광물의 원자 배열, 결정구조, 이온치환, 광물의 정의 및 특성, 준광물, 동질이상, 결정형, 성장습관, 벽개, 광택, 조흔색, 경도,

1. 결정구조

- 고체 내부에 기하학적으로 원자들이 배열된 상태를 결정구조(crystal structure)라고 하는데, 결정구조 상태를 이루는 고체를 일컬을 때 결정질(crystalline)이라는 용어를 사용한다. 고체가 결정구조를 이루지 않은 경우 비정질(amorphous)이라는 용어를 사용한다. 모든 광물은 결정질인데, 결정구조는 광물에서 관찰할 수 있는 고유한 특징이다.

그림 3.6 광물을 이루는 원자의 관찰

 

2. 이온치환

- 이온의 크기는 이온반경(ionic radius)으로 나타내는데, 이는 원자의 핵의 중심으로부터 최외곽 전자궤도의 전자까지 거리를 가리킨다. 음이온은 비교적 큰 이온반경을 이루는 경향이 있는데, 여분의 전자가 전자껍질을 채움으로써 핵의 양성자가 궤도전자를 잡아당기는 힘이 느슨해지기 때문이다. 반대로 양이온은 전자를 잃게 되므로 나머지 전자들이 수축하게 되어 이온반경이 줄어들게 된다. 결정구조의 대부분 부피는 가장 커다란 음이온들이 차지하게 되므로 광물의 결정구조는 음이온의 배열상태에 따라 결정된다.

같은 전하를 띠는 이온들은 크기가 거의 같은 것을 알 수 있다. 예를 들면, Mg2+는 반경이 0.066nm인 반면에 Fe2+는 0.074nm이다. 이 두 가지 이온들은 전하가 같고 크기가 비슷하기 때문에 Fe2+는 마그네슘을 함유하는 광물내의 Mg2+를 치환할 수 있으며, 치환을 하더라도 이 마그네슘 광물의 결정구조는 변하지 않는다. 결정구조 내에서 무작위로 한 종류의 이온이 다른 이온을 치환하는 현상을 이온치환(ionic substitution)이라 한다.

그림 3.7 이온의 크기

(2) 광물의 정의

- 광물의 조건

· 자연적으로 생성된 것일 것.

· 고체일 것.

· 일정한 화학조성을 가질 것.

· 정해진 결정구조를 가질 것.

 

* 광물군(mineral group)

- 양이온 대 음이온 비의 변화없이 넓은 범위의 이온치환이 일어나는 광물들이 존재하는 경우에 사용된다. 광물군 중에서 전혀 치환되지 않은 이상적인 화학성분의 물질에 대해서 특정한 광물이름을 사용한다. (ex. 포스터라이트 : Mg2SiO4, 파이얼라이트 : Fe2SiO4)

1) 준광물

- 자연적으로 산출되는 고체 화합물중 일부는 일정한 화학식 또는 정해진 결정구조를 갖지 않기 때문에 광물의 조건을 충족시키지 못하는 경우가 있는데 이처럼 광물과 유사한 물질들을 일컬어 준광물(mineraloid)이라 부른다.

 

2) 동질이상

- 각 광물들은 각기 고유한 결정구조를 이루고 있다. 일부 원소와 화합물들은 원자들이 한 가지 이상의 방법으로 배열하기 때문에 두 가지 또는 그 이상의 광물들을 이루는 경우가 있는데 이처럼 화합물이 한 가지 이상의 결정구조를 이룰 경우 동질이상(polymorph)이라 부른다.

 

표. 동질이상의 예

화학성분	광물명
C	흑연
	다이아몬드
CaCO3	방해석
	아라고나이트
FeS2	황철석
	백철석
SiO2	석영
	크리스토발라이트
	트리디마이트

3) 광물의 특성

- 광물의 특성은 화학조성과 결정구조에 의해 결정된다. 하지만 광물을 감정하기 위해서 반드시 화학분석을 하거나 결정구조를 알아낼 필요는 없다. 광물의 감정을 위해 색, 결정형태, 경도, 광택, 벽개(cleavage), 비중 등의 특성을 사용할 수 있다.

 

4)결정형과 성장형태

 

1. 결정형

- 결정(crystal)이란 평평한 면이 발달하면서 성장하는 고체물질을 말하고, 결정면(crystal face)은 결정을 이루는 평평한 면을 말한다. 그리고 결정형(crystal form)이란 결정면들의 기하학적 배열상태를 말한다.

이런 결정의 크기나 결정면의 크기는 광물의 고유한 특성은 아니다. 니콜라우스 스테노는 광물별로의 고유한 특성은 결정면 크기가 아니라 결정면이 이루는 각도임을 입증하였다. 그는 어떤 두 개의 면이 이루는 각도는 항상 일정하며, 광물의 형태나 크기에 상관없이 항상 동일하다고 발표하였다. 즉, 같은 면에 속하는 면들은 평행하므로 어떤 결정면이든 이들 결정면들이 이루는 각도는 항상 동일하다. 그리고 독일의 물리학자 라우에는 결정들을 이루는 원자들이 어떤 특정한 기하학적 배열형태를 이루고 있다고 X-선을 이용하여 밝혀냈다. 석영 결정과 불규칙한 석영을 구성하는 모든 원자들이 일정한 기하학적 형태로 배열되었음을 라우에의 X-선 연구방법을 이용하여 쉽게 밝혀낼 수 있는데, 석영 결정과 불규칙한 석영은 모두 결정질이다. 딸서 결정이라는 용어보다는 형태와는 무관한 결정질이라는 용어가 광물의 정의를 내리는데 사용될 수 있다.

그림 3.8 석영에서 볼 수 있는 결정면과 각도 같은 결정형을 보여주는 두 개의 석영 결정. 두 결정들은 서로 다른 크기의 결정면을 보여주지만, 같은 번호의 면들이 서로 평행함을 볼 수 있다. 결정의 중요한 특성은 서로 접해 있는 면들이 이루는 각은 결정의 내부구조 때문에 같은 종류의 광물들끼리는 항상 일정하다는 점이다.	그림 3.9 일반적으로 나타나는 불규칙적인 성장 다른 입자들이 잘 형성된 결정면의 발달을 방해하는 조건에서 생성된 석영입자들.

2. 성장 습성

- 각 광물들은 특징적인 결정형을 이룬다. 일부 광물들은 매우 독특한 결정형을 이루므로 이르 이용하여 면각을 측정하지 않아도 광물을 감정할 수 있다. (* 황철석, 사문석)

그림 3.10 ‘바보들의 금’ 으로 알려진 황철석 황철석의 독특한 결정형. 황철석의 성장 습성 중의 하나는 결정형은 줄무늬가 발달된 면으로 구성된 정육면체 형태로 특징 지워진다.

그림 3.11 크리스탈 섬유 일부 광물들은 잘 발달된 결정면을 보여주지 않더라도 특징적인 성장 형태를 보여준다. 가끔 아주 가느다란 실처럼 성장하는 광물 크리스틸은 방화복을 짜는데 사용할 수 있는데, 이 경우 석면이라 부른다.

5) 벽개

- 광물이 밝고 빛을 반사하는 편편한 면을 따라 특정한 방향성을 가지면서 쪼개지는 경향을 벽개(cleavage)라 한다. 결정면과 벽개면이 유사하게 보이는 경우가 있는데, 벽개면은 깨진 면인 반면, 결정면은 성장할 때 생긴 면이다.

벽개를 따라서 생긴 평평한 면은 결정구조의 영향을 받는다. 벽개면은 원자들간 결합이 비교적 약한 방향과 일치한다. 벽개면이 결정구조의 특징에 따라 형성되므로 같은 광물들의 벽개면들 사이의 각은 항상 일정하다. 결정면간의 각이 항상 일정한 것처럼 벽개면 간의 각도 일정하다. 따라서 벽개도 광물을 판별하는데 중요한 기준이 된다.

그림 3.12 광물의 벽개 A. 소금은 벽개면이 잘 발달되어 있는데 이 면을 따라 작은 조각으로 쉽게 부서진다. B. 깨진 조각과 같은 방향으로 그려진 결정구조의 그림을 보면 깨지는 방향은 같은 수의 Na와 Cl이 배열되는 면과 일치함을 알 수 있다.

6) 광택

- 광물로부터 반사되는 빛의 양과 특징에 의하여 광택(luster)이라고 부르는 현상이 발생한다. 색이 거의 같은 광물이라도 광택은 매우 다를 수 있다. 광택에는 금속광택, 유리광택, 수지광택, 지방광택이 있다.

그림 3.15 광택 서로 다른 광택을 나타내는 3종류의 광물. A. 석영(유리광택) B. 섬아연석(수지광택) C. 활석(진주광택)

7) 색과 조흔색

- 색은 광물을 감정하는데 신뢰할 수 있는 특성이 아니다. 색을 가지고 구분하기 어려운 이유 중의 하나는 풍화 때문이다. 물과 산소는 황철석 같은 광물과 반응하여 원래의 광물과는 다른 색을 띠는 변질된 표면을 형성하게 된다. 색을 판별할 때 실수를 줄일 수 있는 방법으로서 초벌구이 자기판에 광물을 긁어서 생기는 분말인 조흔(streak)을 관찰하는 방법이 있다. 분말은 입자들이 매우 작아 입자크기에 의한 효과가 별로 없기 때문에 신뢰할 수 있는 색을 나타낸다.

 

그림 3.16 광물의 조흔

적철석의 색과 적철석의 조흔색의 차이를 보여주는 사진. 적철석 덩어리는 불투명하고 금속광택을 띠며 검정색으로 보인다. 조흔판은 적철석의 적색 조흔색을 보여준다.

8) 경도

- 경도(hardness)는 광물을 긁었을 때 상대적으로 견뎌내는 경도를 나타내는 용어다. 광물들의 고유한 특성으로 경도는 결정형이나 벽개처럼 결정구조와 원자들 간 결합의 강약에 의한 영향을 받는다. 결합이 강할수록 광물은 단단하다. 상대적인 경도의 수치는 한 광물을 다른 광물로 긁었을 때 긁힐 수 있느냐 없느냐느로 결정할 수 있다. 모스 상대적 경도계(Mohs' relative hardness scale)는 10단계로 구분되는데, 각 경도별로 광물이 지정되어 있다.

표. 모스 상대 경도계

경도	광물	동일한 경도의 물체
10	금강석
9	강옥
8	황옥
7	석영
6	정장석
		칼날;유리
5	인회석
4	형석
		동전
3	방해석
		손톱
2	석고
1	활석

 

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