LG사이언스랜드

전체메뉴보기 검색 과학상자

질서는 아름다운 것? - 결정 목록

조회 : 11897 | 2009-01-12


피라미드 두 개를 마주 붙여놓은 듯한 정팔면체 결정은 백반입니다.
결정이란 물질을 구성하는 입자들이 주기적으로 배열된 고체로서 일반적으로 평탄하고 매끈한 면들과 날카로운 모서리를 갖는 다면체를 형성합니다.

결정에서 가장 중요한 것은 바로 주기적인 배열이에요.
주기적이란 일정한 순서로 반복된다는 것이지요. 아래에서 사각형, 원, 그리고 마름모는 세 번째마다 반복되지요?
이때 길이 자신과 같은 것이 나올 때의 길이 a를 기본 주기라고 합니다. 2차원으로 확장시켜볼까요?

 

 





그림. 결정의 기본주기
결정


2차원 배열에서 가장 작은 기본주기는 변의 길이가 a = b인 정사각형입니다.
그렇다면 다른 주기적인 배열은 없나요? 아니요.
a ≠ b인 직사각형이나 a ≠ b이며 내각이 90도가 아닌 평행사변형 배열도 가능하지요.




결정


이러한 기본주기를 3차원으로 확장한 것을 단위격자라 하는데, 결정들의 모양이 다양한 것은 결정들마다 단위격자가 다르기 때문이지요. 단위격자는 물질을 구성하는 입자들에 의해 결정됩니다.

그렇다면 다양한 결정들은 어떻게 생기는 것일까요?



1) 이온결정
원자란 물질을 계속해서 자를 때 더 이상 나눌 수 없는 가장 작은 입자입니다.
예를 들어 금이나 은을 계속해서 자르면 더 이상 쪼갤 수 없는 금 원자와 은 원자가 되는 것이지요.
자연에서 발견되는 서로 다른 원자는 모두 92가지입니다.
따라서 우주의 모든 물질들은 92개의 원자로 구성되어 있는 것입니다.

그렇다면 원자는 더 나눌 수 없나요?
원자는 (+)전하의 원자핵과 (-)전하의 전자가 있어요.
그리고 이들의 전하량은 같기 때문에 전기적으로 중성입니다.
따라서 원자에서 전자가 빠져 나가면 양이온이 되고, 전자가 원자로 추가되면 음이온이 된답니다.
그리고 원자핵은 매우 큰 힘을 가해서 더 작은 양성자와 중성자로 나눌 수 있습니다.



그림. 소금(50배)과 미원(200배) 결정



자! 그럼 소금 결정은 어떻게 만들까요?
소금은 나트륨 양이온과 염소 음이온이 결합되어 있어요.
즉, 소금 결정은 (+)전하를 갖는 나트륨 양이온과 (-)전하를 갖는 염소 음이온이 서로 당기면서 결정을 형성하는 것입니다.
마치 자석의 N극과 S극이 서로 당기는 것과 비슷하지요.



그림. 염화나트륨의 결정 구조
결정

2) 용해도
결정을 만드는 가장 일반적인 방법은 물질의 용해도 차이를 이용하는 것입니다.
일반적으로 고체는 따뜻한 물에 녹여주면, (+)전하를 갖는 양이온과 (-)전하를 갖는 음이온으로 녹게 됩니다. 그리고 온도를 낮추면, 용액이 과포화 상태가 되면서 용해도보다 더 많이 녹아있는 양이온과 음이온들이 서로 결합하면서 아래와 같은 일정한 형태의 결정이 생기지요.



그림. 황산나트륨과 질산칼륨의 단결정들(500배)
결정


그러나 결정의 성장 속도가 빠르면 결정의 모양이 불규칙합니다.
즉 결정이 천천히 성장하면 규칙적으로 결정이 생기지만, 빠르게 성장하면 결정들끼리 서로 겹치면서 불규칙하게 되는 것입니다.



 

 

그림. 염화암모늄 다결정(50배)


결정


질산칼륨처럼 하나의 결정을 단결정, 염화암모늄처럼 여러 개의 단결정이 겹친 것을 다결정이라고 합니다.
따라서 모양이 크고 뚜렷한 단결정을 얻으려면 용액의 냉각 또는 증발 속도를 천천히 해야 하지요.

결정의 모양은 용액의 조건에 따라 다르기도 한데, 순수한 소금물 용액에서는 정육면체 소금 결정이 형성되지만, 10% 요소 수용액에서 성장한 소금 결정은 정팔면체가 된답니다.
이러한 결정의 외형적 특징을 ‘결정버릇(habit)’이라 합니다.

.



3) 다양한 결정
그렇다면 결정을 만들려면 반드시 양이온과 음이온이 있어야 하나요?
아니요. 이온결정 외에도 공유결정, 금속결정, 분자결정 등이 있어요.

공유결정은 원자들이 갖고 있는 전자들을 이온결정처럼 주고 받는 것이 아니라,
서로 공유하면서 만드는 결정입니다. 예를 들어 다이아몬드나 흑연들이 있어요. 이런 결정은 일반적인 방법으로 만들기가 쉽지 않아요.

금속결정은 금속 원소들에 의해 만들어진 결정인데, 주위에서 흔히 볼 수 있는 다양한 금속들이 여기에 속합니다. 그런데 왜 모양이 아름답지 않지요?
그것은 작은 금속 단결정들을 녹여서 일정한 형태의 틀에 넣고 열처리하여 모양을 만들기 때문입니다.

분자결정이란 분자간의 힘으로 이루어진 결정입니다.
이것은 분자들 간의 힘이 약하기 때문에 쉽게 공기 중으로 승화됩니다.
예를 들어 요오드나 나프탈렌 등은 쉽게 승화하지요?
또한 산소나 질소같은 기체들도 온도가 내려가면 액체가 되고, 더 내려가면 고체가 되는데, 이 고체가 바로 분자결정이에요.



그림. 얼음 결정(500배)
결정


이것은 냉장고의 냉동실에 얼어붙은 성에 결정입니다.
마치 불가사리와 육각형 모양 같지요?

성에는 추운 겨울에 유리창이나 벽에 하얗게 얼어붙은 것이며, 서리는 대기 중의 수증기가 지상의 물체 표면에 얼어붙은 결정입니다.
비슷하지만 냉장고에는 ‘성에가 꼈다’라고 하며, 지면에는 ‘서리가 앉았다’라고 하지요.
이것들도 물분자들의 강한 수소결합에 의해서 형성된 분자 결정입니다.



4) 유리와 액정?
그런데 유리처럼 규칙적인 배열을 갖지 않는 고체도 있는데, 이런 고체를 비결정질이라고 합니다.

그런데 유리도 시간이 흐르면 부분적으로는 결정 구조를 형성하면서, 유리의 점성이 감소하기 때문에 반투명해지고 잘 깨집니다.
또한 휴대폰의 화면과 같은 디스플레이 장치에 들어있는 액정 고분자는 액체의 성질과 결정의 성질을 동시에 갖고 있어요. 즉 액체이면서도 규칙적인 배열을 갖지요.
이러한 성질을 이용하여 만든 TV가 바로 액정(LCD) TV입니다.



5) 황산구리는 정말로 육각기둥인가요?
황산구리 결정은 윗변과 밑변이 마치 평형사변형인 사각기둥 같지요? 정말로 사각형일까요?

결정의 윗변을 확대하면 변의 길이가 긴 것 하나와 짧은 것 두 개로 이루어진 육각형임을 알 수 있어요. 황산구리 결정은 육각기둥 모양입니다. 모양이 똑 같지요?





그림. 황산구리 결정과 결정의 윗면
결정

 



6) 함께 해 볼까요?
‘샤갈’의 눈 내리는 마을을 아시나요? ‘김춘수’ 시인의 ‘샤갈의 마을에 내리는 눈’이라는 시 때문에 눈 내리는 마을이란 작품이 있는 것으로 오해하고 있는데, 실제로는 없습니다. 다만 동화 같은 마을을 그린 ‘나와 마을’이라는 대표작이 있지요.
그런데 금빛 눈이 내리는 것을 본 적이 있나요? 이 실험은 색깔이 없는 질산납 수용액과 요오드화칼륨 수용액을 섞을 때 생기는 요오드화납 결정이 금색인 것을 이용하지요. 이 결정을 가열하여 녹인 다음 온도를 낮추면 다시 결정이 생기는데, 이 결정들이 마치 금빛 눈이 내리듯이 생깁니다. 이 결정은 육각형의 판자 모양으로서 여러 개가 겹쳐 있어요.

 



그림. 요오드화납 결정(500배)
결정

 

 

이것은 무엇일까요?
정년퇴임하신 선생님께서 훈장을 받으셨어요.
일평생을 제자들을 가르치신 공로를 인정해서 국가에서 수여하는 것이지요.
이러한 훈장은 어떤 분야에서 누가 받는 것일까요?

최고의 훈장인 ‘무궁화대훈장’은 대통령이나 우방원수 및 영부인이 받을 수 있습니다.
나라를 세우는데, 또는 국가의 기강을 공고히 한 사람에게는 ‘건국훈장’이 수여되지요.
정치, 경제, 사회, 교육, 학술분야 유공자에게는 ‘국민훈장’이, 전시나 비상사태 시 유공자에게는 ‘무공훈장’이, 그리고 공무원이나 사립학교 교원은 ‘근정훈장’을 받습니다.

이외에도 국가안전보장 유공자인 군인과 군무원은 ‘보국훈장’, 국권신장이나 우방과의 친선유공자는 ‘수교훈장’, 국가 산업 발전에 기여한 사람이나 기업은 ‘산업훈장’을, 그리고 새마을 운동, 문화예술 발전, 체육 발전, 과학기술 발전 유공자는 각각 ‘새마을훈장’, ‘문화훈장’, ‘체육훈장’, ‘과학기술훈장’을 받습니다.

훈장에는 무궁화대훈장을 제외하고는 1등급부터 5등급까지 있어요.
예를 들어 선생님은 공로와 근무한 연수에 따라서 청조, 황조, 홍조, 녹조, 혹은 옥조 근정훈장을 받게 됩니다.





 


그렇다면 이것(500배)은 무엇일까요?
이것은 물에 서식하는 조류 중의 하나입니다. 마치 훈장처럼 생겼지요?
여러분들도 훈장을 받고 싶나요?
훈장은 여러분의 적성에 맞는 분야에서 훌륭한 공적을 세우면 누구나 받을 수 있답니다.



주제!
에너지 , ,고체
관련단원 보기
*중2학년 2학기 일과 에너지 전환
롤러코스터의 짜릿함, 과학에서 오다!
*중2학년 2학기 일과 에너지 전환
물질 바로 알기 - 카페인
*초등3학년 1학기 물질의 성질
물질 바로 알기 - 카페인
사진올리기 바로가기