금속 결합

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1. 개요

금속 결합은 금속 원자 간의 인력으로, 전자의 비편재화와 전자 결핍 현상으로 설명된다. 화학의 발전과 함께 금속의 특성이 연구되었으며, 양자역학의 발달로 자유 전자 모형과 에너지 띠 구조 계산을 통해 금속 내 전자의 행동을 더 정확하게 설명하게 되었다. 금속 결합은 2차원 구조인 그래핀, 3차원 구조의 금속 방향족성에서도 나타나며, 금속의 높은 끓는점, 용해도, 합금 형성, 광학적 성질 등 다양한 특성을 결정한다.

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금속 결합
금속 결합
개요
정의	금속 원자 사이의 화학 결합
특징	자유 전자 공유로 인한 강한 결합력 및 전기 전도성
결합 메커니즘
원자 구조	금속 원자들이 결정 구조를 이룸
자유 전자	원자핵 주위를 자유롭게 움직이는 전자들로 구성된 전자 구름 형성
결합 형성	자유 전자의 공유를 통해 원자핵 간의 인력이 발생하여 결합 형성
결합력과 특성
결합력	강한 결합력을 가짐
전기 전도성	자유 전자 이동이 용이하여 높은 전기 전도성을 가짐
열 전도성	자유 전자 이동에 의해 열 전달이 용이하여 높은 열 전도성을 가짐
가단성 및 연성	결정 구조 때문에 외부 힘에 의해 쉽게 변형될 수 있음
광택	자유 전자가 빛을 반사하여 금속 고유의 광택을 냄
결합의 종류
금속성 결합	대부분의 금속에서 나타나는 결합 형태
합금 결합	서로 다른 금속 원자들이 결합하여 형성
활용 분야
산업	전기, 전자, 건설, 자동차 등 다양한 산업 분야에서 활용
일상 생활	각종 제품, 도구, 장신구 등에 사용
기타
참고	금속 화학 결합

2. 역사

금속 결합에 대한 이해는 화학과 물리학의 발전과 함께 점진적으로 이루어졌다. 초기에는 금속을 전자의 바다에 의해 결합된 양이온으로 구성되어 있다는 모형이 제시되었다. 이후 양자역학의 발달과 함께, 이 모형은 자유 전자 모형과 거의 자유 전자 모형으로 더욱 발전되었다.

X선 회절과 열 분석과 같은 실험 기법들은 금속과 합금의 결정 구조를 연구하는 데 큰 도움을 주었지만, 금속간 화합물의 특성은 여전히 많은 부분 수수께끼로 남아 있었다. 휴머로더리는 자유 전자 모형을 바탕으로 금속간 합금의 형성을 설명하려 했으나, 사이클로트론 공명 실험 결과 그의 모형에 수정이 필요함이 밝혀졌다.

이후, 에너지 띠 구조 계산과 밀도범함수이론 등 여러 양자 역학적 모델이 개발되면서 금속 결합을 더 정밀하게 설명할 수 있게 되었다. 또한, 전자 상태뿐만 아니라 진동 상태도 띠를 형성한다는 사실이 밝혀졌고, 금속 원자 클러스터링에 대한 연구도 활발히 진행되었다.

2. 1. 초기: 전기화학과 고전 모형

화학이 과학으로 발전하면서, 금속이 원소 주기율표의 대부분을 차지한다는 사실이 분명해졌고, 산과의 반응에서 생성될 수 있는 염에 대한 설명에 큰 진전이 있었다. 전기화학의 등장과 함께, 금속이 일반적으로 양전하를 띤 이온으로 용액 속에 들어간다는 사실이 분명해졌고, 금속의 산화 반응은 전기화학적 계열에서 잘 이해되게 되었다. 초기에는 금속을 음전하를 띤 전자의 바다에 의해 결합된 양이온으로 구성되어 있다는 모형이 제시되었다.

2. 2. 양자역학의 발전과 자유 전자 모형

양자역학의 등장과 함께, 금속 결합에 대한 기존의 전자 바다 모형은 자유 전자 모형과 거의 자유 전자 모형으로 발전하였다. 이 두 모형은 전자를 고체 내에서 자유롭게 움직이는 기체로 간주하며, 에너지 상태가 운동량 벡터 '''k'''의 방향이 아닌 크기의 제곱에 따라 달라지는 등방성을 가진다고 설명한다.^[1] 3차원 k-공간에서 가장 높은 채워진 레벨(즉, 페르미 표면)의 점들은 구를 형성한다.^[1] 거의 자유 전자 모형에서는 이온 구조에서 경험하는 주기적 퍼텐셜에 의해 상자 모양의 브릴루앙 영역이 k-공간에 추가되어 등방성이 약간 깨진다.^[1]

2. 3. 결정 구조 연구와 한계

X선 회절과 열 분석 기술의 발전은 금속 및 합금을 포함한 결정성 고체의 구조 연구를 가능하게 하였고, 상태도 개발에 기여했다.^[2] 그러나 이러한 발전에도 불구하고, 금속간 화합물과 합금의 특성은 여전히 많은 부분 수수께끼로 남아 있었고, 그 연구는 종종 경험적인 방식에 의존해야 했다.^[2] 당시 화학자들은 다중 비례의 법칙을 따르지 않는 금속 결합을 야금학의 영역으로 간주하는 경향이 있었다.^[2]

2. 4. 휴머로더리 규칙과 모형의 수정

휴머로더리는 자유 전자 모형을 바탕으로 특정 조성의 금속간 합금이 형성되는 원리를 설명하고자 했다. 초기에는 그의 예측이 꽤 성공적이었다. 그는 전자를 추가하여 구형 페르미 기포를 브릴루앙 영역 안에 부풀리는 방식으로, 특정 상자가 가득 차는 시점을 예측했고, 이는 많은 합금 조성을 설명할 수 있었다.^[2]

그러나 사이클로트론 공명 실험을 통해 페르미 표면의 모양을 측정할 수 있게 되면서, 세슘을 제외한 금속들의 페르미 표면이 구형이 아니라는 사실이 밝혀졌다.^[2] 이는 모델의 기본적인 가정이 틀릴 수 있음을 보여주었고, 수정이 불가피하게 되었다.^[2]

이에 따라, 자유 전자의 바다에서 이온이 흐른다는 가정을 수정해야 했다. 중성 원자의 원자 궤도 함수를 공유하는 전자를 기반으로 하는 에너지 띠 구조 계산과 밀도범함수이론 등 여러 양자 역학적 모델이 개발되었다.^[2] 이러한 모델들은 금속 결합을 더 정밀하게 설명할 수 있게 해주었다.^[2]

2. 5. 전자-포논 상호작용과 초전도

에너지 띠 구조 모델은 금속 결합을 설명하는 데 매우 효과적이었지만, 다체 문제에 대한 단일 전자 근사치로 남아있다. 즉, 개별 전자의 에너지 상태는 다른 모든 전자가 균질한 배경을 형성하는 것처럼 설명된다. Mott과 Hubbard와 같은 연구자들은 단일 전자 처리가 강하게 비편재화된 '''s'''- 및 '''p'''-전자에는 적합할 수 있지만, '''d'''-전자, 그리고 더욱이 '''f'''-전자의 경우, 근처의 개별 전자(및 원자 변위)와의 상호 작용이 넓은 띠를 생성하는 비편재화된 상호 작용보다 강해질 수 있다는 것을 깨달았다. 이는 국소화된 짝짓지 않은 전자에서 금속 결합에 참여하는 이동 전자로의 전이에 대한 더 나은 설명을 제공했다.

전자 상태와 함께 진동 상태도 띠를 형성하는 것으로 나타났다. 루돌프 파이어스는 1차원 금속 원자열(예: 수소)의 경우, 불가피한 불안정성이 발생하여 이러한 사슬을 개별 분자로 분해할 것이라고 보였다. 이는 집합적인 금속 결합이 언제 안정적이며, 언제 국소 결합이 그 자리를 차지할 것인가? 와 같은 질문에 대한 관심을 불러일으켰다. 이러한 이유로 금속 원자의 클러스터링에 대한 많은 연구가 진행되었다.

3. 금속 결합의 본질

금속 결합은 전자의 비편재화와 전자 결핍이라는 두 가지 주요 현상이 결합하여 발생한다. 전자의 비편재화는 금속 원자들이 전자를 공유하며, 이 전자들이 특정 원자에 얽매이지 않고 금속 전체에 퍼져 있는 현상을 말한다. 전자 결핍은 비편재화된 전자보다 훨씬 많은 수의 비편재화된 에너지 상태가 존재하여 전자가 자유롭게 이동할 수 있는 공간이 많다는 것을 의미한다.^[5]

세슘의 경우 비편재화가 매우 강하여 전자가 세슘 원자에서 사실상 자유로워져 금속 표면에 의해서만 제한되는 기체를 형성한다. 따라서 세슘은 Cs⁺ 이온이 음전하를 띤 전자 기체에 의해 결합되어 있는 것으로 볼 수 있다. 다른 원소의 경우 전자는 덜 자유롭다. 금속 원자의 전위, 때로는 매우 강하게 경험하기 때문이다.^[5]

금속 원자는 원자가 껍질에 주기율표에서의 주기, 또는 에너지 준위에 비해 적은 수의 전자를 가지고 있다. 이들은 전자 결핍 원소이며, 공유된 전자보다 더 많은 이용 가능한 에너지 상태가 존재한다. 따라서 전자는 에너지 상태를 약간 다른 상태로 쉽게 바꿀 수 있다. 이들은 구조 전체에 걸쳐 비편재화되어 전자 바다를 형성할 뿐만 아니라, 외부 전기장이 가해지면 구조를 통해 이동하여 전기 전도도를 유발한다. 전기장이 없을 때는 전자가 모든 방향으로 균일하게 움직이지만, 전기장 내에서 일부 전자는 상태를 약간 조정하여 다른 파수 벡터를 채택한다. 그 결과 한쪽 방향으로 이동하는 전자가 다른 쪽보다 많아져 순전류가 발생한다.^[5]

전자가 자유롭게 이동할 수 있다는 점은 금속 원자 또는 원자층이 서로 미끄러질 수 있는 능력을 부여한다. 국소적인 결합은 변형된 후에도 쉽게 끊어지고 새로운 결합으로 대체될 수 있다. 이러한 과정은 금속의 특징적인 연성과 전성을 설명한다.

3. 1. 2차원 금속 결합

그래핀은 2차원 금속 결합의 예이다. 그래핀의 금속 결합은 벤젠, 나프탈렌, 안트라센, 오발렌 등에서 볼 수 있는 방향족 결합과 유사하다.

3. 2. 3차원 금속 결합

전자의 비편재화와 비편재화된 전자보다 훨씬 많은 수의 비편재화된 에너지 상태가 결합하여 금속 결합이 발생한다. 후자는 전자 결핍이라고 할 수 있다.^[5] 금속 방향족성은 금속 군집에서 나타나는 또 다른 비편재화의 예시이며, 종종 3차원 배열에서 나타난다. 금속은 비편재화 원리를 극단적으로 적용한 것으로, 금속 결정은 모든 전도 전자가 3차원적으로 비편재화된 단일 분자로 볼 수 있다. 즉, 금속 내부에서는 일반적으로 분자를 구별할 수 없으므로 금속 결합은 분자 내부 또는 분자 간 결합이 아니다. 따라서 '비분자적'이라는 용어가 더 적절하다. 금속 결합은 대부분 무극성이다. 합금에서도 결합 상호 작용에 참여하는 원자들의 전기 음성도 차이가 거의 없기 때문이다(순수한 원소 금속의 경우 전혀 없다). 따라서 금속 결합은 매우 비편재화된 공유 결합의 공동 형태이다. 어떤 의미에서 금속 결합은 전혀 '새로운' 유형의 결합이 아니다. 이는 응축 물질의 '덩어리'에 존재하는 결합만을 설명하며, 결정성 고체, 액체 또는 유리일 수 있다. 반대로 금속 증기는 종종 원자 상태(Hg)이거나 때로는 Na₂과 같이 더 일반적인 공유 결합으로 결합된 분자를 포함한다.

비편재화는 '''s''' 전자와 '''p''' 전자에서 가장 두드러진다. 세슘의 비편재화는 매우 강하여 전자가 세슘 원자에서 사실상 자유로워져 금속 표면에 의해서만 제한되는 기체를 형성한다. 따라서 세슘의 경우 Cs⁺ 이온이 음전하를 띤 전자 기체에 의해 결합되어 있다는 그림이 매우 정확하다. 다른 원소의 경우 전자는 덜 자유롭다. 금속 원자의 전위, 때로는 매우 강하게 경험하기 때문이다. 이들은 벤젠의 탄소 원자와 매우 유사하게 원자를 중성으로 보는 더 복잡한 양자 역학적 처리(예: 강결합)가 필요하다. '''d''' 전자와 특히 '''f''' 전자의 경우 비편재화가 전혀 강하지 않으며, 이것이 이러한 전자가 스핀을 유지하는 짝짓지 않은 전자로 계속 작용하여 이러한 금속에 흥미로운 자기적 특성을 더하는 이유를 설명한다.^[5]

3. 3. 전자 결핍과 이동성

금속 원자는 원자가 껍질에 주기율표에서의 주기, 또는 에너지 준위에 비해 적은 수의 전자를 가지고 있다. 이들은 전자 결핍 원소이며, 공유 결합에 참여하더라도 이러한 성질은 변하지 않는다. 공유된 전자보다 더 많은 이용 가능한 에너지 상태가 존재한다. 따라서 전자는 에너지 상태를 약간 다른 상태로 쉽게 바꿀 수 있다. 이들은 구조 전체에 걸쳐 비편재화되어 전자 바다를 형성할 뿐만 아니라, 외부 전기장이 가해지면 구조를 통해 이동하여 전기 전도도를 유발한다. 전기장이 없을 때는 전자가 모든 방향으로 균일하게 움직이지만, 전기장 내에서 일부 전자는 상태를 약간 조정하여 다른 파수 벡터를 채택한다. 그 결과 한쪽 방향으로 이동하는 전자가 다른 쪽보다 많아져 순전류가 발생한다.^[5]

전자가 자유롭게 이동할 수 있다는 점은 금속 원자 또는 원자층이 서로 미끄러질 수 있는 능력을 부여한다. 국소적인 결합은 변형된 후에도 쉽게 끊어지고 새로운 결합으로 대체될 수 있다. 이러한 과정은 공유 금속 결합에 큰 영향을 미치지 않으며, 이는 금속의 특징적인 연성과 전성을 설명한다.

4. 금속 반지름

금속 반지름은 금속 결정 구조에서 인접한 두 금속 이온 간 거리의 절반으로 정의된다. 금속 반지름은 원자의 성질, 환경, 특히 배위수(CN)에 영향을 받으며, 배위수는 다시 온도와 압력에 영향을 받는다.^[6]

반지름은 일반적인 주기적 경향을 따른다. 주기율표에서 오른쪽으로 갈수록 유효 핵전하 증가로 인해 감소한다. 그러나 주기율표에서 아래로 내려갈수록 주양자수의 증가로 인해 반지름이 증가한다. 4d 원소와 5d 원소 사이에는 란타넘족 수축이 관찰되는데, 이는 차폐가 잘 되지 않는 f 궤도함수의 존재로 인해 주기율표에서 아래로 내려갈 때 반지름이 거의 증가하지 않기 때문이다.

4. 1. 골드슈미트 보정

금속 반지름은 원자의 성질과 환경, 특히 배위수(CN)에 따라 달라지며, 배위수는 온도와 가해진 압력에 따라 달라진다.^[6] 원자 크기의 주기적인 경향을 비교할 때, 원자의 배위수가 12인 경우의 값으로 원자 반지름을 변환하는 소위 골드슈미트 보정을 적용하는 것이 종종 바람직하다.^[6] 금속 반지름은 배위수가 가장 높을 때 가장 크기 때문에, 밀도가 낮은 배위에 대한 보정은 0 < x < 1인 x를 곱하는 것을 포함한다.^[6] 구체적으로, CN = 4일 때 x = 0.88, CN = 6일 때 x = 0.96, CN = 8일 때 x = 0.97이다.^[6] 이 보정은 이 수치 값을 얻은 빅터 골드슈미트의 이름을 따서 명명되었다.^[6]

4. 2. 주기적 경향

금속 반지름은 주기율표 상에서 일정한 경향을 보인다. 주기율표에서 오른쪽으로 갈수록 금속 반지름은 감소하는데, 이는 유효 핵전하가 증가하기 때문이다. 유효 핵전하가 증가하면 원자핵과 전자 사이의 인력이 강해져서 원자 반지름이 줄어든다. 반면, 주기율표 아래로 내려갈수록 금속 반지름은 증가하는데, 이는 주양자수가 커지기 때문이다. 주양자수가 커지면 전자가 원자핵에서 더 멀리 떨어진 궤도에 존재하게 되어 원자 반지름이 증가한다.^[6]

하지만 예외적인 경우도 존재한다. 4d 원소와 5d 원소 사이에서는 란타넘족 수축이 나타난다. 란타넘족 수축은 f 궤도함수의 불완전한 전자 차폐 때문에 발생하며, 이로 인해 주기율표에서 아래로 내려갈 때 반지름 증가량이 매우 작아진다.^[6]

5. 결합의 세기

금속 원자들 사이에는 강한 인력이 작용하여 이를 극복하는 데는 많은 에너지가 필요하다. 따라서 금속은 종종 높은 끓는점을 가지며, 텅스텐은 5828 K로 매우 높다.^[7]

액체 상태의 금속은 강한 결합을 가지는데, 이는 금속 결합 에너지가 결합 방향에 크게 의존하지 않음을 보여준다. 이러한 결합 방향성의 부재는 전자의 비편재화 결과이며, 공유 결합의 방향성 결합과 대조적이다. 금속은 일반적으로 밀집 결정 구조를 갖는다.

충분히 높은 냉각 속도와 적절한 합금 조성을 고려하면, 비결정 구조를 갖는 금속유리에서도 금속 결합이 발생할 수 있다.

많은 생화학 반응은 금속 이온과 생체 분자의 약한 상호 작용에 의해 매개된다. 이러한 상호 작용과 관련된 구조 변화는 이중 편광 간섭법을 사용하여 측정되었다.

5. 1. 예외: 아연족 원소

아연족 원소인 아연(Zn), 카드뮴(Cd), 수은(Hg)은 전자 배치가 ...n'''s'''²로 끝나 주기율표 아래로 내려갈수록 헬륨과 같은 비활성 기체 배치와 더욱 유사해진다. 빈 n'''p''' 오비탈까지의 에너지 차이가 커지기 때문이다. 따라서 이러한 금속은 비교적 휘발성이 높아 초고진공 시스템에서는 피한다.^[7]

5. 2. 용융 금속의 결합력

갈륨과 같이 녹는점은 낮지만 끓는점이 높은 금속은 액체 상태에서도 강한 금속 결합을 유지한다. 용융 갈륨은 강한 금속 결합 덕분에 매우 비휘발성 액체이다.^[7] 금속 결합 에너지는 결합 방향에 크게 의존하지 않는데, 이는 전자의 비편재화의 직접적인 결과이며, 공유 결합의 방향성 결합과 대조적이다. 금속 결합의 에너지는 포함 원자 모델에서 예시된 것처럼 금속 원자를 둘러싸는 전자의 수의 함수이다.^[7]

6. 용해도 및 화합물 형성

금속은 일반적으로 물이나 유기 용매에 녹지 않지만, 산화 반응을 통해 용해될 수 있다.^[1] 이는 금속 원자에서 이동 전자를 빼앗아 금속 결합을 파괴하는 산화 반응 때문이다.^[1]

6. 1. 합금 형성

금속은 종종 서로 잘 녹으면서 결합의 금속적 특성을 유지한다. 예를 들어 금은 상온에서도 수은에 쉽게 용해된다. 고체 금속에서도 용해도가 클 수 있다. 두 금속의 구조가 같다면, 은과 금의 합금인 전자금의 경우처럼 완전한 고용체 용해도를 가질 수도 있다. 그러나 때때로 두 금속은 두 모금속과 다른 구조의 합금을 형성하는데, 이러한 재료를 금속 화합물이라고 부를 수 있다. 그러나 금속 결합을 가진 재료는 일반적으로 분자가 아니므로, 돌턴의 정수비례의 법칙이 유효하지 않으며, 종종 다양한 화학량론적 비율을 얻을 수 있다. 이러한 경우에는 '순물질'이나 '용질'과 같은 개념을 버리고 대신 상에 대해 이야기하는 것이 좋다. 이러한 상에 대한 연구는 전통적으로 야금학의 영역이었지만, 두 분야는 상당히 겹친다.^[1]

7. 국소화와 클러스터링: 결합에서 결합으로

복잡한 화합물에서 금속 결합은 모든 구성 원소가 동등하게 관여하는 것은 아니다. 하나 이상의 원소가 전혀 참여하지 않는 경우도 충분히 가능하다. 전도 전자가 섬이나 큰 바위 주변의 강처럼 그 주변을 흐르는 것을 상상할 수 있다. 어떤 원소가 참여하는지 관찰할 수 있는데, 예를 들어 X선 광전자 분광법(XPS) 스펙트럼에서 코어 레벨을 살펴봄으로써 알 수 있다. 원소가 참여하면 피크가 왜곡되는 경향이 있다.^[1]

이러한 현상은 원자가 서로 가까워지거나 멀어지는 운동을 포함하므로, 재료의 전자 상태와 진동 상태(포논) 사이의 결합으로 해석할 수 있다. 저온에서 초전도성을 초래하는 것으로 여겨지는 다른 전자-포논 상호 작용이 있다. 국소화된 결합에서 전자쌍을 형성하여 전하 운반체의 이동성을 방해하는 대신, 쿠퍼쌍이 형성되어 더 이상 이동성에 대한 저항을 경험하지 않는다.^[1]

7. 1. 금속 클러스터

일부 금속간 화합물은 분자를 연상시키는 금속 클러스터를 나타내며, 이러한 화합물은 야금학보다는 화학의 주제에 더 가깝다. 클러스터 형성은 전자 부족 결합을 더 국소적인 특성의 결합으로 '응축'(국소화)하는 방법으로 볼 수 있다. 수소는 이러한 응축 형태의 극단적인 예이다. 고압 하에서는 금속이 된다. 목성의 핵은 금속 결합과 중력에 의해 유발되는 고압의 결합으로 이루어져 있다고 할 수 있다. 그러나 저압에서는 결합이 완전히 국소화되어 규칙적인 공유 결합이 된다. 국소화는 매우 완벽하여 (더 친숙한) H₂ 기체가 생성된다. 붕소와 같은 원소에도 유사한 논리가 적용된다. 탄소에 비해 전자 부족이지만 금속을 형성하지 않는다. 대신 이십면체 B₁₂ 클러스터가 지배적인 여러 가지 복잡한 구조를 갖는다. 전하 밀도파는 관련 현상이다.

7. 2. 전하 밀도파

전하 밀도파는 금속 결합에서 국소화와 관련된 현상 중 하나이다. 복잡한 화합물에서 금속 결합은 모든 구성 원소가 동등하게 관여하는 것은 아니다. 하나 이상의 원소가 전혀 참여하지 않는 경우도 충분히 가능하다. 전도 전자가 섬이나 큰 바위 주변의 강처럼 그 주변을 흐르는 것을 상상할 수 있다.

이러한 현상은 원자가 서로 가까워지거나 멀어지는 운동을 포함하므로, 재료의 전자 상태와 진동 상태(즉, 포논) 사이의 결합으로 해석할 수 있다. 저온에서 매우 다른 결과, 즉 초전도성을 초래하는 것으로 여겨지는 다른 전자-포논 상호 작용이 있다. 국소화된 결합에서 전자쌍을 형성하여 전하 운반체의 이동성을 방해하는 대신, 더 이상 이동성에 대한 저항을 경험하지 않는 쿠퍼쌍이 형성된다.

8. 광학적 성질

이동성 전하 운반자의 존재는 금속의 광학적 성질에 큰 영향을 미친다. 이는 전자를 기존의 공유 결합에 관여하는 개별 전자의 상태가 아닌 '집합체'로 고려해야만 이해할 수 있기 때문이다.^[8]

8. 1. 반사와 흡수

빛은 전기장과 자기장의 조합으로 이루어져 있다. 전기장은 일반적으로 금속 결합에 관여하는 전자로부터 탄성 반응을 유발할 수 있다. 그 결과 광자는 금속 내부로 깊이 침투할 수 없고 일반적으로 반사되지만, 일부는 흡수될 수도 있다. 이것은 가시광선 스펙트럼의 모든 광자에 동일하게 적용되며, 이것이 금속이 종종 금속 광택의 특징적인 정반사를 가진 은백색 또는 회색인 이유이다. 반사와 흡수의 균형이 금속의 흰색 또는 회색 정도를 결정하지만, 표면의 녹청은 광택을 가릴 수 있다. 높은 전도성을 가진 금속인 은은 가장 흰색에 가까운 금속 중 하나이다.^[8]

주목할 만한 예외는 붉은색의 구리와 노란색의 금이다. 이들의 색깔의 이유는 금속 전자가 쉽게 반응할 수 있는 빛의 주파수에 상한이 있기 때문인데, 이것을 플라즈몬 주파수라고 한다. 플라즈몬 주파수에서 자유 전자 기체의 주파수 의존 유전 함수는 음수(반사)에서 양수(투과)로 바뀐다. 고주파 광자는 표면에서 반사되지 않고 금속의 색깔에 기여하지 않는다. 산화인듐주석(ITO)과 같이 이러한 문턱이 적외선에 있는 금속 전도체(실제로는 퇴화 반도체)인 물질이 있는데, 이것이 가시광선 영역에서는 투명하지만 적외선 영역에서는 좋은 반사체인 이유이다.^[8]

은의 경우 한계 주파수는 원자외선 영역에 있지만, 구리와 금의 경우 가시광선 영역에 더 가깝다. 이것이 이 두 금속의 색깔을 설명한다. 금속 표면에서는 표면 플라즈몬으로 알려진 공명 효과가 발생할 수 있다. 이것은 전자 바다의 물결과 같은 전도 전자의 집단적 진동이다. 그러나 광자가 충분한 에너지를 가지고 있더라도, 일반적으로 물결을 움직일 만한 충분한 운동량을 가지고 있지 않다. 따라서 플라즈몬은 벌크 금속에서 여기시키기 어렵다. 이것이 금과 구리가 약간의 색깔을 띠기는 하지만 광택 있는 금속처럼 보이는 이유이다. 그러나 콜로이드 금에서는 금속 결합이 아주 작은 금속 입자로 제한되어 플라즈몬의 진동파가 '사라지는' 것을 방지한다. 따라서 운동량 선택 규칙이 깨지고, 플라즈몬 공명은 녹색에서 매우 강한 흡수를 일으켜 보라색-붉은색을 띤다. 이러한 색깔은 개별 전자와 그 에너지 상태를 포함하는 염료 등에서 볼 수 있는 일반적인 흡수보다 훨씬 더 강하다.^[8]

8. 2. 플라즈몬 주파수

빛은 전기장과 자기장의 조합으로 이루어져 있다. 전기장은 일반적으로 금속 결합에 관여하는 전자로부터 탄성 반응을 유발할 수 있다. 금속 전자가 쉽게 반응할 수 있는 빛의 주파수에는 상한이 있는데, 이것을 플라즈몬 주파수라고 한다. 플라즈몬 주파수에서 자유 전자 기체의 주파수 의존 유전 함수는 음수(반사)에서 양수(투과)로 바뀐다. 따라서 플라즈몬 주파수보다 높은 주파수를 가진 광자는 금속 표면에서 반사되지 않고 투과되며, 금속의 색깔에 영향을 주지 않는다.^[8]

8. 3. 예외: 구리와 금

빛은 전기장과 자기장의 조합으로 이루어져 있다. 전기장은 일반적으로 금속 결합에 관여하는 전자로부터 탄성 반응을 유발할 수 있다. 그 결과 광자는 금속 내부로 깊이 침투할 수 없고 일반적으로 반사되지만, 일부는 흡수될 수도 있다.

주목할 만한 예외는 붉은색의 구리와 노란색의 금이다. 이들의 색깔의 이유는 금속 전자가 쉽게 반응할 수 있는 빛의 주파수에 상한이 있기 때문인데, 이것을 플라즈몬 주파수라고 한다. 은의 경우 한계 주파수는 원자외선 영역에 있지만, 구리와 금의 경우 가시광선 영역에 더 가깝다. 이것이 이 두 금속의 색깔을 설명한다. 금속 표면에서는 표면 플라즈몬으로 알려진 공명 효과가 발생할 수 있다. 그러나 광자가 충분한 에너지를 가지고 있더라도, 일반적으로 물결을 움직일 만한 충분한 운동량을 가지고 있지 않다. 따라서 플라즈몬은 벌크 금속에서 여기시키기 어렵다. 이것이 금과 구리가 약간의 색깔을 띠기는 하지만 광택 있는 금속처럼 보이는 이유이다. 그러나 콜로이드 금에서는 금속 결합이 아주 작은 금속 입자로 제한되어 플라즈몬의 진동파가 '사라지는' 것을 방지한다. 따라서 운동량 선택 규칙이 깨지고, 플라즈몬 공명은 녹색에서 매우 강한 흡수를 일으켜 보라색-붉은색을 띤다.^[8]

8. 4. 표면 플라즈몬 공명

빛은 전기장과 자기장의 조합으로 이루어져 있다. 금속 표면에서는 표면 플라즈몬으로 알려진 공명 효과가 발생할 수 있는데, 이는 전자 바다의 물결과 같은 전도 전자의 집단적 진동이다. 그러나 광자가 충분한 에너지를 가지고 있더라도, 일반적으로 물결을 움직일 만한 충분한 운동량을 가지고 있지 않다. 따라서 플라즈몬은 벌크 금속에서 여기시키기 어렵다. 이것이 금과 구리가 약간의 색깔을 띠기는 하지만 광택 있는 금속처럼 보이는 이유이다. 그러나 콜로이드 금에서는 금속 결합이 아주 작은 금속 입자로 제한되어 플라즈몬의 진동파가 '사라지는' 것을 방지한다. 따라서 운동량 선택 규칙이 깨지고, 플라즈몬 공명은 녹색에서 매우 강한 흡수를 일으켜 보라색-붉은색을 띤다. 이러한 색깔은 개별 전자와 그 에너지 상태를 포함하는 염료 등에서 볼 수 있는 일반적인 흡수보다 훨씬 더 강하다.^[8]

참조

_[1] 웹사이트 Metallic bonding http://www.chemguide[...]
_[2] 웹사이트 Metal structures http://www.chemguide[...]
_[3] 웹사이트 Chemical Bonds http://hyperphysics.[...]
_[4] 웹사이트 Physics 133 Lecture Notes https://web.archive.[...] 2004-03-01 # Spring 2004로 추정
_[5] 논문 The Fermi Surface of Caesium
_[6] 서적 Shriver and Atkins' Inorganic Chemistry https://books.google[...] Oxford University Press
_[7] 논문 The embedded-atom method: a review of theory and applications https://zenodo.org/r[...] 1993
_[8] 논문 Indium Tin Oxide Plasma Frequency Dependence on Sheet Resistance and Surface Adlayers Determined by Reflectance FTIR Spectroscopy
_[9] 문서 알칼리 금속의 특징과 금속의 본질에 대한 설명

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