최근 몇십년 동안, 고체 화학solid state chemistry를 연구하는 과학자들은 신물질을 연구했고, 1986년에 고온 초전도체를 발견하기에 이른다. 이 블로그에서 마이크로세공micropore과 메소세공mesopore나 연료전지 등의 모든 것을 다 다룰 순 없겠지만 이것을 이해하는데 도움이 되는 기본 지식을 다룰려고 한다.
대부분의 물질은 온도를 낮추면 고체상solid phase이 된다. 그리고 대다수는 원자나 분자 또는 이온이 규칙적으로 배열되는 한개 이상의 결정체crystalline을 가진다. 이 블로그에서는 금속, 이온 화합물의 고체와 공유결합 화합물을 다루게 될 것이다.
고체, Solid
고체Solid는 물체의 네 가지 상(액체, 기체, 플라즈마) 중 하나이다. 고체의 정의는 다음과 같다.
고체는 구성하는 원자, 분자 또는 이온의 위치가 고정된 상태이다.
고체는 구조의 경직성과 모양이나 부피에 변화를 줄 때 저항이 있는 것이 특징이다. 액체와는 다르게 고체 물체는 담는 용기에 모양에 따라 흐르지도 않고, 기체처럼 전체 부피를 차지하기 위해 팽창하지 않는다. 고체에 있는 원자들은 서로에게 강하게 연결되어 있고, 격자lattice에 규칙적으로 놓여져있거나 불규칙하게 있다.
이 규칙성에 따라서 고체의 종류를 다음 세가지로 분류한다.
1. 단결정, Single crystal : 한 개의 결정으로 이루어진 고체
2. 다결정, Polycrystal : 여러 개의 결정으로 이루어진 고체, 각각의 작은 단결정을 grain이라고 한다.
3. 비결정형 구조, Amorphous structure : 각각의 원자들이 무작위로 배열된 고체, Grain 크기가 1nm보다 작은 경우를 말한다.
결정 구조의 형성, Formation of crystal structure
원자들이 고체를 이룰 때, 각각의 원자는 딱딱한 구hard sphere로 가정한다. 원자의 모양이 바뀌지 않는다고 가정하는 것이다. 원자들이 차곡차곡 쌓이는 이유는 이온 결합, 금속 결합 모두 결합을 강하게 유지하기 위해서 거리가 짧아지고 전하를 서로 상쇄시키기 위해 규칙적으로 쌓이게 된다. 원자들을 쌓을 때에는 빈공간이 최대한 없도록 쌓는 방법과 어느정도의 공간이 있도록 쌓는 방법이 있다. 빈 공간이 없도록 쌓는 방법을 Close packing조밀구조라고 하고, 그렇지 않은 것을 Non-close packing비조밀구조라고 한다.
Close packing에는 두가지 방법이 있는데 cubic close packing(ccp)와 hexagonal close packing(hcp)가 있다.
왼쪽의 그림은 hcp이고, 오른쪽이 ccp이다. 두가지의 쌓는 방법은 서로 다르다. 맨 밑의 층을 A, 그 위의 층을 B 라고 한다면, hcp는 ABABABA가 계속 반복되는 형태이다. 하지만 ccp는 AB 층이 쌓이고 세번째 층은 A와 B도 아닌 새로운 곳에 원자들이 배열해서 C층이 된다.
Close packing은 동일한 구를 쌓았을 때 공간을 가장 효율적으로 사용한 것을 말한다. 동일한 구를 가지고 가장 효율적으로 쌓았을 때, 구에 의해 차지되는 부피는 74%이다. 즉, Packing efficiency패킹 효율은 74%가 된다.각각의 구는 같은 층의 6개의 구, 위 아래에 3개씩 해서 총 12 개의 구에 둘러쌓이게 된다. 인접한 구의 수를 배위 수Coordination number라고 한다. Close packing에서 배위 수는 12가 된다.
이 구조에서 또 중요한 것은 구 사이에 약간의 공간이 있다는 것이다. 여기에는 두가지 빈 공간의 종류가 있다. 4 개의 구로 둘러 쌓인 tetrahedral site와 6 개의 구에 둘러쌓인 octahedral site가 있다.
하늘색으로 표시된 곳은 4 개의 구가 만드는 빈 공간인 tetrahedral site(hole)이다. 또 노란색으로 표시된 곳은 6 개의 구가 만드는 빈 공간인 octahedral site(hole)이다.
 [그림 3. Octahedral site] |  [그림 4. Tetrahedral site] |
Octahedral hole에 들어갈 수 있는 구의 크기는 hole을 이루는 구의 r의 0.414r 이고, tetrahedral hole은 0. 225r 이다.
원자들이 어떻게 쌓을지 가능한 서열은 수 없이 많다. 하지만 hcp와 ccp는 가장 단순한 구조기 때문에 비활성 기체와 금속 원소의 결정 구조에서 흔하게 찾을 수 있다. 이 외의 결정 구조는 딱 두가지가 있는데, ABAC를 반복하는 La, Pr, Nd, Am이 있고, 9개의 층이 반복되는 구조인 ABACACBCB 는 Sm에서 발견된다.