개념 한 쪽
금속의 내부 구조는 원자 배열 방식에 따라 분류되며, 결정과 비결정으로 구분된다. 입방정계에는 단순입방, 체심입방(BCC), 면심입방(FCC)이 속하고, 헥사곤 밀집입방(HCP)은 육각정계에 해당한다. 단위 격자당 포함되는 원자수는 격자 종류별로 고유한 값을 가지므로 계산을 통해 구분한다.
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출제기준 단원 「금속조직의 종류」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 결정 정의 확인 | 1 | 원자의 배열이 규칙적인 상태를 지칭하는 용어를 묻기 |
| BCC 원자수 계산 | 1 | 체심입방 격자의 단위 격자 원자수를 계산하기 |
| FCC 원자수 계산 | 1 | 면심입방 격자의 단위 격자 원자수를 계산하기 |
원자가 규칙적이고 반복적으로 배열된 상태를 결정이라고 정의한다. 반대로 원자들이 무질서하게 배열된 상태는 비결정이라 한다. 이 기본 용어 구분은 금속조직 문제를 풀 때 가장 먼저 확인해야 하는 개념이다.
입방정계(Cubic system)는 단위 격자의 세 변 길이가 모두 같고(a=b=c) 각도가 모두 90도인 정육면체 형태를 의미한다. 입방정계에 속하는 대표적 구조는 단순입방(SC), 체심입방(BCC), 면심입방(FCC)으로 이들 모두 a=b=c 조건을 만족한다.
헥사곤 밀집입방(HCP)은 육각정계(Hexagonal system)에 속하며 밑면이 육각형이고 높이와 밑면 변 길이가 달라 a=b≠c 관계를 가진다. 따라서 HCP는 입방정계가 아니므로 선택지에서 입방정계 여부를 판단할 때 a,b,c 관계를 확인해야 한다.
단위 격자 내 포함되는 원자수 계산은 공유 비율을 적용한다. 예를 들어 BCC는 모서리 8개 각각이 1/8만을 기여하고 중앙의 원자 1개를 더해 총 2개가 된다. FCC는 모서리 기여 1개와 면심 기여 3개를 합해 총 4개의 원자를 가진다.
결정 구조를 분류할 때는 격자 상수 관계와 단위 격자의 원자 기여도를 순서대로 확인하면 오답을 소거하기 쉽다. 빈칸에 숫자나 조건을 끼워 넣어 외우는 것보다 a,b,c 관계와 공유 비율을 적용하는 원리를 먼저 익혀야 한다.
문제에서 '원자가 규칙적으로 배열된 상태'를 묻는다면 정의에 따라 결정이라는 용어를 선택하면 된다. 입방정계 여부를 묻는 문제는 a=b=c와 각도 90도를 떠올리고 SC, BCC, FCC가 입방정계임을 확인하면 정답을 고를 수 있다. 단위 격자 원자수를 묻는 문제는 각 위치의 기여도를 적용해 BCC는 2개, FCC는 4개라는 결과를 도출하면 된다.
물질을 구성하고 있는 원자가 규칙적으로 배열을 이루고 있는 것을 무엇이라 하는가?
정답 ① · 이 문제는 원자들이 규칙적으로 반복 배열된 상태를 가리키는 용어를 묻고 있다. 규칙적이고 주기적인 원자 배열을 의미하는 일반 용어는 결정이며, 결정의 구체적 형태로 면심입방체나 체심입방체가 존재하는 것이다.
원자가 규칙적이고 반복적으로 배열된 상태를 결정이라고 하며, 무질서한 상태는 비결정이다.
체심입방격자에 속하는 원자수는 모두 몇 개인가?
정답 ② · 문항은 체심입방격자(BCC) 기본 단위셀에 포함된 원자 수를 묻고 있다. BCC 구조에서는 여덟 모서리 각각의 원자가 1/8씩 기여하므로 총 1개, 여기에 중심에 온전히 포함된 원자 1개를 더하면 총 2개의 원자가 된다.
체심입방격자(BCC)는 모서리 8개 각의 1/8원자가 8개 모이고, 중심에 1개의 원자가 있어 총 2개의 원자를 가진다.
면심입방격자(FCC)에서 단위 격자 중에 포함되어 있는 원자수는 몇 개인가?
정답 ② · 문항은 면심입방격자(FCC) 단위 격자당 포함된 원자 수를 묻고 있다. FCC에서는 모서리 원자 8개가 각 1/8기여로 1개, 면 중심 원자 6개가 각 1/2기여로 3개가 되어 총 4개가 단위 격자당 포함된다.
면심입방격자(FCC)는 모서리 원자 8개와 면심 원자 6개의 기여도를 합산하여 단위 격자당 4개의 원자를 가진다.
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