고체의 결합력과 에너지 밴드

고립전자(isolated atoms)가 고체를 형성할 때 발생하는 결합의 종류와 그 결합 고유의 특성을 알아보자

 

고체의 결합

전기 음성도(electronegativity)는 원자나 분자가 화학 결합을 할 때 다른 전자를 끌어들이는 능력의 척도이다. 공유하고 있는 전자쌍을 끌어들이는 성질을 말한다.

전기음성도 차이에 따라 위와 같이 고체의 결합 종류를 나눌 수 있다.

 

Si-Si,Ge-Ge과 같이 유사성이 매우 큰 경ㅇ우는 각 원자가 전자를 내어 놓고, 그 전자쌍을 공유하여 결합을 이룬다.

때문에 전하 분리가 잃어나지 않는 무극성 공유결합(nonpolar bonding)을 이룬다.

 

Ga-As의 공유결합에서는 As의 전기음성도가 Ga에 바하여 상대적으로 크므로 공유 전자쌍은 As 방향으로 치우치게

되므로 As는 부분적으로 음의 하전, Ga은 양의 하전을 갖는 유극성 공유결합(polar bonding)을 이룬다

 

금속성이 크다-->전기 음성도가 작다. 비금속성이 크다-->전기음성도가 크다.

 

이온결합(ionic bonding) 

 

이온결합은 양이온과 음이온이 정전기적 인력으로 결합하여 생기는 화학 결합으로, 원자 사이의 전기음성도 차이가 큰 주기율표상의 1족 원소인 알칼리 금속과 7족의 할로겐 원소의 결합이다. 이때 생성물을 알칼리 핼라이드라 한다.

 

대표적인 이온결합인 NaCl을 살펴보자 

 

전자 배열 1s²  1s² 2s² 2p^6 3s¹   ----> Ne 구조로 안정화(Na＋)
 
전자 배열 1s² 2s² 2p^6 3s¹ 3p^5  ----> Ar 구조로 안정화 (Ar-)

 

반발력과 상호 인력에서 가장 낮은 에너지 상태를 갖는 안정된 평형 조건에서 거리가 결정된다.

 

이온결합에서 각 원자의 전자에는 겹침 현상이 발생하는데, 이는 파울리의 배타율에 위배되므로

고립원자의 에너지상태는 변화해야 한다.

 

금속 결합 

금속결합(metalic bonding)은 대부분 금속의 결합으로 각 핵의 최외각 전자에 대한 구속력이 약해서 이온을 형성한다.

최외각전자는 더 이상 하나의 핵에 구속되지 않는다.

3p에서 비점유 상태인 전자들이 존재한다.

공유결합

공유결합은 대부분의 IV족 고체(Ge,Si,C...) 및 화합물 반도체가 갖는 결합이다. 

Si는 4개의 가전자를 서로 공유하는 형태로 양자역학적 상호작용의 결합력을 갖는다. 

 

 

공유결합 고체는 양자역학적 상호작용에 의해 결합력이 크므로 단단하고 융점이 높다. 

대부분 반도체의 특성을 나타내고, 저온에서 낮은 전도도를 보인다. 

 

섬아연광 격자구조의 화합물 반도체(ex.GaAs)는 공유결합과 이온결합이 공존하는 것으로 생각할 수 있다.