결정 구조의 기본 개념인 단위세포 내 입자수, 배위수, 입자 충진율 등을 구해보고 이 모델을 바탕으로 철의 원자 반지름을 측정해 본다.
대부분의 고체물질은 결정성 고체와 비결정성 고체로 나뉠 수 있다. 이 때 대부분의 결정성 고체는 자신 고유의 원자의 배열을 가지고 있다. 이러한 배열을 결정 구조라고 부른다. 이 결정 구조는 단위세포라고 불리는 기본 원자의 패턴의 반복으로 이루어져 있다. 이 결정 구조에는 단순입방구조, 면심입방구조, 체심입방구조, 그리고 육방밀집구조 등 다양한 종류가 있다.
이러한 결정모델을 설명할 때 흔히 원자를 모두 동일한 크기를 가지는, 균일한 밀도로 이루어진 구로 간주한다. 이러한 방법으로 설명을 하면 결정성 고체의 결정 구조를 효과적으로, 그리고 시각적으로 표현할 수 있을 뿐만 아니라 일상생활에서 흔히 볼 수 있는 스티로폼 공이나 이쑤시개 등으로도 잘 표현할 수 있기 때문에 화학 전반에 걸쳐 널리 애용되고 있다.
실험 방법
1. 실험 과정
1) 주어진 이쑤시개와 스티로폼 구를 이용하여 단순 입방격자, 체심 입방격자, 면심 입방격자, 육방 최밀 격자를 각각 제작한다.
2) 제작한 각각의 결정 구조에 대하여 단위 세포 내의 입자수를 계산한다. 즉 체심, 면심, 꼭지점에 있는 입자가 몇 개의 단위세포에 접해있는지, 그리고 각 위치의 입자가 하나의 단위세포 내에 속할 확률이 얼마인지에 근거하여 각 단위세포 내의 총 입자수를 계산해 낸다.
3) 제작한 각각의 결정구조에 대해서 입자의 배위수를 계산한다.
4) 제작한 각각의 결정구조에 대해서 결정 격자의 입자 충진율을 구한다. 이 때 원자 반지름(스티로폼 구의 반지름)을 r이라고 두고 계산을 전개한다.
5) 주어진 못의 표면을 깨끗이 닦아내어 녹이 남아있지 않도록 한다.
6) 전자저울로 못의 질량을 측정한다.
7) 10㎖ 메스실린더에 물을 약 7㎖ 정도 넣고 못의 부피를 정밀하게 측정한다.
8) 결정구조 모형에 근거하여 철 원자의 반지름을 옹스트롬 단위로 계산한다.
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