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질문:

금속이나 금속결합 물질에서 극성분자 비극성분자와 같은 성질이 나타나나요??
만약 그러면 극성분자와 금속결합이 서로 용해성을 가질수 있을까요??? 예를 들면 물과 녹인 금속, 가루 금속이 섞일수 있을까요??

답변:

저희 루디선생님 중 한 분인 서울대 화학부 이동환 교수님이 직접 답변 적어주신 걸 첨부합니다.
 

이동환 교수ㅣ 서울대 화학부                        

**금속은 “분자”라고 부르지 않습니다. 서로 가까이에 있는 원자끼리 “결합”을 만들기는 하나, 결합을 구성하는 전자가 원자와 원자 사이에 편재화(localize)하지 않고, 벌크 물질 전체에 걸쳐 퍼져 있는 구조를 갖습니다 (즉 전자의 “바다”라고 생각하면 됩니다).

전자와 금속결합(전자 바다 모형)

금속의 전자구조는 그래서 “밴드”(band)라고 부릅니다. 특정 원자에 “소속”되어 있지 않기 때문에 금속을 이루는 전자는 쉽게 이동할 수 있고, 그 결과 전기전도성이 생깁니다. “금속결합 물질”은 아마도 금속 원자를 포함하고 있는 유기 분자, 혹은 금속 이온과 유기 분자 리간드가 결합한 금속 착화합물을 말씀하시는 것으로 이해하는데, 이 경우는 유기 분자와 같이 극성, 비극성과 같은 성질로 당연히 나눌 수 있습니다. 
 

※ EBS 클립뱅크(Clipbank) - 주기율표속 원자들의 화학결합의 원리(Chemical Combination of Atomse)

문: 만약 그러면 극성분자와 금속결합이 서로 용해성을 가질 수 있을까요??? 
답: 고체 상태의 벌크 물질은 분자와 분자 사이의 끌어당기는 힘 때문에 부서지지 않고 그 형태를 온전히 유지합니다. 염(salt)의 경우, 양이온과 음이온 사이의 정전기적 힘 때문에 역시 형태를 갖추고 있는 것이구요. 이런 물질을 용매에 넣었을 때, 개별 분자(혹은 이온)과 용매 분자 사이의 새로운 상호작용을 통해 에너지가 더 낮은 상태로 갈 수 있다면 (엔탈피와 엔트로피 면에서), “용해”가 일어납니다. 즉 개별 구성 요소로 조각조각 떨어지면서 우리 눈에는 보이지 않게 되는 것이지요.

엔트로피의 변화
얼음에서 물로 용해될 때 무질서도의 변화. 이온은 무질서도가 커진 반면, 물분자의 무질서도는 감소하였다.
 

문: 예를 들면 물과 녹인 금속, 가루 금속이 섞일 수 있을까요??"
답: “녹인 금속”이라는 것이 무엇을 의미하는지 잘 모르겠는데, 예를 들어, 소금을 녹였을 때 녹아나오는 나트륨 이온(Na+)과 같은 것을 생각하신다면, 당연히 물과 잘 섞이게 되겠지요. 양전하를 갖는 금속 이온 주변을 물분자의 산소가 둘러싸면서 정전기적 상호작용을 통해 에너지 면에서 안정하게 만들어 줍니다. “가루 금속”은 벌크 상태의 물질을 말씀하시는 것 같은데, 이 경우는 금속 원자와 금속 원자 사이의 결합이 강하고, 벌크 물질이 개별 원자로 떨어져 나왔을 때 원자-용매 상호작용을 통해 안정화될 수 없기 때문에, 자발적으로 “녹아 나오는”(즉 물과 섞이는) 일은 일어나지 않습니다. 다만, 금속 표면에서 산화 반응을 통해서 금속 이온이 만들어진다면 물과 반응해서 다른 형태의 화합물로 변할 수 있습니다. 철이 녹(rust)으로 변하는 것이 좋은 예가 되겠습니다. Fe 원자가 산소와 반응하는 복잡한 과정을 거쳐서 Fe3+ 이온이 되면 물 분자와 반응해서 “Fe2O3”라는 실험식으로 표현할 수 있는 산화물로 변합니다. 이 산화물은 분자량이 작을 경우에는 물에 녹아 있지만, Fe-O 결합의 반복을 통해 분자량이 커지면 침전물로 떨어집니다. 우리 눈에 보이는 빨간색 녹이 되는 것이죠.