하고, 큰 \(\text{Cl}^{-}\)음이온이 사면체 구조로 둘러싸인다.

공유성 그물구조 고체의 원자들은 공유결합으로 묶여있고, 그 때문에 단단하고 녹는점이 높다. 탄소(\(\text{C}\))는 몇 가지 서로 다른 공유성 그물구조를 형성하는데, 그 예로 흑연, 다이아몬드, 유리 등이 있다.

탄소는 40종류 이상의 구조(동소체, allotrope)를 갖고 있고, 일부는 결정성이나 대부분은 비결정성으로 존재한다.

위에서 위의 그림은 흑연이고, 탄소의 가장 흔한 동소체이다. 자연상태에서 가장 안정하며, 육각형 고리로 연결된 2차원 판상으로 구성된 결정성 공유성 그물 구조 고체이며 각 탄소원자는 \(sp^{2}\)로 혼성되어 있고, 3개의 다른 탄소와 삼각평면구조로 결합한다. 

아래 그림은 다이아몬드이고, 이것 또한 탄소의 동소체이다. 각 탄소원자가 \(sp^{3}\)으로 혼성되어 있고, 4개의 다른 탄소원자와 정사면체 구조로 결합된 공유성 그물구조 고체이다. 다이아몬드는 부도체이고 녹는점이 약 \(8700^{\circ}\text{C}\)이며 중앙아프리카, 남아프리카에서만 발견된다. 

위에서 왼쪽그림은 풀러렌(fullerene)이고, 탄소의 동소체이다. 축구공과 같은 독특한 모양을 갖고, 구형의 \(\text{C}_{60}\)분자로 구성되어 있다. 이 구는 5각형 면 12개와 6각형 면 20개를 갖고 있고, 각 원자는 \(sp^{2}\)로 혼성되어 있으며 3개의 다른 탄소원자와 결합한다. 풀러렌은 루비듐 금속과 반응해 풀러렌화 루비듐(\(\text{Rb}_{3}\text{C}_{60}\))이라는 초전도 물질이 생성된다.

위의 오른쪽그림은 탄소 나노튜브(nano tube)로 흑연의 한 층을 말아올린것과 같은 반복되는 6원자 탄소고리로 이루어진 튜브 모양의 구조이다. 탄소 나노튜브는 강철에 비해 50~60배 강도가 높고 골프채, 자전거의 프레임, 선박, 비행기 제조에 사용된다. 

공기가 없는 닫힌 계에서 순수한 물질의 압력과 온도 의존성을 상도표(phase diagram)를 이용하여 나타낸다. 다음은 물에 대한 상도표이다.

온도나 압력이 변화해 상과 상 사이의 경계선을 지나갈 때 상 변화가 일어난다. 삼중점(triple point)은 세 선의 교차점으로 세 개의 상이 평형을 이루며 공존하는 점이다. 물의 삼중점 온도는 \(0.0098^{\circ}\text{C}\), 삼중점 압력은 \(P_{t}=6.0\times10^{-3}\text{atm}\)이다. 정상 녹는점(normal melting point)이라고 불리는 압력 1atm일 때의 녹는점은 \(0^{\circ}\text{C}\)이다. 액체/기체 경계선을 따라가면 선이 끝나는 임계점(critical point)을 지나게 되는데 이 점에서의 임계온도 \(T_{c}=374.4^{\circ}\text{C}\)는 아무리 압력을 높여도 기체가 액화될 수 없는 온도이고, 임계압력 \(P_{c}=217.7\text{atm}\)는 아무리 온도를 높여도 액체가 증발될 수 없는 압력이다. 임계점에 있는 액체는 거의 기체와 같고, 따라서 진정한 액체도 기체도 아닌 초임계유체(supercritical fluid)를 형성한다. 

다음의 그림은 양 끝에 무거운 추를 연결한 철사를 얼음 위에 올려서 얼음을 자르는 과정이다.

증가된 압력에 의해 철사 아래의 얼음의 녹는점이 낮아져 얼음이 액화되기 때문에 철사는 얼음을 자를 수 있다.   

참고자료:

Chemistry 7th edition, McMurry, Fay, Robinson, Pearson