단원소의 결정구조

단원소 결정에서는 금속결합, 공유결합, van der waals 결합 만 적용되고 이온결합은 적용되지 않는다. 

 

보통 단원소 물질(금속, 과냉각 기체)들은 구밀집 구조를 가진다. 

 

1. hexagonal closed packing (h.c.p.)

   space group : (No.194) 

구의 h.c.p. 단위포와 확장된 단위포

h.c.p.의 사면체 자리와 팔면체 자리

육방 밀집구조는 1883년 W.Barlow에 의해 발표된 이후 오늘날 많은 무기물질의 결정구조로 알려져있다. 육방밀집구조를 이루는 물질로는 Be, Mg, Zn, Cd, Sc, Y, altpha-Al2O3등이 있다. 

육방 밀집 구조에서 배위 다면체의 연결 상태

육방밀집을 이루는 원자는 단위포 내에 4개의 사면체 자리와 2개의 팔면체 자리를 가진다. 배위다면체들은 기하학적으로 위의 그림과 같이 서로 면을 공유하며 포개져서 연결된다. 

 

2. cubic closed packing (c.c.p.)

   space group : (No. 225) 

입방밀집구조의 구의 위치와 구들의 packing 원리

입방밀집의 사면체 자리와 팔면체 자리

입방 밀집을 이루는 원자는 단위포 내에 4개의 원자와 8개의 사면체 자리 4개의 팔면체 자리를 가진다. (위의 그림에서는 일부만 표현하였다)

입방 밀집을 이루는 단원소의 예시로는 Al, Cu, Ag, Au, Pt, Ir, Rh, Pd등의 금속과 Ne, Ar, Kr, Xe등의 불활성 기체등이 있고, 화합물에서는 NaCl, CaF2 (Ca 원소만), MgAl2O4 (O 원소만) 등이 있다.

 

3. 다이아몬드 (diamond)

   space group : (No. 194) 

다이아몬드의 구조 및 공유결합 구조 (노란색은 사면체 자리에 들어있는 C)

다이아몬드는 탄소가 sp3 혼성결합을 하고 109.5도의 방향성을 가진채로 이루어져있다. C-C공유결합의 길이는 1.54A이며 격자상수는 3.55A이다. 한 단위포 내에 총 8개의 C원자를 가진다. 

빨간색은 기준 단위포 노란색은 사면체 자리로 이탈된 탄소의 단위포이다.

다이아몬드의 탄소배열에 주목할 필요가 있는데, 한 단위포 내에 C원자들은 모두 입방밀집 구조를 따르지만 사면체자리에 절반에 채워진 C원자들은 1/4,1/4,1/4 만큼 이탈하여 입방밀집 구조를 이룬다. 위의 그림에서 노란색 단위포가 이탈된 탄소원자들이 이루는 단위포이다. 

 

다이아몬드는 Brillouin 대가 원자당 4개의 전자로 채워져 있기에 높은 절연성을 가지고 상당히 안정적이다. 상온 상압 하의 다이아몬드는 준안정상으로 2000oC이상 온도에서 안정된다.

 

4. 흑연 (graphite)

   space group : (No. 227)

흑연의 단위포와 공유결합 구조

honey comb 구조의 단층

흑연은 육각고리로 이루어진 단층 형태의 구조를 지니며 마치 벌집구조와 닮았기에 honey comb 구조라고 설명한다. 격자상수는 a = 2.47A b= 6.93A, sp2 공유결합을 하며 길이는 1.48A 로 다이아몬드와 비교할때 약간 짧다.

 

honey comb 층상구조 사이에는 약한 van der waals 결합이 작용하며 그로 인해 판상으로 잘 쪼개진다. 층상구조 사이의 공간을 통해 전자가 잘 이동하며 이로 인해 이등방성의 전자전도도를 가진다.