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분자결정과 공유결정: 재료과학의 기초를 이루는 두 가지 결합

우리가 일상생활에서 접하는 다양한 물질들은 고체, 액체, 기체의 세 가지 상태로 존재합니다. 이 중 고체는 규칙적인 원자 배열을 가진 결정과 불규칙적인 원자 배열을 가진 비정질로 나눌 수 있으며, 결정은 그 구성 원자 간의 결합 방식에 따라 분자결정, 공유결정, 금속결정, 이온결정으로 분류됩니다. 이 글에서는 재료과학의 기초를 이루는 분자결정과 공유결정에 대해 깊이 있게 살펴보고 두 결합의 차이점과 특징을 명확히 이해하는 데 도움을 드리고자 합니다.

1, 분자결정: 약한 인력으로 이루어진 결합

분자결정은 분자들 간의 약한 인력으로 결합되어 형성된 고체 상태를 말합니다. 분자들은 이미 강력한 공유결합으로 결합되어 안정적인 구조를 이루고 있으며, 서로 떨어져 있는 분자들 사이에는 반데르발스 힘이나 수소 결합과 같은 약한 인력이 작용합니다. 이러한 약한 인력으로 인해 분자결정은 공유결정이나 금속결정에 비해 녹는점과 끓는점이 낮고, 경도가 낮으며, 전기 전도도가 낮은 특징을 보입니다.

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1, 분자결정의 종류: 반데르발스 힘과 수소 결합

분자결정은 분자들 간의 인력 종류에 따라 반데르발스 결정과 수소 결합 결정으로 나눌 수 있습니다.

• 반데르발스 결정: 비극성 분자들 사이에서 작용하는 런던 분산 힘이나 극성 분자들 사이에서 작용하는 쌍극자-쌍극자 힘에 의해 형성됩니다. 예를 들어, 드라이아이스(고체 이산화탄소), 메탄, 에탄, 헬륨과 같은 비활성 기체는 반데르발스 결정을 형성합니다.
• 수소 결합 결정: 수소 원자가 전기음성도가 큰 원자 (산소, 질소, 불소)에 결합되어 있는 분자들 사이에서 작용하는 수소 결합에 의해 형성됩니다. 수소 결합은 반데르발스 힘보다 강력한 인력으로, 물, 암모니아, 플루오린화수소와 같은 분자들이 이러한 결합을 형성합니다.

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2, 분자결정의 특징

분자결정은 약한 분자간 인력으로 형성되어 다음과 같은 특징을 가지고 있습니다.

• 낮은 녹는점과 끓는점: 약한 인력으로 인해 분자들이 서로 강하게 결합되어 있지 않아, 상대적으로 적은 에너지로도 쉽게 분리될 수 있습니다. 따라서 녹는점과 끓는점이 공유결정이나 금속결정에 비해 낮습니다.
• 낮은 경도: 분자들 사이의 인력이 약하여 외부 힘에 의해 쉽게 변형될 수 있습니다. 따라서 경도가 낮은 편입니다.
• 낮은 전기 전도도: 분자들은 전자를 자유롭게 이동시킬 수 없으므로 전기 전도도가 매우 낮습니다.

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3, 분자결정의 예시: 드라이아이스, 물, 설탕

• 드라이아이스: 드라이아이스는 이산화탄소가 고체 상태로 존재하는 형태입니다. 이산화탄소 분자들은 주로 런던 분산 힘으로 서로 약하게 연결되어 있으며, 녹는점이 매우 낮아 -78.5℃에서 승화되어 기체 상태로 변합니다.
• 물: 물은 수소 원자가 산소 원자에 결합되어 있는 극성 분자로, 분자들 사이에 수소 결합을 형성합니다. 물은 반데르발스 힘보다 강력한 수소 결합으로 인해 높은 끓는점을 가지며, 생명체에 필수적인 물질입니다.
• 설탕: 설탕은 탄소, 수소, 산소 원자로 구성되어 있는 복잡한 분자로, 분자들 사이에는 수소 결합과 반데르발스 힘이 모두 작용합니다.

2, 공유결정: 강력한 공유결합으로 이루어진 결합

공유결정은 원자들이 공유결합으로 연결되어 3차원적인 거대 구조를 형성한 고체 상태를 말합니다. 공유결합은 원자들이 전자를 공유하여 결합을 형성하는 방식으로, 분자결정에서 작용하는 약한 인력에 비해 훨씬 강력한 결합입니다. 따라서 공유결정은 일반적으로 높은 녹는점과 끓는점, 높은 경도, 낮은 전기 전도도를 가지는 특징을 보입니다.

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1, 공유결정의 특징: 강력한 결합, 높은 녹는점, 낮은 전기 전도도

공유결정은 강력한 공유결합으로 인해 다음과 같은 특징을 가지고 있습니다.

• 높은 녹는점과 끓는점: 공유결합은 강력한 결합으로, 결합을 끊는데 많은 에너지가 필요합니다. 따라서 공유결정은 분자결정에 비해 녹는점과 끓는점이 매우 높습니다.
• 높은 경도: 공유결합으로 인해 원자들이 견고하게 연결되어 있어 외부 힘에 의해 쉽게 변형되지 않습니다. 따라서 경도가 높습니다.
• 낮은 전기 전도도: 공유결합으로 인해 전자들이 원자에 강하게 결합되어 있어 자유롭게 이동할 수 없습니다. 따라서 전기 전도도가 낮습니다.

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2, 공유결정의 예시: 다이아몬드, 실리콘, 석영

• 다이아몬드: 다이아몬드는 탄소 원자들이 sp³ 혼성화를 통해 정사면체 구조를 형성하며, 모든 탄소 원자는 4개의 다른 탄소 원자와 강력한 공유결합을 이루고 있습니다. 다이아몬드는 가장 강력한 공유결합을 가지는 물질로, 극도로 높은 녹는점과 끓는점, 경도를 가지고 있습니다.
• 실리콘: 실리콘은 반도체 재료로 널리 사용되는 원소입니다. 실리콘은 다이아몬드와 유사한 구조를 가지고 있으며, 각 실리콘 원자는 4개의 다른 실리콘 원자와 공유결합을 형성합니다. 실리콘은 다이아몬드보다 약한 공유결합을 가지고 있기 때문에 녹는점이 조금 낮습니다.
• 석영: 석영은 실리콘 원자와 산소 원자가 공유결합을 통해 형성된 광물입니다. 석영은 Si₂O₄의 화학식을 가지고 있으며, 다이아몬드나 실리콘보다 약한 공유결합을 가지고 있습니다. 석영은 다양한 광학, 전기적 특징을 가지고 있어 시계, 컴퓨터, 광섬유 등 다양한 분야에서 사용됩니다.

3, 분자결정과 공유결정의 비교: 결합력, 특징, 예시