[7강 물질] 금속과 합금

1. 금속의 특성

 많은 사람들이 금속에 대하여 잘 알고 있다고 생각하지만 사실은 그렇지 않은 경우가 많다. 금속을 떠올릴 때에 우리는 흔히 광택이 있고 내구성이 강한 물질을 떠올리지만, 수은은 단단하지 않고, 내구성이 강하지도 않다. 또한 금속에 속하는 나트륨을 우리는 매일 2000밀리그램씩 해치운다.

 

 따라서 과학자들은 금속을 정의하는 특성을 서술할 때에 보수적으로 다가갈 수밖에 없는데, 그럼에도 금속을 정의할 때 사용할 수 있는 몇 가지 일반적인 기준들이 있다.

 첫째, 쉽게 양이온을 형성하고(전자를 잃고), 금속 결합을 이룬다. 금속 원자의 전자는 하나의 원자에 묶여있지 않고, 한 원자에서 다른 원자로 자유롭게 움직여 다니다가 전자가 금속 원자를 떠나면 양이온이 된다.

 둘째, 금속은 전기전도성이 높다. 금속은 자유 전자를 통해 전하를 운반하는데, 그렇다고 모든 금속의 전기 전도성이 높은 것은 아니다. 전선에 구리는 쓸 수 있으나 주석을 쓰기는 어려운 이치이다. 금속을 가여하면 전기 전도성이 감소하는데, 이는 온도가 높아지면 원소의 진동이 증가하여 전자의 흐름을 방해하기 때문이다.

 셋째, 대체로 연성과 전성이 좋다. 이는 펴지거나 길게 늘여지는 속성을 뜻하는데, 대부분의 금속이 이러한 속성을 가지고 있다. (수은은 제외)

 그 외에, 대부분 불투명하고 광택이 나지만 광택을 내는 정도에는 차이점이 있다. 

 

 주기율표에 있는 원소의 75%정도가 금속이지만, 이 수치는 전체 원소 개수에서 금속이 차지하는 비율이지 양을 말하는 것은 아니다. 금속은 수소나 헬륨, 산소와 같은 비금속처럼 양이 많지 않다. 지금까지 발견된 86가지의 금속이 차지하는 질량을 알아보면 지구 질량의 25%만을 차지한다.

 

주기율표상에서 금속과 준금속, 비금속을 나누어 놓은 표. 금속이 차지하는 비율이 매우 높은 것을 알 수 있다.

2. 합금

 순수한 상태의 금속 원소는 상업적으로나 산업적으로 사용하기에 적합하지 않은 경우가 대부분이다. 이런 이유로 금속 원소의 내구성이나 연성을 높이기 위해 금속을 다른 원소와 섞어서 새로운 물질을 만드는데, 이를 합금(alloy)라고 한다. 합금은 합금을 구성하는 금속의 특성을 조금씩 가지고 있는데, 대부분의 경우 원래의 원소보다 더 단단해진다. 이는 크기가 다른 원자들이 결합하면 서로 자유롭게 움직이는 것이 어려워지기 때문이다.

 

 금은 합금으로만 사용하는 대표적인 금속이다. 우리가 흔히 이야기하는 금은 구리, 니켈, 은, 팔라듐, 아연 등과 섞은 합금인데, 합금 속에 들어있는 순수한 금의 양을 캐럿(carat)으로 표시한다. 예를 들어 18캐럿은 전체 금속의 18/24(75%)가 금이라는 뜻이다. 그렇다면 24캐럿은? 그렇다. 24/24이므로 100% 금을 의미한다.

 은도 원소 이름을 사용하는 합금이다. 순은은 보통 92.5%의 은과 7.5%의 구리로 만든 합금인 것이다. (구리는 은을 보다 단단하게 만드는 역할을 한다.)

 알루미늄 역시 거의 합금으로만 사용하는 금속이다. 알루미늄은 특히 구리, 마그네슘, 아연 등과 같은 금속과 섞으면 100배나 강해진다.

 청동은 인류가 만들어낸 최초의 합금인데, 구리와 주석을 섞어 만들었다. 초기 인류는 두 금속이 바위에서 함께 발견되는 경우가 많고, 불꽃에 의해 쉽게 녹는다는 사실을 발견했다. 두 금속은 매우 무른 금속이지만, 합금이 되었을 때 단단하고 쉽게 부식되지 않는 청동이 된다.

 강철은 다양한 산업에서 사용되는 매우 유용한 합금이다. 주원료는 철이고 용도에 따라 다양한 비율로 탄소, 니켈, 망간 등을 섞어 만들어서 단단하게 만든다. 예를 들어 무쇠는 내구성이 강하지만 깨지기 쉬운 단점이 있다. 스테인리스강은 철과 니켈에 크롬을 더한 것인데, 크롬이 표면에 코팅되어 부식과 얼룩을 방지한다.

 

화1 책에서 본 적 있는 강철의 제련과정. 불순물이 가득한 철화합물에서 순수한 철을 뽑아내는 과정이었던 것으로 기억한다.