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최근 수정 시각 : 2022-08-12 22:10:31

금속

||<tablewidth=100%><tablebordercolor=#00a495><bgcolor=#00a495,#000> 주기율표 ||
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B
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C
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N
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Cm
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Bk
247.07
Cf
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Es
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Md
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No
259.1
Lr
266.12
범례
||<-5><tablewidth=100%> 원소 분류(배경색) ||
알칼리 금속 알칼리 토금속 란타넘족 악티늄족 전이 금속
전이후 금속 준금속 다원자 비금속 이원자 비금속 비활성 기체
밑줄: 자연계에 없는 인공 원소 혹은 극미량으로만 존재하는 원소로, 정확한 원자량을 측정하기 어려움.
표준 상태(298 K(25 °C), 1기압)에서의 원소 상태(글자색) ● 고체 ● 액체 ● 기체
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1. 개요2. 활용3. 화학적 물리적 성질4. 생리적 작용5. 천문학6. 종류7. 합금8. 대중문화 속의 금속
8.1. 가공의 금속8.2. 금속 속성
9. 관련 문서

1. 개요

/ Metal

금속은 '이나 전기를 잘 전도하고, 펴지고 늘어나는 성질이 풍부하며, 특수한 광택을 가진 물질을 통틀어 이르는 말'이다. 수은과 상태가 확인되지 않은 인공 원소를 제외하고는 모두 상온에서 고체이다. 비중이 4 내지 5 이하의 것을 경금속, 4 내지 5 이상의 것을 중금속이라고 한다.

전성을 갖고[1] 금속 광택을 지니며 전기전도성을 가진 물질을 가리키는 총칭이다.[2] 순우리말로는 '쇠붙이'라고 한다. 대표로는 이나 구리 등이 있다.

2. 활용

오래전부터 인류가 가공하여 사용할 수 있는 원자재들 중 가장 튼튼하고, 또 재가공이 용이하여서 시대와 국적, 문명 인종을 막론하고 고루 쓰였던 존재이다. 일부 귀금속은 경제적 가치를 인정받아서 고대 사회에서도 화폐 혹은 화폐대체제 등으로 널리 쓰이기도 하였으며, 그 개념은 오늘날 동전으로 이어져 내려오고 있다.

최초로 금속을 가공하여 사용한 존재가 누구인지, 그 동기가 무엇인지는 전혀 밝혀진 바가 없으나, 확실한 것은 초창기 인류는 을 사용한 석기시대를 거쳐 점차 청동을 가공하며 다루는 청동기 시대로 건너왔다는 것이다. 즉, 석기를 가공하는 기술을 기반으로 점차 금속 가공법을 익혀나가면서 금속 가공법을 완벽히 습득하였고 이를 바탕으로 금속의 사용량이 늘어났다는 점을 알 수 있다.

오늘날에도 금속은 귀중한 원자재 중 하나이다.[3] 아직까지 금속을 대체할 만한 만족스러운 신소재가 없기 때문. 금속과 비슷한 내구도를 지녔으면서 가볍고 싼 플라스틱도 있고,[4] 단열 및 내구도가 더 뛰어난 에어로젤이나, 금속보다 전기 전도성이 더 우수한 그래핀 등 많은 자원과 신소재들이 개발/발굴되었지만, 이들은 각각 다른 면에서 부족한 점이 존재하여 여전히 금속을 완전히 대체할 만한 존재는 나오고 있지 않다. 한 마디로 강철만큼 흔하고, 싸면서, 강한 재료는 없다.

3. 화학적 물리적 성질

금속은 열과 전기를 잘 전달하는 도체이고 불투명하면서 특유의 광택을 띠며 상온에서는 결정구조를 가진 고체[5] 상태라는 특징을 갖고 있다. 또한 판처럼 얇게 펼 수 있고 실처럼 가늘게 뽑을 수 있는 성질, 즉 전성(展性) 및 연성(延性)을 갖고 있다.

이러한 금속들의 특징들은 모두 금속결합이라는 결합 때문에 나타난다. 금속결합으로 인해 내부에 자유전자들이 존재하고 자유전자들이 열과 전기를 전달하기 때문에 금속은 도체이다. 자유전자들이 외부 전기장의 침입을 막기 때문에 금속 표면에서 가시광선을 포함한 전자기파들이 반사되고 이로써 금속의 광택이 나타난다. 금속 원자들 사이의 자리가 바뀌어도 금속결합은 유지되기 때문에 전성과 연성이 나타난다.

주기율표에서 볼 때 금속 원소들은 주로 왼쪽에 위치하고 있고 아래쪽으로 갈수록 한 주기에서 금속원소가 차지하는 비율이 커지게 되는데 이는 주기율표에서 왼쪽에 있을수록 최외각 전자수가 적어지고 아래로 갈수록 원자핵과 최외각 전자사이의 거리가 멀어지면서 최외각 전자가 원자로부터 떨어져 나가기 쉬워지기 되어 최외각 전자들이 구름처럼 비교적 자유로이 움직일 수 있게 되는데 이런 경향이 강한 원자들끼리 모여서 형성하는 결합이 금속결합이다. 이러한 금속원소들은 전자가 잘 떨어져 나가므로 산화되어 양이온이 되는 경향이 크다.

금속 피로라는 것도 있다. 금속류는 소성 변형이 시작되는 응력 이하로도 여러 번 구부렸다 폈다 하면 점차 열이 오르다 툭 끊어진다. 이 횟수는대체로 응력에 비례하는데, 이를 그래프로 나타낸 것이 S(Stress)-N(Number of cycles) Curve이다. 금속중에는 일정 응력 아래에서는 아예 금속 피로로 인한 파괴가 일어나지 않는 금속도 있고[6], 아무리 적은 응력으로도 언젠가는 무조건 파괴가 되는 금속도 있다[7]. 항복점을 넘어가면 파괴되는 것이라고 하는데, 이는 옳은 설명이 아니다. 첫째로, 항복점을 넘은 응력이 가해졌을 경우 금속은 '파괴되는 것'이 아니라 '소성변형을 시작'하게 된다. 물론, 구조재료로 사용된 금속의 소성변형은 대부분의 경우 일어나면 안 되는 것은 맞지만, 파괴와는 다르다. 금속은 가해지는 응력이 인장강도(UTS, Ultimate tensile strength)를 넘어섰을 때 네킹(Necking)[8]이 일어나고, 파단강도(Rupture strength)를 넘어섰을 때 비로소 파괴된다. 둘째로, 알루미늄의 항복점을 약 100만 번이라고 서술하였는데, 이 또한 옳지 않다. 항복점은 앞에서 설명한 바와 같이 소성변형이 시작되는 응력을 의미하고, 또한 금속 피로로 재료를 파괴하기 위한 사이클 수는 일정하지 않고 금속에 가해지는 응력에 비례한다[9] 금속의 피로파괴가 발생하는 원리는 응력집중과 미세균열에 있다. 실제로 사용되는 금속제 물건들은 겉보기에는 아무런 손상이 없어보여도 표면상태를 세세하게 볼 수 있을 정도로 확대해서 보면 표면에 굴곡이나 흠집, 미세 균열 같이 불규칙한 부분들이 존재한다. 이러한 부분들이 존재하면 그 부분 쪽에 응력집중[10]이 발생하게 되어 미세한 균열들이 형성되게 되고 각 응력 사이클마다 균열이 조금씩 커져가다가 임계 크기에 도달하면 매우 빠르게 파손이 일어나게 된다. 유리 겔러가 숟가락을 끊을 때 사용한 트릭이 바로 이 금속 피로현상이다. 정 모르겠다 싶으면 집에서 숟가락 하나를 계속 구부렸다 폈다 해보자.

4. 생리적 작용

인간은 살아가기 위해 몇가지 금속을 필요로 한다. 대표적인 것이 적혈구의 재료인 이며, 의 구성성분인 칼슘, 체액의 삼투압 유지에 필수적인 경금속 나트륨 칼륨[11] 등이 비교적 많이 필요하다. 이외의 필요 금속인 마그네슘, 망간, 아연[12], 구리, 몰리브데넘, 코발트[13] 등은 효소 단백질과 관련된 기능을 하며 극미량만 있으면 된다.

일부러 식품에 금속을 첨가해 섭취하는 경우도 있다. 서양에서는 밀가루에 철을 혼합하고 우유에 칼슘을 첨가해 이러한 원소가 결핍되지 않도록 하는 경우가 있는데, 그런 게 아니라 아무런 대사/영양학적 유익성도 없는 은과 금을 식품에 넣어 먹는 것이다. 은은 주로 인도인들이 먹으며(‘바크’라 불리는 아주 얇은 은박지 형태로 섭취), 금은 주로 중국, 일본, 우리나라 사람들이 먹는다(얇은 금박 부스러기를 술에 띄우거나 음식에 올려 섭취). 당연히 은이나 금이 맛이 좋아 그러는 것은 아니며, 귀한 금속을 먹는다는 행위 자체에서 오는 사치스러움을 즐기는 것이다.

일부 금속은 체내에 축적되면 매우 나쁜 영향을 주며(대표적으로 , 카드뮴, 수은, 크로뮴, 베릴륨, 알루미늄 등), 아무런 생물학적 활성도 없을 금속이 인체 내에서 약효를 발휘하는 경우도 있어 생리학자들을 어리둥절하게 만들기도 한다. (우울증 약인 리튬, 류마티스 관절염 치료에 사용되는 , 항암제 시스플라틴에 사용되는 백금 등이 그 예다.) 그 외에도 체질에 따라 특정 금속에 알레르기 반응을 일으키는 경우도 존재한다.[14]

5. 천문학

한편, 천문학에서는 금속의 정의가 다른데, 리튬 밑으로는 전부 금속이다. 즉 탄소, 질소, 산소 같은 것도 천문학에서는 금속이다. 즉 수소 헬륨 리튬은 우주의 시작인 빅뱅 때 생성된 우주의 원재료지만 원자번호 5인 붕소 이상의 모든 원소는 빅뱅에서 생성되지 않고 그 후에 별의 핵융합이나 초신성 폭발 등 우주의 핵합성 과정을 통해 나중에 생성되었기 때문에 이를 통틀어 금속이라고 부른다.

6. 종류

사실 수소와 인공원소를 제외한 할로젠 원소 비활성 기체와 주기율표 오른쪽 위 구석의 일부 원소들을 제외하면 모두 금속이다.

족별 분류는 나무위키 주기율표를 기준으로 하며, 준금속도 포함한다.

6.1. 1족

6.2. 2족

6.3. 3족

6.4. 4족

6.5. 5족

6.6. 6족

6.7. 7족

6.8. 8족

6.9. 9족

6.10. 10족

6.11. 11족

6.12. 12족

6.13. 13족

6.14. 14족

6.15. 15족

6.16. 16족

6.17. 17족

6.18. 18족

7. 합금

8. 대중문화 속의 금속

8.1. 가공의 금속

8.2. 금속 속성

속성/금속 문서로.

9. 관련 문서




[1] 텅스텐 비스무트는 예외적으로 연전성이 없고 깨지는 성질이 강하다. [2] 정확히 말하자면 페르미면(Fermi surface)을 가지는 물질을 금속이라고 한다. [3] 실제로 재료공학 전공자들의 상당수가 금속 관련 업종에서 일을 하며 먹고 산다. 특히 강철, 알루미늄, 티타늄은 금속 전공자의 3대 밥줄이라는 소리도 나올 정도. [4] 그 중에서 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP)같은 것은 어지간한 금속보다 훨씬 강하다. [5] 수은 같은 예외도 존재한다. 수은은 녹는점이 약 -39℃ 이기 때문에 상온에서 액체 상태이다. 하지만 이 수은도 응고하면 특유의 광택을 띠는 결정질 금속이 된다. "리퀴드 메탈" 같은 일부 비정질 합금은 상온에서 결정구조가 없는 유리질을 띠고 있으나 이는 열역학적으로 안정된 상은 아니다. [6] 금속 피로로 인한 파괴가 일어나지 않기 시작하는 응력을 피로 한계(fatigue limit)라고 한다. [7] 대표적으로 알루미늄. [8] 재료가 균일하게 변형되지 않고 일부분만 얇게 변형 되는 것. [9] 재료에 가해지는 응력이 작을수록 피로파괴가 일어나는데 더 많은 사이클이 요구된다. [10] 균일한 부위보다 불규칙한 부위에서 움푹한 부분의 첨단부에서 국부적인 응력이 매우 크게 발생하는 현상. 응력집중이 일어나게 되면 같은 힘을 받는 재료여도 그 부분만 응력이 유달리 크게 발생하면서 파괴강도를 저하시키고 이로인해 재료에 균열이 발생하기 쉬워진다. [11] 이 둘은 서로 견제하는 작용을 하며, 한쪽이 지나치게 많아지면 몸에 이상을 일으킬 정도로 그 균형이 중요하다. [12] 대표적으로 인슐린이 있다. [13] 밝혀진 것 중 가장 복잡한 구조의 비타민 시아노코발라민에 들어간다. [14] 특히 니켈에 알레르기를 가지는 경우가 많다. [15] 수소의 경우 1족이지만 금속이 아니다. 단, 극도로 높은 압력하에서는 수소가 금속이 될 것으로 예측되고 있고, 현재 여러 실험팀이 검증을 위해 노력하는 중이다. 목성의 강한 자기장은 중심부의 액체금속수소 순환에 의해 발생한다고 한다. [16] 수은과 마찬가지로 상대론적 효과에 의해 액체 금속일 것으로 예상된다. [17] 규칙적으론 준금속이다. [18] 탈륨의 바로 아래에 있기 때문에 금속일 가능성이 높은 것으로 보고 있다. [19] 납의 바로 아래에 있기 때문에 금속일 가능성이 높은 것으로 보고 있다. [20] 비스무트의 바로 아래에 있기 때문에 금속일 가능성이 높은 것으로 보고 있다. [21] 비스무트의 대각선 방향 아래에 있기 때문에 금속일 가능성이 높은 것으로 보고 있다. [22] 폴로늄의 대각선 방향 아래에 있기 때문에 준금속일 가능성이 높은 것으로 보고 있다. [23] 아스타틴의 대각선 방향 아래에 있기 때문에 준금속일 가능성이 높은 것으로 보고 있다. [24] Galinstan(Gallium, Indium, Stannum의 합성어). 이름처럼 갈륨, 인듐, 주석을 섞어서 만든 합금으로 상온에서 액체이다. 독성이 적은 갈륨, 인듐, 주석만을 사용하기 때문에 수은에 비해 독성이 적어 수은 대신 가지고 놀 수 있다. 제조법 [25] 옛날에는 이것을 원소로 취급했었다(Di라는 원소기호도 부여했다!!) 하지만 세월이 흐르면서 프라세오디뮴, 네오디뮴과 몇몇 란탄족의 합금임이 밝혀졌다. [26] 은과 금을 섞어 만들며, 고대 문명에서 동전을 제조하는 데 사용되곤 했다. 이것과 관련된 유명한 이야기가 다름아닌 유레카다.