금속 결합

금은 빛이 비칠 만큼 얇게 두드려 펼 수 있습니다. 금속 결합은 부러지지 않고 휩니다.

구리 전선은 집 안으로 전기를 나르고, 알루미늄 냄비는 바닥 전체로 열을 퍼뜨리며, 강철 클립은 부러지지 않고 휩니다. 이런 일상의 사실은 금속 원자끼리 결합하는 방식에서 나옵니다. 이온 결합처럼 전자를 넘겨주는 것도, 공유 결합처럼 두 원자가 짝지어 나누는 것도 아닌 셋째 방식으로, 바깥 전자가 금속 덩어리 전체에 동시에 속합니다.

전자의 바다

금속 원자는 바깥 전자가 몇 개뿐이고 약하게 붙잡혀 있으며 전기 음성도가 낮습니다. 금속 원자가 많이 모이면 이 바깥 전자는 더 이상 어느 한 원자에 묶이지 않습니다. 모든 원자 사이를 떠다니고, 남은 것은 (−) 전자 구름 속에 규칙적으로 늘어선 (+) 금속 이온입니다. 이온과 전자 구름 사이의 끌림이 금속 결합입니다. 화학자는 이 구름을 흔히 전자의 바다라고 부르고, 이런 전자를 한곳에 머물지 않는다는 뜻에서 비편재화된 전자라고 합니다.

전자의 바다로 설명되는 것

첫째는 전기 전도입니다. 구리선에 전지를 이으면 자유 전자가 (+)극 쪽으로 흘러가고, 이것이 전류입니다. 움직이는 전자는 금속의 뜨거운 부분에서 찬 부분으로 열도 빠르게 나릅니다. 광택도 설명됩니다. 표면의 자유 전자가 빛을 흡수했다가 다시 내보내 금속 특유의 거울 같은 광택이 생깁니다.

가장 쓸모 있는 것은 펴짐성입니다. 이온 결정에서는 한 층이 미끄러지면 같은 전하끼리 마주 보게 되어 결정이 깨집니다. 금속에서는 이온 층이 서로 미끄러져도 전자의 바다가 그 둘레를 따라 흘러 계속 모든 것을 붙잡아 둡니다. 그래서 금속은 두드려 판으로 펴고(펴짐성) 당겨 선으로 늘일 수 있습니다(뽑힘성). 가장 두드러진 예가 금인데, 빛이 비칠 만큼 얇은 금박으로 두드려 펼 수 있습니다.

세지만 다 같이 세지는 않습니다

금속 결합의 세기는 금속마다 많이 다르고, 녹는점이 이를 보여 줍니다. 전자의 바다에 전자가 많은 텅스텐은 3695 K(약 3422 °C)에서 녹아 전구 필라멘트에 쓰였습니다. 수은은 약 −39 °C에서 녹아 창가에서도 액체입니다. 갈륨은 약 29.8 °C에서 녹으므로 손에 쥐면 녹을 수 있습니다. 1족 금속인 나트륨과 칼륨은 바깥 전자가 원자마다 1개뿐이라 칼로 자를 만큼 무르고, 100 °C 아래에서 녹습니다(나트륨 약 98 °C, 칼륨 약 63 °C).

전자의 바다는 어떤 이온을 둘러싸는지 가리지 않으므로 금속끼리는 쉽게 섞여 합금이 됩니다. 강철은 철에 탄소를 조금 넣은 것입니다. 청동은 구리와 주석, 황동은 구리와 아연의 합금입니다. 크기가 다른 원자가 섞이면 층이 미끄러지기 어려워지므로, 합금은 대개 원래의 순수한 금속보다 단단하고 셉니다.

금속 결합은 주기율표에서 금속이 놓인 자리도 설명합니다. 왼쪽과 가운데의 원자는 바깥 전자가 적고 전기 음성도가 낮아서, 모이면 그 전자를 함께 쓰는 바다에 내놓습니다. 오른쪽의 비금속은 전자를 너무 세게 붙잡고 있어 그렇게 하지 못하고 대신 짝지어 공유합니다. 계단선의 준금속은 그 중간입니다. 규소는 전자를 꽤 단단히 붙잡아 전기가 잘 통하지 않지만, 열이나 빛, 아주 조금 섞은 불순물로 일부 전자가 풀려날 만큼은 느슨합니다. 반도체는 이렇게 작동합니다.