광물의 결정구조와 화학성분(원소, 원자, 에너지 준위 껍질, 화합물)

광물과 화학 광물이란 용어는 지질학분야에서 특별한 의미를 가지고 있다. 광물이란 자연적으로 생성된 고체화합물로서 특정한 화학성분과 결정구조를 이루고 있다. 석영은 광물의 하나다. 이것은 자연적으로 생성되었으며 고체 상태로 존재한다. 석영은 규소와 산소의 원자가 1:2의 비율로 구성되어 있으므로 SiO2라는 화학식을 이루고 있으며, 원자들은 결정구조라고 하는 일정한 기하학적 배열을 이루고 있다. 화강암은 대부분ㅇ규소와 산소로 구성되어 있지만 광물은 아니다. 화강암별로 몇 가지 광물들이 다른 비율로 섞여 있으므로 각각의 화강암마다 화학성분이 다르다. 화강암은 특정한 화학성분을 이루고 있지 않으므로 화강암은 암석에 해당한다.

암석은 유기물, 유리질 물질 및 다른 자연물질과 함께 구성된 광물들의 집합체이다. 암석은 자연의 역사를 기록한 책에 해당하며, 그 안에는 지구가 어떻게 활동해 왔는지에 관한 과정이 기록되어 있다. 암석으로부터 대륙이 과거에 어떻게 움직였는지, 산들이 어떻게 생성되었으며 침식되었는지, 화산들이 왜 그들의 위치에 생성되었는지를 알아낼 수 있다. 자연을 기록한 책의 문자는 광물에 해당하며, 이러한 문자를 해석하기 위해서는 광물의 특성과 생성을 다루는 지질학의 한 분야를 연구해야만 한다. 광물을 가장 쉽게 이해하는 방법은 다음의 가장 중요한 두 가지 특성들을 조사하는 것이다.

1. 화학성분: 존재하는 화학원소들의 종류와 그들의 구성 비율.

2. 결정구조: 광물내에 화학원소의 원자들이 배열되어 있는 방식.

 

대부분 광물들은 몇 가지 화학원소들로 구성되어 있으므로 화학원소들이 화합물을 이루는 방법부터 설명을 시작하는 것이 광물에 관한 이해에 도움이 될 것이다.

 

-원소와 원자

-화학원소

만약 우리가 화학자이고 광물이나 암석을 분석하도록 요청받는다면, 시료를 구성하고 있는 화학원소의 종류 및 양과 같은 자료에 관하여 보고할 것이다. 화학원소는 화학적인 방법으로 물질들을 분리할 수 있는 가장 기본적인 단위이다. 예를 들면, 식탁용 소금은 나트륨과 염소로 분리될 수 있기 때문에 원소가 아니다. 그러나 나트륨과 원소는 화학적으로 더 이상 분리해낼 수 없으므로 이들은 원소에 해당한다.

수소는 H, 규소는 Si로 표기하는 것처럼 각 원소들을 어떤 기호로 나타낸다. 수소에 사용되는 것처럼 어떤 화학기호들은 원소들의 영어명칭으로부터 기인하였고, 어떤 기호들은 다른 언어로부터 유래되었다. 예들 들면, 철은 Fe로 표기되는데 라틴어 ferrum에서 기인하였고, 구리를 나타내는 Cu는 그리스어 kiprios에서 유래한 라틴어의 cuprum에서 기인하였다. 나트륨을 나타내는 Na는 라틴어 natrium에서 유래하였다. 자연적으로 생성된 원소들과 그들의 기호들은 부록 B에 실려 있다.

한 가지 원소로 구성된 물질의 조각이 핀의 끝 부분보다 더 작을지라도 원자라고 부르는 천문학적인 숫자의 입자들로 이루어져 있다. 원자는 어떤 원소의 특징을 유지하는 가장 작은 독립적 입자다. 원자들은 너무 작아서 이제까지 발명된 가장 강력한 현미경을 사용해야만 관찰할 수 있는데, 그렇다 하더라도 원자들의 지름이 겨우 10-10m 정도이기 때문에 완벽하게 보이는 원자를 관찰할 수 있는 것은 아니다.

 

-원자

원자들은 양성자, 중성자 그리고 전자로 이루어져 있다. 양성자와 중성자는 매우 작은 입자지만 밀집되어 있으며, 이들은 원자의 중심에 모여 핵을 이룬다. 전자들은 양성자나 중성자보다도 훨씬 더 작은 입자들로서, 핵에서 약간 떨어진 궤도에서 확산된 구름 형태로 움직인다(그림3.1)

핵은 양성자에 의하여 양의 전하를 띠게 되고 원자 핵 내의 양성자 숫자는 원자번호에 해당한다. 핵 내의 양성자 수는 각 원자가 자기는 독특한 물리적 성질을 결정하며, 따라서 다양한 원소가 존재하게 된다. 원소들

그림3.1 원자의 구조. 탄소-12 원자의 구조를 보여주는 그림. A.핵은 6개의 양성자와 6개의 중성자를 포함하고 있다. 전자는 궤도라 불리는 복잡한 경로를 따라 핵 주위를 움직이므로 개략적인 그려져 있다. 두 개의 전자는 핵과 매우 가까운 에너지 준위의 전자껍질 1에 위치하고 있다. 4개의 전자는 조금 더 떨어진 에너지 준위의 전자껍질 2의 궤도를 채우고 있다. B 12C 원자의 2차원적 그림

은 원자번호에 의해 분류되는데 수소는 하나의 양성자만 가지고 있으므로 원자번호는 1 이다. 수소 다음으로는 헬륨이 두 개의 양성자를 가지고 있다.

원자번호가 92인 우라늄(핵에 92개의 양성자가 있음)은 자연적으로 산출하는 원소 중에서 원자번호가 가장 높다. 과학자들은 원자번호가 92보다 높은 원소들을 합성하였으며, 1999년 초까지 알려진 가장 높은 원자번호를 갖는 원소의 원자번호는 114다.

중성자는 원자의 핵에서 무슨 역할을 할까? 중성자는 핵을 유지하도록 하는 접착제와 같은 역할을 한다. 원자내의 중성자와 양성자 수의 합을 질량번호라 한다. 특정한 원소의 원자들은 모두 원자번호를 가지고 있다. 원자번호는 같지만 질량번호가 다른 원자들을 동위원소라 한다. 예를 들면, 자연적으로 산출하는 탄소에는 탄소-12, 탄소-13, 탄소-14 등 모두 세 종류의 동위원소가 있다. 각각의 탄소 원자에는 6개의 양성자가 있으며, 따라서 모두 원자번호는 6이다. 그러나 세 종류의 동위원소는 각각 6, 7, 8개의 다른 중성자 수를 가지고 있다. 대부분의 일반적인 화학원소들은 2 이상의 동위원소들이 혼합되어 있다. 이들 탄소 동위원소의 질량번호는 각각 12C, 13C, 14C와 같이 윗첨자로 표기한다.

 

-에너지준위 전자껍질

전자는 원자의 핵주변의 복잡한 3차원적 형태의 궤도에서 움직이고 있다. 그림 3.1은 탄소-12의 원자를 나타내는 그림인데, 전자가 움직이는 경로는 그림에서 표시하기는 매우 복잡하기 때문에 개략적으로 그려져 있다. 두 개의 전자는 핵과 매우 가까운 궤도에 위치하고, 4개는 좀 더 떨어져 있다. 이 궤도들의 두 가지 그룹들을 에너지준위 전자껍질이라 부르며, 각 에너지준위 전자껍질의 궤도에 들어갈 수 있는 전자의 최대 숫자는 고정되어 있다. 핵과 가장 가깝게 위치한 전자껍질 1은 단지 2개의 전자들을 수용할 수 있지만, 두 번째 전자껍질은 8개의 전자를, 세 번째 전자껍질은 18개 그리고 네 번째 전자껍질은 32개의 전자들을 수용할 수 있다.

 

-이온

에너지준위의 전자껍질에 전자가 가득 차 있을 때 마치 균형 있게 짐을 실은 배처럼 매우 안정되어 있다. 에너지준위 전자껍질이 가득 채워 안정된 전자배열을 이루기 위하여 원자들은 전자들을 서로 공유하거나 이동시킨다. 원자는 같은 수의 양성자와 궤도 전자를 갖기 때문에 전기적으로 중성이다. 그러나 전자의 이동이 있을 때 전기적인 힘의 균형이 깨지게 된다. 전자를 잃어버린 원자는 음의 전기적 전하를 잃게 되므로 전체적으로는 양의 전하를 띠게 된다. 반대로 전자를 얻게 되는 원자는 음의 전하를 띠게 된다. 전자의 이동에 의해 전체적으로 양의 전하나 음의 전하를 띠게 되는 원자를 이온이라 부른다. 양의 전하를 띠게 될 때(원자가 전자를 잃어버릴 경우) 이때 이온을 양이온이라 하고, 음의 전하를 띠게 될 때(원자가 전자를 받았을 경우) 음이온이라 한다.

이온의 전하를 나타내는 편리한 방법으로서 윗첨자로 표시한다. 예를 들면 Li1+는 하나의 전자를 잃어버린 양이온(리튬)이며, F1-는 하나의 전자를 받아들인 음이온(플루오르)이다. 여기에서 질량 번호와 이온전하를 혼돈하지 않도록 주의하여 한다. 모두 윗첨자로 기록되지만, 질량번호는 왼쪽에 표시하고 이온전하는 오른쪽에 표시한다. 예를 들면, 두 번째 에너지 준위 전자껍질에 한 개의 전자를 갖는 나트륨은 이 전자를 방출하게 되면 1+ 전하의 양이온이 된다. 나트륨은 질량 번호가 23이므로 나트륨 이온은 23Na1+로 표기한다. 과학자들은 실제로는 필요한 경우에는 질량번호만 표기하기도 한다.

 

-화합물

하나 또는 그 이상 원소의 원자들이 다른 원소와 특정한 비율로 결합할 경우 화합물이 생성된다. 예를 들면, 리튬과 플루오르는 결합하여 세라믹이나 에나멜을 만드는데 사용되는 플루오르화 리튬(LiF)이라는 화합물을 형성하게 된다. 화학식 LiF 은 각 Li 원자마다 이에 상응하는 F이온이 있음을 나타낸다. 이와 유사하게 H2O라는 화합물은 수소가 산소가 2:1로 결합할 때 생성된다.

화합물의 화학식은 양이온을 이루는 원소들을 먼저 표시하고 그 뒤에 음이온을 이루는 원소들을 표시한다. 원자들의 상대적인 수는 아래첨자로 표시하고, 편의상 이온의 전하는 생략한다. 이런 방식으로 우리는 H21+O2- 로 표시하기보다는 H2O로 표시한다.

전자의 이동에 의한 화합물의 생성에 관한 예는 그림3.2의 리튬과 플루오르에서 볼 수 있다. 리튬 원자는 에너지준위 전자껍질 1에 2개의 전자가 채워져 있으며, 에너지준위 전자껍질 2에는 8개의 전자까지 수용할 수 있지만 단지 1개의 전자만 존재한다. 전자껍질 2에 단독으로 존재하는 전자는 플루오르와 같은 원소로 쉽게 이동하는데, 플루오르는 전자껍질 2에 7개의 전자가 있으므로 전자가 하나만 더 있으면 완전하게 채워진다. 만약에 리튬과 플루오르가 근접해 있다면 이러한 방식으로 리튬 양이온과 플루오르 음이온의

그림3.2 전자의 이동. 리튬 원자와 플루오르 원자가 결합하여 플루오르화 리튬을 생성한다. 리튬원자는 외곽 전자껍질의 전자를 플루오르 원자의 외곽 전자껍질로 이동시킴으로써 Li1+양이온과 F1- 음이온을 형성한다. 이온결합에서는 전기적인 힘에 의하여 리튬 이온과 플루오르 이온을 서로 잡아당긴다.

전자껍질이 모두 채워지게 되고, 이때 발생하는 음의 전하와 양의 전하에 의하여 두 가지 이온이 결합하게 된다.

화합물의 특성은 그들을 구성하는 원소의 특성과는 완전히 다르다. 예를 들면 원소인 나트륨과 염소는 아주 유독하지만 화합물인 염화나트륨은 인간의 건강에 필수적인 물질이다. 전자가 이동하거나 공유하는 방법에 의하여 이온들이 결합하는 방법을 몇 가지로 구분할 수 있다.

화합물의 독특한 화학적 특성을 갖는 가장 작은 단위를 분자라 한다. 분자와 원자의 정의는 비슷하지만 분자화합물은 항상 두 종류 이상의 원자가 결합하여 이루어지므로 혼돈하지 않아야 한다. 화합물 내에서 원자들을 결합하는 힘을 결합이라 한다. 결합은 여러 종류가 있는데, 결합에 따라서 화합물의 물리적 화학적 특성이 결정되므로 다음에서 간단히 살펴보기로 하자.

 

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