이온성 고체와 공유성 그물 구조 고체

1. 이온성 고체

1) 이온성 고체의 특징

이온성 고체는 구가 일정한 방식으로 함께 쌓이는 점은 금속과 유사합니다. 그러나 일반적으로 음이온들은 양이온들보다 큰 이온 반지름을 갖기 때문에 이들 구가 모두 같은 크기가 아니라는 점에서 금속과 다릅니다. 대부분의 염은 면심 입방 단위세포를 갖습니다. 큰 $ Cl^{-}$ 음이온이 꼭짓점과 면에 위치하고, 작은 $ Na^{+}$ 양이온들은 음이온들 사이에 형성되는 공간의 크기에 맞게 위치합니다. 이온성 물질의 단위세포는 같은 수의 양이온과 음이온을 함유하여 전기적으로 중성이어야 합니다.

2) 단위 세포 구조와 이온성 고체

입방 단위 세포에서 각 꼭짓점에 있는 원자는 8개의 단위세포에 공유되고, 각 면에 있는 원자는 2개의 단위세포에 공유되며, 각 모서리에 있는 원자는 4개의 단위세포에 공유됩니다.

염화구리(Ⅰ)에서 큰 $ Cl^{-}$ 음이온은 면심 입방 배열을 하고, 작은 $ Cu^{+}$ 양이온은 구멍에 위치하여 네 개의 음이온 사면체에 각각 둘러싸입니다. 반면, 염화바륨은 작은 $ Cu^{2+}$ 양이온이 면심 입방 배열을 하고, 큰 $ Cl^{-}$ 음이온이 사면체 구조로 둘러싸입니다. 전하를 중성으로 만들려면 $ Ba^{2+}$ 양이온보다 두 배 많은 $ Cl^{-}$ 음이온이 필요합니다.

2. 공유성 그물 구조 고체

1) 공유성 그물 구조 고체

공유성 그물 구조 고체에 들어있는 원자들은 거대한 3차원 배열 내부에 공유 결합으로 묶여 있습니다. 공유성 그물 구조 고체는 원자들 사이의 강한 공유결합 때문에 단단하고 녹는점이 높습니다. 대표적인 예로는 탄소와 규소가 있습니다.

① 탄소

탄소는 40 종류 이상의 알려진 구조, 즉 동소체(allotrope)를 갖고 있으며, 일부는 결정성이지만, 대부분은 비결정성으로 존재합니다. 흑연은 탄소의 가장 흔한 동소체로 자연 상태에서 가장 안정하며, 육각형 고리로 연결된 2차원 판상으로 구성된 결정성을 갖는 공유성 그물 구조 고체입니다. 각 탄소 원자는 $ sp^{2}$ 혼성을 이루며, 세 개의 다른 탄소와 삼각 평면 구조로 결합합니다. 탄소로 이루어진 다이아몬드는 각 탄소 원자가 $ sp^{3}$ 혼성을 이루며, 네 개의 다른 탄소 원자와 정사면체 구조로 결합된 공유성 그물 구조 고체입니다.

② 규소

살아있는 생명체가 탄소화합물로 이루어진 것처럼, 대부분의 암석과 광물은 규소 화합물로 이루어져 있습니다. 석영과 대부분의 모래는 순수에 가까운 실리카(silica, $ SiO_{2}$)입니다. 실제로 지각 질량의 약 75%는 규소와 산소로 이루어져 있습니다. 규소와 탄소가 주기율표의 14족에 있다는 점을 고려하면, $ SiO_{2}$의 성질은 $ CO_{2}$와 비슷하다고 생각할 수 있지만, $ CO_{2}$는 실온에서 기체 상태로 존재하는 분자 물질이지만, $ SiO_{2}$는 녹는점이 160 ℃가 넘는 공유성 그물 구조 고체입니다.