금속(metal)은 고체 상태에서 광택이 나고 열전도율과 전기전도율이 좋으며, 연성과 전성의 성질이 있는 홑원소 물질입니다. 벌써 금속의 특징이 다 나열된 것 같네요:) 금속에 대해서는 화학 분야와 기계 분야에서 많이 다루고 있는데요. 화학 분야에서는 금속 원소의 전자 배열이나 원자들의 결합 형태(금속 결합) 같은 미시적인 관점에서 출발하여 금속의 특징을 공부한다면, 기계 분야에서는 금속 결합에 의해 생성되는 결정체에 관심을 가지며 기계 재료의 관점에서 금속의 특징을 공부합니다.
금속의 화학적 성질을 알아보자
일반적으로 주기율표 상의 약 70~80% 원소들이 금속에 해당합니다. 금속 원소는 대부분 최외각 전자(peripheral electron)를 가지고 있기 때문에 전자가 쉽게 전이될 수 있습니다. 때문에 금속은 전자를 잃고 양이온이 되기 쉽지요. 반대로 비금속은 전자를 얻어 음이온이 되기 쉽습니다. 그렇기에 대부분의 금속은 대기의 산소와 반응하여 산화물을 형성합니다만, 산소와 반응하지 않는 일부 금속(금이나 백금)도 있습니다. 금속은 원자끼리 금속결합을 이루고, 전자의 일부가 자유전자(free electron)로 존재하면서 여러 금속의 성질을 띠게 된답니다.
금속의 일반적인 특징은?
∇ 금속은 상온에서 결정(crystal)을 이룬 고체 상태입니다. 단, 수은(Hg)은 예외입니다. 수은은 유일하게 상온에서 고체가 아닌 금속으로, 때문에 온도계에 활용이 되기도 합니다. 금속 원자들은 용융 상태에서 불규칙적이지만, 응고되는 과정에서 규칙적인 배열(결정구조)를 갖게 됩니다. 때문에 고체 금속은 결정체(crystal)로 구성되어 있습니다.
∇ 금속은 열전도율(thermal conductivity)과 전기전도율(electric conductivity)이 좋습니다. 이유는 바로 금속 결합에 따른 자유전자(free electron) 때문입니다. 자유전자는 음(-) 전하이기 때문에 외부에서 전압을 걸어주면 양(+) 방향으로 이동하죠. 전자의 이동이 곧 전기가 통하는 것이니 전기전도율이 높은 것입니다.
그리고 자유전자는 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 열을 전달해주기 때문에 금속은 열전도율 또한 높습니다. 즉, 열과 전기에 대해서 금속은 양도체(전기의 도체 & 열의 도체)입니다. 다른 말로는 전기와 열에 대한 저항이 작다고 표현할 수도 있겠지요. 다만, 금속의 온도가 높아지면 원자의 열진동이 심해져 자유전자의 흐름이 방해받게 됩니다. 때문에 온도가 높을수록 전기가 잘 안 통합니다. 다른 말로, 금속의 전기저항은 온도가 높을수록 증가합니다.
∇ 금속은 연성(ductility)과 전성(malleability)이 크고, 소성변형성이 있기 때문에 가공하기 쉽습니다. 연성은 물체를 당겼을 때, 탄성의 한계(limit)를 넘어도 파괴되지 않고 가늘고 길게 늘어나는 성질입니다. 반대로 탄성의 한계를 넘어서 파괴되는 성질은 취성이라고 하지요. 전성은 두드리거나 압착했을 때 넓고 얇게 펴지는 성질이랍니다.
금속이 연성과 전성을 가지는 이유는 금속 결합 때문인데요. 금속 결합은 방향성을 갖고 있지 않기 때문입니다. 소성(plasticity) 변형이란, 물체의 탄성 한계를 넘어서 영구 변형이 일어난 것을 뜻합니다. 만약 금속이 소성 변형성이 없다면, 아무리 금속을 다듬어 모양을 만들어도 다시 원래 형태로 돌아오겠죠. 그럼 원하는 형태로 가공하기 어려울 것입니다.
∇ 금속은 특유의 광택이 있고, 빛을 잘 반사합니다. 금속이 광택(luster)이 나는 이유는 외부에서 들어온 빛을 자유 전자가 반사하기 때문입니다.
∇ 비중(specific gravity)과 강도(strength), 경도(hardness)가 크며 용융점이 높습니다. 단, 합금(alloy)에 비해서 순금속은 기계적 특성인 강도나 강성 등이 떨어지기 때문에 기계재료로는 합금의 형태를 많이 사용합니다.
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