원자와 원소광물

※원자, 원소, 광물

-석면은 얼마나 위험한가?

우리는 숨을 쉴 때마다 공기 중에 떠다니는 미세한 광물입자들을 들이마시게 된다. 이러한 입자들은 크기가 너무 작아서 현미경으로 나 보일 정도지만 우리 주변 어느 곳에나 존재한다. 공기의 흐름이 정지하여 이 입자들이 쌓이게 되면 우리는 이것을 먼지라 부른다. 인간들은 일생동안 이러한 광물입자들을 수십억 개 이상 들이마시게 된다.

입자들은 우리가 숨을 내쉴 때 대부분 방출되지만 일부는 기관지나 폐에 남게 된다. 인체는 이러한 이물질들이 건강에 해가 없도록 몇 가지 역할을 한다. 폐는 이물질들을 체내조직으로 감싸서 해가 없도록 하지만 한계가 있다. 따라서 매우 많은 이물질들이 체내에 들어온다면 폐의 능력이 저하될 것이다.

석면이라고 일컬어지는 섬유 형태의 광물입자가 폐에 끼치는 장기적인 영향은 학자들 사이에서 끝없는 논란의 대상이 되어왔다. 일부 학자들은 석면 채광종사자들을 대상으로 조사한 자료에 의거하여 석면이 건강에 매우 유해하며 석면 등의 자연의 섬유상 물질들이 건강에 심각한 문제를 일으킨다고 주장해왔다. 다른 과학자들은 이 문제가 지나치게 과장되었고, 석면 채굴장의 자료를 주거환경에까지 적용하기에는 불확실한 점이 많다고 주장한다. 이러한 경해의 차이는 몇 가지 서로 다른 이유 때문이다. 석면이라는 용어의 유래는 확실치 않다. 고대 그리스 사람들에게는 광물 섬유를 이용해 방화복을 짠다고 알려져 왔기 때문에 그들은 이러한 섬유를 석면이라 불렀는데 불에 견뎌낸다는 뜻이 있다. 다른 여러 광물들도 적정한 환경에서는 휘어질 수 있는 기다란 섬유상으로 성장할 수 있다. 따라서 석면이라는 용어는 특정한 광물을 일컫는 것이 아니라 휘어질 수 있는 강한 섬유상 물질을 지칭하는데 사용된다. 만약에 한 종류의 석면이 건강에 해롭다면 다른 모든 섬유상 광물들도 건강에 똑같이 해로운 것일까?

석면이라 불리는 여섯 종류의 광물들이 채굴되고 있다. 대부분의 상업적 석면은 사문석군에 속하는 광물들 중의 하나인 크리소틸이라는 흰색 광물이다. 나머지 다섯 가지 상업적 석면광물들은 모두 각섬석이라 불리는 광물군에 속한다. 석면이 폐암과 관련이 있다고 믿을 수밖에 없는 증거들은 주로 아프리카와 오스트레일리아에서 주로 채광되는 청색 각섬석인 크로시돌라이트와 관련이 있다. 각섬석과 사문석을 화학적으로 비교해보면 상당한 차이가 있다. 그렇다면 청색 각섬석으로부터 얻은 증거가 흰색 석면의 영향을 평가하는데 사용될 수 있을까? 그 점에 있어서는 서로 다른 몇 가지 의견들이 있다. 입자의 형태나 크기가 문제를 발생시킨다면 광물의 차이는 중요하지 않을 것이다. 그러나 화학성분이 문제가 된다면 모든 석면을 성분과 상관없이 위험하다고 하면서 이 귀중한 물질을 사용하는 것을 금지하게 될 것이다.

얼마나 많은 양의 석면이 건강에 해로울까? 많은 양의 석면 먼지에 노출된 채광인부들은 실제로 폐에 상처를 입게 되고 결국에는 폐질환을 앓게 된다. 작업장에 노출되지 않은 우리들 대부분은 흔히 퍼져있는 미량의 크리소틸을 들이마시게 되지만 이들이 어느 정도 체내에서 처리되기 때문에 큰 문제가 되지는 않을 것이다. 그러나 이 점은 연구결과에 따라서 어느 정도의 다른 견해가 있을 수 있다.

석면과 건강문제는 오래 전부터 과학의 범주를 벗어나 정치적인 문제가 되고 있다. 따라서 어떤 종류의 석면을 사용했느냐에 관계없이 건물 내에서는 모든 석면을 제거하는 업종이 대규모의 새로운 산업으로 떠오르고 있다. 석면과 관련된 법률분야도 새로운 분야로 대두하고 있는데 이 문제와 연관된 법적문제를 처리하는데 쓰이는 비용도 엄청나게 늘어나게 되었다. 석면과 관련된 문제들이 잠잠해지는데는 오랜 시간이 걸릴 것으로 보이는데 이제는 흔히 볼 수 있는 광물들까지 유해할지 모른다는 실정이니 위험한 광물에 관한 문제제기는 영원히 그치지 않을지도 모른다. 앞으로의 이러한 논쟁을 보다 정확히 파악하기 위해서는 광물에 관한 이해가 필수적일 것이다.

 

※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.

 

-원자의 결합

앞에서 설명된 바와 전자로 채워진 에너지준위 전자껍질은 매우 안정적이다. 전자껍질을 채우고 안정적인 전자배열을 이루기 위해서 원자는 전자를 이동시키거나 공유하게 되는데, 전자를 이동시키거나 공유함으로써 원자 사이에 강한 결합이 이루어지게 된다. 결합에는 중요한 네 가지 종류가 있다.

1. 이온결합: 원자 간의 전자이동은 자유로운 개체로 존재하는 양이온과 음이온을 형성하지만, 전기적인 힘에 의해서 양전하를 띠는 원자와 음전하를 디는 원자가 서로 끌어당기게 되어 이온결합을 이룬다. 그림3.2에서 보여주는 리튬과 플루오르의 결합은 이온결합을 이루고 있다.

이온결합을 이루는 화합물은 중간적인 강도와 경도를 나타낸다. 소금은 이온결합을 하고 있다. 우리가 소금을 섭취하면 입에 녹아서 NaCl은 Na+과 Cl- 이온으로 분리된다. 원소 Na와 Cl은 독성이 있지만 용액에 존재하는 이들이 이루는 이온은 그렇지 않다. 우리가 느끼는 소금맛을 내는 것은 바로 이온들 때문이다.

2. 공유결합: 어떤 원자들에서는 전자들이 이동하는 대신에 서로 공유하게 된다. 전자를 공유함으로써 이온이 되는 것은 아니지만 공유결합이라 하는 강력한 결합을 이루게 된다. 공유결합을 이루는 중요한 물질로서 탄소의 일종인 다이아몬드를 들 수 있다. 탄소의 두 번째 에너지준위 전자껍질에는 네 개의 전자가 있지만 최대한 안정하기 위해서는 8개의 전자가 필요하다. 안정되기 위해서 각각의 탄소원자는 그림 3.3에서 보듯이 다른 4개의 탄소원자와 함께 2개씩 전자를 공유하고 있다.

공유결합을 이루는 원소와 화합물은 강하고 단단한 특징이 있다. 공유결합에 의해서 다이아몬드와 다른 물질들은 특징적인 광학적 성질을 띠게 된다. 사람들이 매료되는 다이아몬드의 광채는 공유결합 때문에 발생한다.

공유결합을 이루고 있는 다른 중요한 물질중의 하나가 물이다. 산소의 두 번째 에너지준위 전자껍질은 6개의 전자가 있지만 최대한 안정하기 위해서는 8개의 전자로 채워져야 한다. 수소원자는 첫 번째 에너지준위 전자껍질에 하나의 전자를 갖고 있지만 최대한 안정되려면 두 개의 전자가 채워져야 한다. 따라서 그림 3.4에서처럼 두 종류의 원자가 전자를 서로 공유함으로써 필요한 전자들을 충족시키고 있다.

3. 금속결합: 금속은 일부 광물들에서도 볼 수 있는 특수한 결합을 이루고 있다. 금속결합에서는 원자들이 가깝게 밀집하여 있다. 높은 에너지준위 전자껍질에 있는 전자들은 다른 몇 개의 원자들과 공유되어 있

그림3.3 다이아몬드의 공유결합. A. 각 탄소 원자가 에너지준위의 전자껍질 2의 네 개의 전자를 다른 네 개의 탄소와 공유함으로써 전자껍질 2에는 8개의 전자로 채워지는 것을 보여주는 개략적 그림. 서로 공유하는 전자의 쌍은 공유결합을 이고 있다. B. 다이아몬드내의 탄소가 기하학적으로 배열된 3차원적인 그림. 각 원자는 4개의 다른 원자에 둘러싸여 있다. 실제 다이아몬드의 공유결합은 A에서 개략적으로 보여주는 것처럼 2차원적이 아니라 3차원적으로 일어난다.

으며, 전자들은 매우 느슨하게 결합되어 있으므로 하나의 원자에서 다른 원자로 쉽게 이동할 수 있다. 이러한 전자들의 자유로운 이동에 의해서 금속들은 특징적인 성질을 띠게 되는데, 에를 들면 금속은 불투명하고 무르거나 열과 전기의 높은 전도성을 가진다. 금, 은, 철, 구리, 수은, 백금 등이 금속결합을 이루는 자연상으로 산출하는 금속광물들이다.

4. 판데르바알스 결합: 마지막 종류의 결합인 판데르바알스 결합은 전자의 이동에 의해서 생성된 일부 분자들 사이에서 발생하는 약한 여분의 척력에 의해서 발생한다.

 

판데르바알스 결합은 이온, 공유 또는 금속결합보다는 약하지만, 어떤 광물에서는 중요한 역할을 하는데 흑연이 아주 좋은 예다. 흑연은 단지 탄소 원자만 함유하고 있는데, 각 탄소들은 정삼각형 형태의 모서리에 위치한 다른 세 개의 탄소 원자들과 결합하여 판상 구조를 이루고 있다(그림3.5). 판을 이루는 면을 구성하는 탄소원자들은 공유결합을 하고 있으므로 각각의 판은 매우 강하고 휘어질 수 있다. 흑연이 테니스 라켓이나 골프채를 제조하는데 이용될 수 있는 이유는 바로 이러한 공유결합 때문이다. 각각의 흑연판들은 약한 판데르바알스 결합에 의해 붙어있는데, 이 결합은 매우 약해서 쉽게 떨어질 수 있다. 흑연을 손가락으로 비비면 미끈하게 느껴지는데, 손가락 사이로 비빌 때 판데르바알스 결합에 의한 흑연판들이 쉽게 떨어지기 때문이다. 흑연은 매우 높은 온도에서 윤활제로 사용되는데, 이때 약한 판데르바알스 결합이 중요한 역할을 한다.

그림3.4 물의 공유결합. 두 개의 수소 원자가 산소원자와 전자를 서로 공유함으로서 공유결합을 이룬다. 전자를 공유함으로서 산소 원자는 전자껍질 2에 안정적인 8개의 전자를 가지게 되며, 수소 원자는 전자껍질 1에 두 개의 전자를 갖게 되어 화합물 H2O를 생성한다.

그림3.5 흑연은 왜 미끄럽게 느껴질까? 흑연에서의 3차원적 원자배열 모습. 판 내의 원자들의 결합은 공유결합을 이루고, 각 판들 간의 결합은 판데르바알스 결합으로 이루어져 있다. 판데르바알스 결합은 매우 약해서 쉽게 떨어질 수 있으므로 흑연을 손가락으로 비비면 공유결합으로 구성된 흑연판들이 서로 쉽게 미끌어진다.

탤컴파우더(화장품의 일종)는 판데르바알스 결합을 하는 화합물의 다른 예다 탤컴파우더를 사용하는 광물인 활석은 흑연의 판상구조와 유사한 결정구조를 하고 있어, 흑연판에서처럼 판데르바알스 결합에 의하여 활석판들이 서로 붙어있다. 탤컴파우더는 부드럽고 미끄럽게 느껴지는데 바로 판데르바알스 결합이 쉽게 떨어지기 때문이다.

 

-복합이온

때로는 두 종류의 이온들이 매우 강하게 결합하여 한 조율의 이온이 존재하는 것처럼 보이는 경우도 있다. 이처럼 강하게 결합되어진 단위를 복합이온이라 부른다. 복합이온들은 하나의 이온처럼 작용하는데, 다른 원소들과 결합하여 화합물을 형성한다. 예를 들면, 탄소와 산소가 결합하여 탄산염 음이온을 이룬다. 복합이온의 다른 중요한 예로서는 황산염, 질산염 그리고 규산염 음이온을 들 수 있다.

 

-화학원소의 주기율표

200년 이전부터 화학자들은 다른 화학원소들과 결합하는 능력 등과 같은 화학적 특징의 유사성에 기초하여 화학원소들을 분류하기 시작하였다. 초기의 화학자들은 인지하지 못했었지만 이러한 분류는 다른 에너지준위 전자껍질의 전자의 수에 따라 나누어졌다. 화학원소들을 성질에 의거하여 순서에 딸 분류하는데 직접적으로 공헌을 한사람은 러시아의 과학자 드미트리 멘델리브이다. 화학원소의 현대적인 주기율표는 그림 3.6에서 볼 수 있다. 주기율표는 가로와 세로로 되어 있는데, 가로 방향으로 왼쪽에서 오른쪽으로 원소의 원자번호가 증가한다. 각각의 세로줄에 있는 원소들은 최외곽 에너지준위 전자껍질의 전자숫자가 같다. 첫 번째 가로줄에 속하는 원소들은 최외곽 전자껍질에 하나뿐인 전자를 쉽게 내보내어서 양이온이 된다. 오른쪽 줄에 속하는 원소들은 전자를 획득하여 음이온이 되는 편이다. 주기율표의 가장 오른쪽 줄에 있는 여섯 원소들의 에너지준위 전자껍질에는 전자가 가득 차 있다. 이처럼 전자껍질이 가득 채워진 여섯 원소들은 전자를 잃거나 획득하지 않아서 화합물을 생성하지 않는 경향이 있으므로 이 원소들을 불활성 가스라 부른다.

 

※고체에서 원자의 배열

모든 광물들은 고체다. 따라서 어떤 화학원소나 화합물이 광물이라 불릴 수 있는지는 고체, 액체, 기체로 구분되는 물질의 상태에 따라 결정된다. 빙하를 구성하는 얼음은 광물이지만, 바다의 물이나 공기중의 수증기는 광물이 아니다.

 

-결정구조

기체나 액체상태 에서는 분자나 원자들이 무질서하게 배열되어 있지만, 대부분 고체 상태의 원자는 그림 3.7A에서처럼 박스에 계란이 배열하는 것처럼 규칙적인 기하학적 배열을 이루고 있다. 고체 내부에 기하학적으로 원자들이 배열된 상태를 결정구조라고 하는데, 결정구조 상태를 이루는 고체를 일컬을 때 결정질이라는 용어를 사용한다. 고체가 결정구조를 이루지 않은 경우 비정질이라는 용어를 사용한다. 유리나 호박은 비정질의 고체의 예이다. 모든 광물은 결정질인데, 결정구조는 광물에서 관찰할 수 있는 고유한 특징이다. 어느 특정한 광물에 해당하는 물체는 모두 동일한 결정구조를 이루고 있다.

그림3.6 화학원소의 주기율표. 화학원소들은 가로줄에서 왼쪽에 오른쪽으로 원자번호가 증가하며 배열되어 있으며, 세로줄에 있는 원소들은 최외곽 에너지준위 전자껍질의 전자 숫자가 같으므로 유사한 화학적 특성을 띤다. 원자번호 58-71사이의 원소들을 란탄족 또는 희토류라하고, 원자번호 90-103 사이의 원소들을 악티늄족이라 하는데 별도로 표시되어 있다. 란탄족과 악티늄족의 원소들은 최외곽 전자껍질에는 같은 수의 전자가 있지만 내부의 전자껍질에 있는 전자의 숫자는 각각 다르다. 지구에서 가장 풍부하고 지질학적으로 중요한 원소들은 표에 나타나있다.

그림3.7 광물을 이루는 원자의 관찰. 방연석에서의 납과 황 원자들의 배열상태. 납과 황은 이온결합을 이루고 있는데, 납은 양이온 Pb2+을 이루고 황은 음이온 S2-을 이루어 결정구조 내에서 Pb과 황 원자의 수는 같아 전하가 균형을 이룬다. 원자의 크기는 매우 작아 1cm의 방연석 육면체의 한 모서리를 다라서 약 1022개의 납과 황 원자가 배열되어 있다. A.방연석 결정 표면의 원자들을 주사터널링 현미경으로 관찰할 수 있다. 황 원자(큰 것)와 납 원자(작은 것)를 볼 수 있다. B. 방연석 결정에서의 원자배열형태. 원자들이 어떻게 배열되어 있는지 보여주기 위하여 원자들이 선을 다라서 서로 떨어져 있는 형태로 그려졌다.

그림 B3.1 물의 상태 변화. H2O가 어떤 상태로 되는가를 주어진 시간과 장소에서 온도와 압력에 따라 결정된다. 두 상태의 경계를 나타내는 선에서는 두 가지 상태가 모두 존재할 수 있다. 지구는 태양계에서 물이 세 가지 상태로 모두 존재할 수 있는 유일한 행성이다.

 

-이온치환

납을 함유하는 방연석의 결정구조가 그림 3.7B에 그려져 있다. 구성원자들은 이온결합을 하고 있는데, 납은 양이온 상태이고 황은 음이온 상태로 존재한다. 그림 3.7B를 보면 이온들은 정육면체를 이루는 격자형태로 배열되어 있는데 각각의 황은 6개의 납으로 둘러싸여 있고 납은 6개의 황으로 싸여 있다.

대부분 광물을 구성하는 결합은 이온결합인데, 이온의 중요한 두 가지 특징을 살펴보기로 하자. 첫 번째 특징은 이온의 크기다. 그림 3.7B를 살펴보면 음이온이 양이온에 비해서 큰 편이다. 이온의 크기는 이온반경으로 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. 결과적으로 전자들은 핵으로부터 조금 더 멀어지게 된다. 반대로 양이노은 전자를 잃게 되므로 나머지 전자들이 수축하게 되어 이온반경이 줄어들게 된다. 결정구조의 대부분 부피는 가장 커다란 음이온들이 차지하게 되므로 광물의 결정구조는 음이온의 배열상태에 따라 결정된다. 흔히 볼 수 있는 이온들의 이온반경이 그림 3.8에 표시되어 있다.

이온들의 두 번째 중요한 특징은 그들이 띠는 전하와 관련이 있다. 그림 3.8을 살펴보면 같은 전하를 띠는 이온들은 크기가 거의 같은 것을 알 수 있다. 예를 들면, Mg2+는 반경이 0.066nm 인 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 이온치환이라 한다.

광물의 화학식에 이온치환이 되는 현상이 나타나 있는데, 감람석을 예로 보자. Fe2+가 감람석 내의 Mg2+를 치환할 경우 (Mg,Fe)2SiO4로 표기하는데, 결정구조내의 다른 이온은 그대로 있지만 Fe2+가 Mg2+를 치환함을 나타낸다.

 

※광물의 정의

각각의 광물들에 관한 설명과 그들의 특성에 관한 설명을 시작하기 전에 광물이라는 용어가 무엇을 의미하는지 살펴보

그림3.8 이온의 크기. 오른쪽 아래의Si4+와 왼쪽 위의 S2-사이에서 지질학적으로 중요한 이온들의 이온반경이 표시되어 있다. 이온들이 전하에 따라서 위에서 아래로 배열되어 있고, 왼쪽은 2- 오른쪽은 4+가 배열되어 있다. 음이온은 양이온에 비하여 커다란 이온반경을 갖는다. Si4+와 Al3+, Mg2+와 Fe2+,Na+와 Ca2+는 각기 서로 유사한 이온반경을 이루며, 결정구조 내에서 서로 쉽게 치환한다. 반경은 nm단위로 표시되어 있다.

기로 하자. 광물이라 불리기 위해서는 다음의 네 가지 조건을 갖추어야 한다.

1. 자연적으로 생성된 것일 것. 실험실에서 만들어진 많은 물질들은 광물에서 제외된다.

2. 고체일 것. 모든 액체와 기체는 광물에서 제외된다. 이 조건은 물질의 화학성분이 아니라 물질의 상태에 의한 것이다.

3. 일정한 화학조성을 가질 것. 광물이 일정한 화학조성을 가진다는 조건의 다음 몇 가지 의미가 있다. 가장 중요한 것은 광물의 원자들이 특정한 비율로 구성된 화학원소(예;금, 동, 다이아몬드) 및 화합물이라는 점이다. 화합물의 예로서 화학식이 SiO2인 석영을 들 수 있다. 석영에서 Si와 O의 비는 항상 1:2이다. 많은 광물들은 석영보다 복잡한 화학식을 갖고 있다. 예를 들면, 운모의 일종인 플로고파이트의 화학식은 KMg3Si3AlO10(OH)2 이다. 다른 광물들은 이보다도 복잡하지만, 모든 광물에서 원소는 일정한 비율로 이루어져 있다. 이온치환이 일어나는 화합물에서도 일정한 비율의 법칙을 지킨다. 예를 들어, Fe2+가 Mg2+를 치환하는 플로고파이트에서는 화학식이 K(Mg,Fe)3Si3AlO10(OH)2 이 되지만, K와 (Mg+Fe)의 비는 1:3을 유지하고 있다.

4. 정해진 결정구조를 가질 것. 유리와 호박과 같은 비정질 물질은 광물에서 제외된다.

 

광물군이라는 용어는 양이온 대 음이온비의 변화 없이 넓은 범위의 이온치환이 일어나는 광물들이 존재하는 경우에 사용된다. 광물군 중에서 전혀 치환되지 않은 이상적인 화학성분의 물질에 대해서 특정한 광물이름을 사용한다. 포스터라이트라는 이름은 Mg2SiO4에 사용되며, Fe2SiO4일 경우는 파이얼라이트라 부른다. 흔히 나타나는 광물군은 이 책에서 반복되어 사용되고 과학분야에서 흔히 사용ㅇ되므로 그 이름은 꼭 기억해 두어야 한다.

 

-준광물

자연적으로 산출되는 고체 화합물중 일부는 일정한 화학식 또는 정해진 결정구조를 갖지 않기 때문에 광물의 조건을 충족시키지 못하는 경우가 있다. 자연상 유리질 물질 및 수지 등을 이러한 예로 들 수 있는데, 이들은 다양하면서도 폭넓은 화학조성을 이루고 있으며 비정질이다. 또 다른 예로서 단백석을 들 수 있는데, 어느 정도 일정한 화학조성을 갖지만 비정질이다. 이러한 광물과 유사한 물질들을 일컬을 때 준광물이라 부른다.

 

-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 있다. 다이아몬드와 흑연이 바로 좋은 예다. 두 광물 모두 순수한 탄소만으로 이루어져 있지만 그림 3.3과 3.5에서 보는 바와 같이 서로 다른 특징적인 결정구조를 이루고 있다. CaCO3 도 두 가지 다른 광물을 이루는 화합물의 예로 들 수 있다. 하나는 방해석으로 석회석과 대리석을 이루는 광물이며, 다른 하나는 아라고나이트로서 조개, 굴, 달팽이 등의 껍질을 이룬다. 방해석과 아라고나이트는 화학조성은 같지만 결정구조는 전혀 다르다.

화합물이 한 가지 이상의 결정구조를 이룰 경우 동질이상이라 부른다. 동질이상을 이루는 흔히 볼 수 있는 광물들의 예가 표 3.1에 나타나있다.

 

-광물의 특성

광물의 특성은 화학조성과 결정구조에 의해 결정된다. 일단 어떤 광물의 특성을 알게 되면 그 성질을 이용하여 광물을 판별하는데 이용할 수 있으므로 광물을 감정하기 위해서 반드시 화학분석을 하거나 결정구조를 알아낼 필요는 없다. 광물의 감정을 위해 사용될 수 있는 특성으로서는 색, 결정형태, 경도 등을 들 수 있으며, 이 외에도 광택, 벽개, 그리고 비중 등의 특성들도 사용할 수 있다. 이러한 특성들은 아래에 간단하게 설명되어 있으며, 많은 광물들에 관한 개별적 특성은 부록 C에 종합되어 있다.

 

-결정형과 성장형태

-결정형

고대 그리스 사람들은 얼음에 매료되어 있었다. 그들은 서리가 내린 아침에 지표면을 덮는 찬란하게 빛나는 기다란 얼음 입자를 바라볼 때마다 기다란 얼음 입자들이 육각을 이루고 있고 평지에 잘 발달되어 있다는 사실에 궁금증을 갖게 되었다. 그리스 철학자들은 수학의 한 분야인 기하학에 관한 많은 발견을 하였는데, 그들은 이처럼 삼차원적 기하학적 고체물질이 어떻게 스스로 성장할 수 있는지 설명할 수 없었다. 그리스 사람들은 얼음을 krystallos라 불렀고 로마사람들은 라틴어로 crystallum이라 불렀다. 결국, 평평한 면이 발달하면서 성장하는 고체물질을 결정이라 부르게 되었다. 결정을 이루는 평평한 면을 결정면이라 부르고, 결정면들의 기하학적 배열상태를 결정형이라 부르게 되었는데, 17세기에는 이에 관한 많은 연구가 있었다.

17세기의 과학자들은 결정형이 광물을 판별하는데 사용될 수 있음을 발견하게 되었다. 그러나 그들이 설명하기 어려운 점도 있었다. 예를 들면, 왜 결정면의 크기가 표품마다 다를까 하는 점 등이다. 그림 3.9에서 볼 수 있는 것처럼 같은 광물이라도 어떤 환경에서는 광물들이 길고 얇게 성장하며, 또 다른 조건에서는 광물들이 짧고 두껍게 생성된다. 그림 3.9에서 두 개의 석영 결정들이 외형적으로는 매우 다르게 보인다. 따라서 그림에서 볼 수 있는 것처럼 결정의 크기나 결정면의 크기는 광물의 고유한 특성이 아니다. 이러한 의문점을 처음 해결한 사람이 덴마크의 물리학자 니콜라우스 스테노다. 1669년 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. 면각이 항상 일정함은 그림 3.9의 그림에서

그림3.9 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.

각 숫자가 표시된 면들이 이루는 각도를 비교함으로써 알 수 있다. 두 개의 석영 결정에는 같은 결정면들이 발달해 있음을 알 수 있다. 같은 면에 속하는 면들은 평행하므로 어떤 결정면이든 이들 결정면들이 이루는 각도는 항상 동일하다.

그림3.10 일반적으로 나타나는 불규칙적인 성장. 다른 입자들이 잘 형성된 결정면의 발달을 방해하는 조건에서 생성된 석영입자들. 그림 2.10에서 볼 수 있는 주변 입자들의 방해를 받지 않은 빈 공간에서 생성된 결정과 비교해 보아라.

스테노와 그 이전의 과학자들은 결정이 생성되고 면각이 일정해지는 특성은 결정 내부의 어떤 규칙성 때문일 것이라고 짐작하였는데, 규칙성을 이루는 입자인 원자는 당시 직접 관찰하기에는 너무 작아 그들은 단지 추측할 수 있을 뿐이었다. 결정면들이 내부 규칙성을 반영한다는 것은 결국 1912년에 밝혀졌다. 그 해 독일의 물리학자 라우에는 그림 3.7에서 볼 수 있는 것처럼 결정들을 이루는 원자들이 어떤 특정한 기하학적 배열형태를 이루고 있다고 X-선을 이용하여 밝혀냈다.

결정은 광물입자가 빈 공간에서 자유롭게 성장할 수 있을 때 생성된다. 하지만 빈 자유로운 공간에서 생성되는 광물은 드물기 때문에 자연에서 결정을 흔히 발견할 수는 없다. 그림 3.9와 3.10을 비교해 보아라. 그림 3.9에서는 석영결정이 빈 공간에서 자유롭게 성장하였기 때문에 잘 발달된 결정면들이 발달되었음을 볼 수 있다. 그러나 그림 3.10에서는 석영이 다른 광물들 때문에 매우 제한적인 공간에서 불규칙한 형태로 성장하였다. 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. 따라서 결정이라는 용어보다는 형태와는 무관한 결정질이라는 용어가 광물의 정의를 내리는데 사용될 수 있다.

 

-성장 습성

각 광물들은 특징적인 결정형을 이룬다. 일부 광물들은 매우 독특한 결정형을 이루므로 이를 이용하여 면각을 측정하지 않아도 광물을 감정할 수 있다. 예를 들면, 황철석이라는 광물은 줄무늬가 발달한 면을 갖는 정육면체 결정이 서로 투과한 형태(그림3.11)로 흔히 발견된다. 몇 가지 광물들은 어떤 특정한 환경에서는 매우 독특한 형태로 성장하기도 하는데, 이러한 특성도 광물의 감정에 이용될 수 있다. 예를 들면, 그림 3.12는 사문석의 일종으로 매우 얇으면서도 기다란 실처럼 성장한 크리소틸 석면을 보여준다.

 

-벽개

광물이 밝고 빛을 반사하는 평평한 면을 따라 특정한 방향성을 가지면서 쪼개지는 경향을 벽개라 한다.

만약에 우리가 광물을 망치로 부수거나 바닥에서 깨지도록 떨어뜨린다면 쪼개진 조각들이 결정면처럼 평평한 면을 보여주는 것을 알 수 있다. 이런 특징을 현저히 잘 보여주는 경우로서 그림 3.13A에서처럼 소금의 경우에는 깨진 면이 모두 반반한 것을 알 수 있다. 그러나 결정면과 벽개면이 유사하게 보일지라도 서로 혼동하지 않아야 한다. 벽개면은 깨진 면인 반면, 결정면은 성장할 때 생긴 면이다.

벽개를 따라서 생긴 평평한 면은 결정구조의 영향을 받는다(그림3.13B). 벽개면은 원자들 간 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. 흔히 볼 수 있는 많은 광물들이 특징적인 벽개면을 보여준다. 가장 독특한 것으로 운모가 있다(그림 3.14). 점토광물들도 또한 특징적인 벽개를 보여주는데, 손가락으로 비볐을 때 미끈하게 잘 부셔지는 것도 벽개 방향 때문이다. 특징적인 벽개를 보여주는 다른 광물로서 형석은 네 면을 따라 정팔면체로 깨지며, 칼리장석은 서로 수직인 두 면을 따라 쪼개져 거의 직각인 면들을 보여주는

그림3.12 크리소틸 섬유. 일부 광물들은 잘 발달된 결정면을 보여주지 않더라도 특징적인 성장 형태를 보여준다. 가끔 아주 가느다란 실처럼 성장하는 광물 크리소틸은 방화복을 짜는데 사용할 수 있는데, 이 경우 석면이라 부른다. 크리소틸은 석면 상 성장습성을 지닌 광물들 중 하나로서, 채굴되어 석면으로 사용하기 위하여 상업적으로 가공한다.

그림3.13 광물의 벽개. 결정구조와 벽개면의 관계를 보여주는 그림. 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.

그림 3.14 운모의 얇은 판. 완벽한 벽개면을 보여주는 백운모는 얇은 평평한 면을 따라서 쪼개진다. 벽개면을 따라 깨진 조각은 책의 낱장을 닮았다.

그림3.15 흔히 볼 수 있는 두 종류 광물의 벽개. 특징적인 벽개면을 보여주는 두 가지 광물. 형석(A)은 네 종류의 면을 따라 깨짐으로써 팔면체 조각을 이룬다. 칼리장석(B)은 서로 평행한 두 면을 따라 깨진다. 형석과 장석은 각각 영국과 미국에서 산출되었다.

조각으로 깨진다(그림3.15).

 

-광택

광물로부터 반사되는 빛의 양과 특징에 의하여 광택이라고 부르는 형상이 발생한다. 색이 거의 같은 광물이라도 광택은 매우 다를 수 있다. 가장 중요한 광택의 종류로서는 잘 연마된 금속표면처럼 보이는 금속광택, 유리처럼 느껴지는 유리광택, 수지처럼 느껴지는 수지광택, 기름이 얇게 덮여있는 느낌을 주는 지방광택 등이 있다.(그림3.16).

 

-색과 조흔색

광물의 색은 가끔 매우 특징적으로 나타나지만, 불행히도 색은 광물을 감정하는데 신뢰할 수 있는 특성은 아니다. 색은 몇 가지 요소에 의하여 결정되는데, 주로 화학성분이 중요한 역할을 한다. 어떤 원소들은 소량만 이온치환 하더라도 매우 짙은 색을 띠게 된다. 예를 들면, 강옥은 보통 흰색이거나 회색이지만, 미량의 Cr3+이 Al3+를 이온치환하게 되면 강옥은 짙은 적색을 띠게 되어 루비라는 보석이름으로 불린다. 같은 방법으로 미량의 Fe와 Ti이 존재할 경우, 짙은 청색의 강옥을 다른 보석인 사파이어라 부른다(그림3.17).

색을 가지고 구분하기 어려운 이유 중의 하나는 풍화 때문이다. 물과 산소는 황철석과 같은 광물과 반응하여 원래의 광물과는 다른 색을 디는 변질된 표면을 형성하게 된다. 황철석에서 볼 수 있는 풍화작용은 흔히 일어나며, 에세이 벼려진 광물에 의한 장기적인 위험에서 볼 수 있듯이 환경에 심각한 결과를 초래할 수 있다.

그림3.16 광택. 서로 다른 광택을 나타내는 3종류의 광물. A. 석영은 유리질 광택을 보여준다. B. 섬아연석은 수지상 광택을 보여주는데 소나무의 마른 수지의 느낌을 준다. C. 활석은 진주상 광택을 나타낸다.

그림3.17 동일한 광물로서 다른 색을 나타내는 광물들. 같은 광물인 강옥이라도 전혀 다른 색깔을 띤다. 적색을 띠는 결정은 루비라 부르는데, 탄지니아에서 산출되었으며 약 2.5cm크기이다. 청색을 띠는 결정은 사파이어라 부르는데, 미국 뉴저지주에서 산출되었으며 약 3cm 크기이다.

그림3.18 광물의 조흔. 적철석의 색과 적철석의 조흔색의 차이를 보여주는 사진. 적철석 덩어리는 불투명하고 금속광택을 띠며 검정색으로 보인다. 조흔판은 적철석의 적색 조흔색을 보여준다.

 

-조흔

금속광택을 띠는 불투명광물의 색은 광물 입자의 ㅁ크기에 의한 영향도 받기 때문에 다른 색으로 보일 수도 있다. 색을 판별할 때 실수를 줄일 수 있는 방법으로서 초벌구이 자기판에 광물을 긁어서 생기는 분말인 조흔을 관찰하는 방법이 있다. 분말은 입자들이 매우 작아 입자크기에 의한 효과가 별로 없기 때문에 신뢰할 수 있는 색을 나타낸다. 적철석은 검정색을 띠며 금속광택을 보이지만 적색의 조흔을 나타낸다(그림3.18).

 

-경도

경도는 광물을 긁었을 때 상대적으로 견뎌내는 정도를 나타내는 용어다. 이것은 광물들의 고유한 특성이다. 경도도 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 없느냐로 결정할 수 있다. 몸에 바르는 파우더의 주된 성분인 활석은 가장 약한 광물인 반면 다이아몬드는 가장 강한 광물이다. 모스 상대적 경도계는 10단계로 구분되는데. 각 경도별로 광물이 지정되어 있다(표3.2). 각 경도간의 차이만큼 항상 실제 단단함의 차이가 동일한 것이 아니며, 경도계의 중요성은 경도가 높은 광물은 항상 그보다 낮은 광물을 긁을 수 있다. 가끔 편리함 때문에 동전, 칼날, 유리 같은 물질을 이용하여 광물을 긁어 경도를 결정하는데 이용한다.

 

-밀도와 비중

광물의 다른 물리적 특성으로서 얼마만큼 무겁게 느껴지는지를 나타내기 위하여 밀도라는 용어를 사용한다. 같은 크기의 바구니라도 솜으로 채워져 있느냐 암석으로 채워져 있느냐에 따라 무게가 달라지는 것을 알고 있다. 이러한 차이는 단위체적당 무게로 표시되는 밀도에 의해서 발생한다. 밀도의 단위는 g/cm3로 표시한다. 금처럼 밀도가 높은 광물은 원자가 매우 빽빽하게 배열되어 있으며, 얼음처럼 밀도가 낮은 광물은 원자가 촘촘하지 않게 배열되어 있다.

금은 밀도가 19.3g/cm3이므로 매우 무겁게 느껴지지만, 방연과 자철석은 밀도가 각각 7.5g/cm3와 5.2g/cm3이기 때문에 2.5~3.0g/cm3인 일반적인 광물들과 비교해서 무겁게 느껴진다.

밀도는 정확하게 측정하기는 어렵기 때문에 밀도 대신에 비중이라는 용어를 사용한다. 비중은 어떤 물질의 무게와 같은 부피의 순수한 물의 무게와의 비율로 나타낸다. 비중은 두 무게의 비이므로 단위는 없다. 순수한 물의 밀도가 1g/cm3 이므로 어떤 광물의 비중은 밀도와 수치가 일치한다. 다른 광물들을 손으로 들어 서로 그 무게를 비교함으로써 대략적인 비중을 알 수 있다. 금속광물들은 무겁게 느껴지는 반면 대부분 다른 광물들은 비교적 가볍게 느껴진다.

 

-광물의 특성과 결합종류

광물의 특성은 구성 원자들이 어떠한 결합을 하고 있느냐에 주로 영향을 받는다(표3.3). 단단함과 경도는 광물을 이루는 결정구조에서 결합에 의해서 결정된다. 즉, 체인의 강한정도는 이어주는 곳에서 가장 약한 곳에 의해 결정되는 것처럼 광물의 강한 정도 광물내의 가장 약한 결합에 의해 영향을 받는다. 이온 및 공유결합은 매우 강하므로, 이 결합을 이룬 광물들은 단단하지만 깨지기도 쉽다. 이와 반대로 금속 및 판데르바알스 결합은 훨씬 약하므로, 이러한 결합을 이루는 광물들은 부드럽고 쉽게 변형될 수 있다.

 

※일반적 광물들

과학자들은 현재까지 약 3600종에 이르는 광물들을 보고하였다. 이들 대부분 광물들은 지각에서 산출되지만, 몇 가지 광물들은 운석에서 발견되었으며 우주인들이 달에서 가져온 암석에서도 신종 광물들이 두 가지 보고된 바 있다. 광물들의 전체 숫자는 많게 보이지만 화학자들이 실험실에서 자연산 원소를 이용하여 만들어낸 합성 광물의 숫자에 비하면 아주 미미한 것이다. 자연적으로 생성된 것들과 화학실험에 의해 만들어질 수 있는 화합물들이 숫자상으로 큰 차이가 나는 이유는 각 화학원소들의 양을 고려해보면 명백해진다. 표 3.4를 살펴보면 지각에 0.1퍼센트 이상 존재하는 원소는 12가지밖에 되지 않는다. 다량원소라 일컬어지는 12가지 원소의 무게는 지각 무게의 99.23퍼센트에 이른다. 따라서 지각은 전부는 아니지만 대부분은 이들 12원소 중의 한 가지 이상의 원소가 주요 성분이 되는 한정된 수의 광물들로 구성되어 있다.

단일 성분의 광물이 생성되는 대신에 여러 가지 미량 원소들은 이온치환을 하는 경향이 있다. 예를 들면, 감람석은 Mg, Fe, Si, O 을 함유하는 외에도 미량의 Cu, Ni, Co, Mn 등 원소들이 Mg와 Fe를 이온치환 한다.

희귀한 원소를 포함하는 광물들이 실제로 존재하기는 하지만, 이들은 아주 특수한 환경에서 매우 소량만 제한적으로 산출된다. 해프늄과 레늄 등 몇 가지 희유원소는 매우 희귀하기 때문에 어떤 조건에서도 광물을 생성하지 못하고 단지 이온치환만 한다.

표 3.4에서 볼 수 있는 것처럼 산소와 규소 두 원소가 지각의 70퍼센트 이상을 차지한다. 산소는 O2-음이온 상태로 존재하는데, O2-를 포함하는 화합물을 산화물이라 한다. 규소는Si4+양이온 상태로 존재하는데, 산소와 규소는 서로 결합하여 매우 강하게 결합된 복합이온인 규산염 음이온을 형성한다. 규산염 음이온으로 이루어진 광물은 복합 산화물에 해당하는데, 다른 산화물과 구분하기 위하여 규산염 광물이라 부른다. 예로서, MgO는 산화광물이고 Mg2SiO4는 규산염 광물에 해당한다.

자연에서 규산염 광물들이 가장 많이 산출되며 다음으로 산화광물들이 많다. 규산염이나 산화광물에 비해 흔하지는 않지만 다른 종에 속하는 중요한 광물들로서 S2-를 함유함 황화광물 그리고 탄산염광물, 황산염광물, 인산염광물 등을 들 수 있다.

 

-규산염 광물

-규산염 사면체

규산염 음이온내의 규소 양이온에는 네 개의 산소 원자가 강하게 결합되어 있다. 이들이 이루는 강한 결합은 대부분 공유결합 때문이다. 규소는 비교적 크기가 작은 양이온이지만, 산소는 매우 큰 음이온이다(그림3.8). 규산염 음이온 내에서 산소는 네 개의 구 형태로서 가장 좁은 공간을 차지하도록 배열되어 있다. 그림3.19에서 보는 것처럼 네 개의 산소는 사면체의 꼭지점에 해당하는 위치에 배열되어 있고, 비교적 크기가 작은 규소 양이온은 산소가 이루는 사면체의 중앙에 위치함으로써 규산염은 사면체의 형태로 이루어져 있다. 규산염 광물들의 구조와 물리적 특성은 규산염 사면체가 결정내에 어떻게 배열되었는가에 의해 결정된다.

각 규산염 사면체는 -4의 전하를 띠고 있다. 규소는 외곽 전자껍질에 4개의 전자가 위치하고, 산소는 6개가 위치한다. 규산염 사면체내의 규소 원자는 각 산소들과 하나의 전자를 공유하며, 또한 네 개의 산소도 규소와 전자 하나씩 공유하고 있다. 결국 규소는 외곽 전자껍질에 8개의 전자를 갖게 되지만, 네 개의 산소원자는 안정적인 8개전자가 되기 위해서는 하나의 전자가 더 필요하다. 산소들은 다음 두 가지 방법으로 안정적인 8개전자를 획득하게 된다.

1. 산소가 양이온들로부터 전자를 받아들이거나 공유한다. 감람석을 예로 들면, 이온 결합을 이루는 과정에서 두 개의 Mg원자는 외곽 전자껍질에서 2개의 저자를 산소로 보낸다.

2. 산소 원자는 두 개의 규소원자와 동시에 결합할 수 있다. 이 경우 산소는 두 개의 규소와 모두 공유결합을 하게 된다. 결합된 산소는 양쪽의 규소로부터 전자를 받아들이기 때문에 두 번째 에너지준위 전자껍질은 꽉 차게 되며, 그림3.20에서 볼 수 있는 것처럼 두 개의 사면체가 결합된 규산염 음이온은 (Si2O7)6-화학식의 커다란 복합 음이온을 이루게 된다. 커다란 (Si2O7)6-음이온은 작은 (SiO4)4-음이온과 같은 방법으로 전자를 받아들이거나 공유한다. 목걸이에서 여러 개의 유리알을 연결할 수 있는 것처럼 보다 많은 사면체가 연결되는 현상을 폴리머화라 하는데, 산소가 규산염 사면체를 연결함으로써 거대한 음이온을 형성할 수 있다(그림3.21A).

많은 일반 규산염 광물들은 폴리머화에 의하여 매우 커다란 음이온을 형성하고 있다. 그림 3.21B에서 보는 바와 같이 하나의 사면체가 주변 사면체들과 하나 이상의 산소를 공유함으로써 복합이온은 커다란 환상형, 사슬형, 층상형 그리고 3차원적인 격자형의 구조를 이룰 수 있다. 폴리머화에 의하여 커다란 음이온을 형성하더라도 안정적인 8개 외곽 전자를 확보하지 못한 산소는 양이온으로부터 전자를 받아들이거나 공유하는 방식으로 결합을 한다.

그림3.21A와 B를 보면 폴리머화를 이루는 데는 어떤 제약이 있음을 알 수 있다. 즉, 두 개의 인접한 사면체는 서로 하나 이상의 산소를 공유하지 않는다. 바꿔 말하면 사면체는 꼭지점을 서로 공유하지만 능이나 면을 서로 공유하지는 않는다. 일반적인 폴리머화 형태와 함께 이와 연관된 광물들이 그림3.22에 실려 있고, 폴리머화의 복잡성이 증가하는 순서로 아래에서 설명하였다.

 

-감람석군

독립된 사면체를 포함하는 중요한 광물군으로 두 가지를 들 수 있다. 첫 번째가 보통 연한 녹색을 띠는 유리질로 보이는 광물인 감람석군이다. 이전에 설명된 바와 같이 Fe2+가 감람석 내의 Mg2+를 쉽게 치환함으로써 (Mg,Fe)2SiO4화학식으로 나타난다. 감람석이 녹색을 띠는 이유는 바로 이 때문이다. 감람석은 지구의 구성광물 중 가장 많은 광물인데, 해양 지각의 화성암 및 상부 맨틀의 주요 구성광물이기 때문이다. 가끔 감람석은 흠이 없는 아름다운 결정으로 나타나므로 보석으로 사용된다.

 

-석류석군

독립 사면체구조의 두 번째 중요한 광물군이 석류석군이다. 감람석처럼 석류석도 이온 치환에 의하여 넓은 범위의 화학성분을 갖게 되는데, 감람석에서 그 범위가 더 넓다. 석류석은 A3B2(SiO4)3로 표시되는데, A는 Mg2+, Fe2+, Ca2+, Mn2+또는 이들의 혼합을 가리키며, B는 Al3+, Fe3+, Cr3+또는 이들의 혼합이 차지한다. 석류석은 대륙지각의 변성암에서 흔히 발견되나 일부 화성암에서 발견되기도 한다. 석류석의 가장 중요한 특징중의 하나는 일부는 가공하여 아름다운 보석으로 사용할 수 있을 정도로 결정을 이루는 경향이 있다. 또한 석류석은 경도가 높고 벽개가 발달하지 않아서 연마를

그림3.21 폴리머화에 의해 생성된 큰 크기의 음이온. 폴리머화에 의하여 생성된 복합 규산염 음이온의 생성. A. 각 규산염 음이온의 2개 산소들이 주위의 음이온 사면체와 서로 공유함으로써 연속적인 사슬을 이룬 폴리머화한 규산염 음이온들. 기하학적인 도형이 오른쪽에 나타나 있다. 복합음이온의 화학식은 (SiO3)2n-이다. B. (Si4O11)6n-의 화학식의 폴리머화한 규산염 음이온이 이루는 이중 사슬.

그림3.22 흔히 볼 수 있는 규산염 광물들. 규산염 음이온들이 서로 결합하여 흔히 볼 수 있는 규산염 광물들을 이루는 방법을 종합한 그림. 결합의 종유별로 대표적인 예를 기재하였으며 소형 사진에 나타내었다. 각각 폴리머화 방식에 다른 많은 광물들도 속해 있지만 이 그림에 나타내기에는 너무 많다. 이 그림에 설명된 방법 이외에 의한 규산염의 결합도 가능하지만 광물에서 흔히 나타나지는 않는다.

그림3.23 석류석 보석. 연마되어 보석으로 사용하는 석류석 사진들. 다양한 색은 이온치환에 의하여 다양한 화학성분을 갖고 있음을 가리킨다.

하거나 광택을 낼 때 연마제로 사용된다.

 

-휘석군과 각섬석군

길다란 사슬형태의 음이온을 포함하는 규산염 광물로서 휘석과 각섬석이 있다. 휘석은 각 사면체가 두 개의 산소를 공유한 사슬형태로 이루어져 있는데, 음이온은 (SiO3)2n-화학식을 하고 있다(n은 무한대에 가까운 큰 숫자). 각섬석은 휘석의 사슬에 해당하는 두 개의 사슬형태로 이루어져 있는데, 절반의 사면체는 두 개의 산소를 서로 공유하고 나머지 절반은 세 개의 산소를 공유함으로써 음이온은 (Si4O11)6n-화학식을 이룬다. 휘석과 각섬석의 사슬은Ca2+, Mn2+, Fe2+와 같은 양이온과 결합하여 사슬들을 결합한다.

휘석의 일반적인 화학식은 AB(SiO3)2로 표시되는데, A와B는 Mg2+, Fe2+, Ca2+, Mn2+, Na+, Al3+등 양이온들이 차지할 수 있다. 휘석은 해양지각의 화성암과 맨틀에서 가장 많이 산출되지만, 또한 대륙지각의 화성암과 변성암에서도 산출된다. 가장 흔히 볼 수 있는 휘석은 흑색의 광택을 띠는 오자이트인데 Ca(Mg, Fe, Al)[(Si,Al)O3]2 화학식을 하고 있다.

각섬석은 흔히 볼 수 있는 광물 중 가장 복잡한 화학식을 하고 있다. 일반적 화학식은 A2B5(Si4O11)2(OH)2인데, A는 Ca2+, Mg2+, Fe2+, Na+ 등이 차지하며 B에는 Mg2+, Fe2+, Fe3+, Al3+ 등이 흔히 차지한다.

각섬석군은 매우 다양한 화학식을 이룰 수 있다는 점은 이 단원의 처음에 소개된 다음 다섯 종류의 각섬석 석면에서 알 수 있다. 이 다섯 가지는 양기석, 앤소필라이트, 크로시돌라이트, 그루너라이트, 투각섬석이다.

위에 볼 수 있는 것과 같은 복잡한 일반 화학식과 다양한 치환관계를 나타내는 광물 외에도 가장 흔한 각섬석군 광물의 일종인 각섬석이 있다. 이 광물은 짙은 녹색과 흑색을 띠어 오자이트와 유사하게 보이지만, 그림3.24에서 볼 수 있는 것처럼 벽개면의 각도가 다른 점을 이용하여 두 광물들을 구분할 수 있다.

 

-점토광물, 운모, 녹니석, 사문석

점토광물, 운모, 녹니석, 사문석은 사면체들이 층상구조를 이룬다는 점에서 서로 관련있는 광물군들이다. 층을 이루는 판들은 각 사면체들의 3개의 산소가 주위의 사면체들과 공유됨으로써 (Si4O10)4n-의 일반식을 이룬다. 따라서 각 사면체를 구성하는 산소의 하나는 전자 한 개가 채워지지 않게 된다. 이 산소는 Al3+, Mg2+, Fe2+와 결합함으로써 폴리머화한 층들을 연결하고 있다. 폴리머화된 층의 Si-O결합은 다른 양이온과 산소의 결합보다 강하므로, 점토광물, 운모, 녹니석 등은 층의 방향으로 벽개가 발달한다(그림3.25).

점토광물의 경우 채워지지 않은 전자껍질을 갖는 산소는 Al3+와 결합하는데 점토광물의 일종인 고령토는 Al4Si4O10(OH)8의 화학식을 갖는다. 점토광물은 토양에서 가장 흔히 볼 수 있는 광물이다.

운모에서는 Al3+와 K+가 산소와 결합된 양이온으로 존재한다. 운모류 로서 다음 두 가지를 흔히 볼 수 있다. 백운모는 KAl2(Si3Al)O10(OH)2의 화학식을 이룬다. 백운모는 투명하고 거의 무색에 가까운데, 창문으로 쓰이는 커다란 백운모 판의 생산으로 유명한 muscovy라는 옛 러시아 지명에서 유래한 것이다. 흑운모는 K(Mg,Fe)2(Si3Al)O10(OH)2의 화학식을 이루며, 철 성분 때문에 짙은 갈색을 띤다. 운모들은 화성암이나 변성암에서 흔히 볼 수 있다.

녹니석군은 (Mg,Fe,Al)6(Si,Al)4O10(OH)8의 화학식을 가진다. 이 광물군은 녹색을 띠는데 녹색을 의미하는 chloros라는 그리스어에서 유래하였다. 녹니석은 흔히 Fe와 Mg을 함유하는 감람석, 흑운모, 각섬석, 휘석 등이

그림3.24 사슬 규산염 광물의 벽개. 휘석과 각섬석에서 볼 수 있는 벽개. A. 사슬의 끝 쪽에서 본 휘석 사슬의 배열상태. 사슬을 연결하는 결합ㅎ은 굵은 실선을 따라 깨진다. 두 개의 벽개면이 이루는 각은 90°에 가깝다. B.각섬석 이중사슬의 배열상태. 벽개면간의 각은 약 120°이다.

변질을 받아서 생성된다. 예를 들면 해양지각의 화성암은 흔히 감람석과 휘석을 포함하고 있다. 이런 광물들이 해수와 접촉하게 되면 녹니석으로 변질된다. 녹니석의 (OH)는 제 2장에서 설명된 바와 같이 해양지각이 섭입될 때 암석의 용융을 촉진시키는 역할을 한다.

사문석군은 Mg6Si4O10(OH)8의 화학식을 가지는 세 가지 동질이상의 광물인 스리소틸, 앤티고라이트, 리자다이트로 이루어져 있다. 이 세 가지 광물들은 감람석이나 다른 마그네슘 규산염광물들이 변질받아서 생성된 작은 덩어리로 이루어진 녹색암체에서 흔히 함께 산출된다(그림3.13). 크리소틸 석면은 폴리머화된 규산염 층들이 카페트처럼 촘촘하게 감길 때 형성된다.

사문석은 뱀을 의미하는 고대 그리스어에서 유래하였는데, 어떻게 이 이름이 광물군 이름으로 사용되게 되었는지 확실치 않다. 어떤 사람들은 verde antique라 불리는 사문석이 점처럼 박혀있는 암석과 점이 있는 뱀이 매우 비슷하게 보이기 때문이라고 이야기하는 반면, 기원전 50년 디오스코리데스라는 그리스 작가가 사문석이 뱀의 독을 치료하는 효과가 있다고 했기 때문이라는 설이 있다. 사문석이 뱀의 독을 치료하는 효과가 있다는 증거는 없다.

 

-석영

완전히 규소와 산소만으로 구성된 광물이 석영SiO2이다. 이 광물은 모든 산소의 전자껍질에 전자가 채워진 예이며, 사면체가 3차원적인 격자를 구성한다.

석영은 6개의 결정면들이 특징적으로 나타나는데(그림3.9), 다양한 아름다운 색을 띠기도 하여 일부는 보석으로 사용되기도 한다(그림3.26). 색은 이온치환에 의해 소량으로 함유된 Fe, Al, Ti 등 원소 때문에 발생한다. 석영은 화성암, 변성암, 퇴적암 모두에서 산출되며, 보석 또는 장식용으로 가장 널리 사용되는 광물이다.

저온의 용액에서 침전된 석영의 일종은 입자가 매우 작아서 비정질로 보이기 때문에 전자현미경, X-선 회절기 등 분석기기를 사용하여야만 이 광물이 규칙적인 결정구조를 이루고 있음을 밝힐 수 있다. 이러한 미세입자의 석영을 칼세도니라 부른다. 칼세도니의 변종으로서는 여러 색깔이 층 구조를 보이는 아게이트가 있으며(그림3.27), 회색과 적색이 균질한 경우 각각 플린트와 재스퍼라 부른다.

그림3.26 석영의 색. 석영에서는 규소와 산소 이외의 존재하는 미량의 다른 원소에 의해서 다양한 색을 띠게 된다.

 

-장석군

장석은 스웨덴어인 feld와 spar 두 단어에서 유래하였다. 옛 스웨덴 광산노동자들은 광산에서 장석들을 많이 보아왔는데, 밭에 농작물을 재배하기 위하여 치워야 하는 돌에서도 같은 종의 광물들이 다량 포함되어 있는 것을 보아왔다. 그들은 장석들이 너무도 많이 널려있는 점이 경이로워 밭이 이 광물들을 재배하는 것 같다는 의미를 나타내기 위하여 광물을 장석이라 명명하였다. 실제로 장석은 지각에서 가장 흔한 광물이다. 이 광물은 대륙지각을 구성하는 광물의 약 60%를 차지하며 석영과 합하면 부피로 따져서 지각의 약 75%를 차지한다. 장석은 해양지각을 구성하는 암석에도 풍부하다.

그림3.27 띠를 이루는 아게이트. 석영의 미정질 변종으로서 색깔 있는 층을 이루는 아게이트는 지하수에 의하여 빈 공간에 SiO2가 침전된 것이다. 색깔 있는 층은 소량으로 들어있는 불순물 때문이다. 표본의 크기는 약 10cm 정도다.

 

장석도 석영과 마찬가지로 사면체의 모든 산소 원자가 주위의 규산염 사면체와 공유하고 있다. 그러나 석영과는 달리 일부 사면체는 Si4+가 Al3+로 치환되어 있으므로 전자를 획득하여 전하의 평형을 이루려면 다른 양이온이 결정구조에 추가되어야 한다. 장석군에 존재하는 다른 양이온으로서는 K+, Na+, Ca2+가 있다.

장석군에 속하는 광물들도 넓은 범위의 화학조성을 가진다. 장석은 칼리장석과 사장으로 구분된다.

칼리장석은 몇 가지 동질이상을 보여주는데, 이들이 보여주는 결정구조의 차이는 매우 미미하다. 이들은 소량의 Fe3+가 Al3+을 이온치환하기 때문에 분홍색이나 녹색을 띤다(그림3.28).

장석에 있어서 가장 중요한 치환현상은 사장석의 Na+를 Ca2+이 치환하는 것이다. 이러한 치환이 일어나는 이유는 그림 3.8에서 볼 수 있는 것처럼K+에 비해서 Ca2+와 Na+가 이온반경이 매우 비슷하기 때문이다. 그러나 Ca2+와 Na+가 전하가 다르기 때문에 이들의 치환시 (Ca2++Al+)이 (Na++Si4+)을 치환하는 쌍쌍치환으로 일어난다. 이 치환은 전 범위에 걸쳐 일어나므로 사장석의 화학조성은 알바이트와 아노르타이트범위에 걸쳐 존재한다.

그림3.28 녹색장석. 대륙지각에서 가장 흔한 광물은 장석과 석영이다. 콜로라도주에서 산출된 녹색 칼리장석과 짙은 회색의 석영 결정.

 

-탄산염, 인산염, 황산염 광물

-탄산염 광물

탄산염 복합음이온(CO3)2-은 방해석, 아라고나이트, 백운석 등 세 가지 중요한 광물을 형성한다. 방해석과 아라고나이트는 모두 CaCO3화학식을 하고 있으므로 동질이상에 해당하며, 방해석이 아라고나이트보다 흔한 광물이다. 백운석의 화학식은 CaMg(CO3)2이다.

방해석과 백운석은 흔히 볼 수 있는 광물들이며 매우 비슷하게 보인다. 두 광물은 모두 유리광택과 독특한 벽개를 보여주는데(그림3.29), 방해석과 백운석은 각각 퇴적암인 석회석과 백운암을 이루는 주요광물들이다. 이들을 간단히 구분하기 위해서는 묽은 HCl을 이용한다. 방해석은 거품을 일면서 급속히 반응하지만, 백운석은 거품이 일지 않고 매우 느린 속도로 반응한다.

 

-인산염광물

인산염광물 중 인회석이 가장 중요한 광물이다. 이 광물은 복합음이온 (PO4)3-를 함유하고 있으며 Ca5(PO4)3(F,OH)인 일반화학식을 하고 있다. 인회석은 인간의 치아나 뼈를 형성하는 물질이다. 이 광물은 다양한 화성암과 퇴적암에서 산출되며, 인산비료를 제조하는데 사용되는 인을 추출하는 중요한 자원으로 활용된다.

그림3.29 혼동하기 쉬운 탄산염광물들. 왼쪽의 방해석(CaCO3)과 오른쪽의 백운석[CaMg(CO3)2]은 비슷한 결정구조를 이루고 있으므로 유사한 벽개를 보여준다. 두 광물 모두 서로 수직을 이루지 않는 세 결정면을 따라 쪼개지므로 능면체 형태의 조각이 생성된다. 방해석과 백운석을 쉽게 구분하는 방법으로는 묽은 염산을 떨어뜨리면 방해석은 끓으면서 거품을 내지만 백운석은 서서히 용해되지만 거품을 내지는 못한다.

 

-광석광물

유용한 금속물질을 추출하기 위하여 이용하는 광물들을 광석광물이라 부르며, 원소광물, 황화광물, 산화광물들을 이루는 경향이 있다. 주요 광석광물들은 부록 C에 실려 있으며, 광석광물의 중요성은 에세이: 지구의 광물은 장래에 고갈될 것인가? 를 참조하시오.

 

-황화광물

주요 황화광물들은 금속광택을 띠며 비중이 높은데, 가장 흔히 볼 수 있는 황철석과 자황철석은 철을 추출하기 위해서 채굴되는 광물은 아니지만 광석광물이라 일컬어진다. 납의 대부분은 방연석으로부터 추출되고, 아연은 섬아연석(그림3.30), 구리는 황동석으로부터 얻어진다. 황화광석광물로부터 얻어지는 다른 금속으로는 코발트, 수은, 몰리브덴, 은 등이 있다.

 

-산화광물

철분은 지각에 가장 풍부한 원소중의 하나인데, 산화철 광물인 자철석과 적철석 두 가지 광물로 흔히 산출된다. 자철석은 소아시아의 고대 도시인 Magnesia에서 생산되는 석재를 의미하는 Magnetis라는 그리스어에서 유래하였다. Magnetis는 철가루를 끌어당기는 힘이 있으므로, 자석을 의미하는 magnet과 광물 이름인 magnetite에 사용되게 되었다. 적철석은 분말을 만들었을 때 적색을 띠므로 그리스어로 붉은 피를 의미하는 haima에서 유래하였다. 자철석과 적철석은 모두 철을 추출하는 광석광물이다.

다른 산화광물로서 티탄의 주된 자원인 금홍석, 주석의 자원인 석석, 우라늄의 자원인 우라니나이트 등이 있다. 산화광물로부터 추출할 수 있는 다른 원소로서 크롬, 망간, 니오비움, 탄탈륨 등이 있다.

 

※생성환경을 의미하는 광물들

광물은 아름답거나 경제적 가치 있는 물질로서만의 중요성이 있는 것이 아니다. 광물은 그들이 생성된 조건에 관한 중요한 열쇠를 쥐고 있다. 따라서 광물은 우리가 직접 관찰

그림3.30 광석광물. 흔히 볼 수 있는 3종류 광석광물의 예. A. 미주리주에서 산출하는 주된 아연광물인 섬아연석. B. 미주리주에서 산출하는 납 광물인 방연석. C. 일본에서 산출하는 중요한 구리광물인 황동석.

하고 측정할 수 없는 지구 내부의 화학적 물리적 조건에 관한 정보를 제공한다.

광물의 생성환경에 관한 자료는 주로 실험실에서 연구한 결과로부터 얻어졌다. 예를 들어서 과학자들은 흑연 대신에 동질이상을 이루는 다이아몬드가 생성되는 온도 압력 조건을 실험을 통하여 밝힐 수 있었다(그림3.31). 지구내부에서 온도와 압력이 증가하는 정도를 추정할 수 있으므로 다이아몬드를 포획하는 암석은 적어도 150km이상 깊이에서 생성되었다고 확언할 수 있다. 다른 예는 풍화와 관련이 있다. 풍화에 의하여 포토에 생성된 광물들은 춥고 습한 기후 또는 반대로 덥고 건조한 기후 등 기후조건에 의하여 영향을 받는다. 따라서 퇴적암에 존재하는 광물들의 종류를 밝힘으로써 과거의 기후를 알아낼 수 있다. 과거 바다의 해수성분은 바닷물이 증발하여 침전물로 남아있는 광물들로부터 밝힐 수 있다. 여기에서는 여러 가지 예를 자세히 설명하는 대신 광물로 구성된 암석에 관하여 간단히 설명을 하고, 뒤의 다른 단원(제4장)에서 과거 환경을 이해하기 위하여 광물들을 활용하는 방법에 관하여 소개하도록 하였다.

 

※암석

제 2장에서 살펴보았듯이 암석은 그들이 생성된 방법에 따라 크게 세 가지 종류로 구분된다. 이 세 가지 종류로서 마그마가 고화되어서 생성된 화성암, 매체의 의하여 운반될 물질들이 퇴적되어 생성된 퇴적암, 압력과 온도의 증가에 의해서 기존의 퇴적암이나 화성암이 변해서 생성된 변성암이 있다. 우리는 암석이 생성되는 방법에 따라 분류하지만, 암석이 실제 생성되는 과정을 직접 볼 수는 없다. 용암이 고화되어 화성암이 생성되는 과정을 직접 볼 수는 없다. 용암이 고화되어 화성암이 생성되는 과정을 볼 수 있지만, 지구 깊은 곳에서 고화되는 마그마를 관찰할 수는 없다. 또한, 우리는 변성작용이 진행되는 과정을 관찰할 수는 없다. 대부분의 경우에는, 어느 특정한 암석이 어떻게 생성되었는지 알아내기 위해서는 실제 관찰하고 측정할 수 있는 증거들에 의거해야 한다.

 

-조직

암석들을 처음 대하게 되면 매우 다양함을 느낄 수 있을 것이다. 어떤 암석은 판상 또는 층상조직을 보여주면서 특징

그림B3.4 채광의 역사. 세 나라의 과거 금속 생산량. 광산의 수(곡선A)가 급격하게 증가하지만, 폐광의 수가 발견된 광산의 수를 초과하게 된 후 광산의 수는 급격하게 줄어든다. 금속생산량(곡선B)도 증가하지만 광산이 고갈됨으로써 감소하게 된다. 곡선C는 국내생산이 수요를 충족시키지 못하여 수입하는 양을 가리킨다. 시간이 흐를수록 국가의 상태는 왼쪽에서 오른쪽으로 이동하게 된다. 19세기 후반의 영국은 현재 미국의 상황에 해당하는 상태였는데, 당시의 미국은 현재 러시아의 상태와 비슷하였다.

그림3.31 맨틀에서 생성되는 다이아몬드. 탄소의 동질이상인 다이아몬드와 흑연의 생성 온도와 압력(깊이)을 구분하는 선. 150km 깊이의 압력에 해당하는 곳에서 흑연과 다이아몬드를 구분하는 선은 대륙지각의 하부 지하증온율곡선과 만난다. 지구의 지표에서 발견되는 다이아몬드는 150km 보다 깊은 곳에서 생성되었다.

적인 평평한 면이 운모류 입자들로 덮여있다. 또한 어떤 암석에서는 큰 입자로 구성되어 있으면서 입자의 크기가 균일하여 층 조직이 발달하지는 않지만, 운모가 많은 암석에서 볼 수 있는 것과 같은 종류의 광물들을 포함하고 있는 경우도 볼 수 있다. 퇴적암, 변성암 또는 화성암에 관계없이 어떤 암석이던지 샘플간의 차이는 다음의 두 가지 특징에 의하여 기재될 수 있다.

첫 번째 특징은 구성광물 입자의 크기, 모양, 배열형태 때문에 나타나는 전반적인 외관을 의미하는 조직이다. 예를 들면 광물입자가 판상을 이루어 서로 평행하기 때문에 카드를 쌓아놓은 것처럼 특징적인 판상조직을 보여주는 암석이 있는가하면, 광물들이 어느 특정한 집중적으로 모여 있는 경우도 있다. 이러한 두 가지 조직 모두 층을 이루는 면 구조를 보여준다. 각 암석별로 특정한 조직을 지칭하는 용어가 사용되는데, 세 종류의 암석을 주제로 하는 다음의 세 단원에서 조직에 관해서 세부적으로 설명되어 있다.

 

-광물조합

암석에서 볼 수 있는 두 번째 특징은 암석을 구성하는 광물의 종류다. 한 종류의 광물로만 구성된 암석도 존재하지만, 대부분 광물들은 두 가지 이상의 광물들로 구성되어 있다. 암석에 존재하는 광물의 종류와 양을 가리키는 광물조합은 암석이 어떻게 생성되었는지 해석할 수 있는 귀중한 정보를 제공한다.

암석을 체계적으로 기재하기 위해서는 광물조합과 조직에 관하여 알아야 한다. 이외에도 거정질과 미정질 두 용어가 광물을 기재하는데 매우 유용하다. 거정질은 직접 눈으로 또는 10배 이하의 확대경을 통하여 관찰할 수 있는 조직의 특성을 가리킬 때 사용하며, 미정질은 높은 배율에서만 관찰 가능한 조직의 특성을 말한다. 미정질 조직은 암석으로부터 특별히 박편이라는 것을 제작하여 현미경을 사용하여 관찰하여야 한다. 박편을 만들기 위해서는 먼저 조그만 암석 조각의 한 면을 매끈하게 연마하여 평평한 면을 만들어야 한다. 다음에는

그림3.32 현미경으로 본 화성암. 연마된 면으로 이루어진 암편을 이용하여 조직과 광물조합을 관찰할 수 있다. 그림의 시료는 석영, 장석, 각섬석, 운모, 자철석 등을 포함하는 화성암이다. A. 유리에 접착된 얇은 암편. 암편은 0.03mm 두께로서 빛이 광물을 통과할 수 있다. B. 연마된 면. 점선으로 표시된 직사각형은 A에 보인 암편을 제작하는 데 사용된 부분이다. C. 현미경으로 관찰한 얇은 암편의 사진(배율25배). D. 각 입자들의 형태와 방향을 명확하게 관찰하기 위하여 편광을 이용하여 관찰된 C와 동일한 부분의 사진.

평평한 면을 유리판에 접착시킨 후 암석조각에 빛이 쉽게 ㅌㅇ과할 수 있을 정도로 나머지 면을 얇게 갈아야 한다. 박편에 관한 설명이 그림 3.32에 있다.

 

-지각을 구성하는 암석 종류의 백분율

마그마를 만들고 결국 화성암을 생성시키는 지구 내부의 작용은 침식을 통해서 외부의 작용과 서로 반응을 한다. 암석이 침식될 때 침식된 입자들은 퇴적물을 이루게 된다. 퇴적물은 지하에 유동하는 물에 함유된 물질들에 의해 교결되고 결국 새로운 퇴적암으로 변하게 도니다. 퇴적암이 생성되는 일부 장소에서는 새로운 물질을 생성할 수 있는 온도와 압력조건에 해당하는 깊이까지 도달하게 되어 퇴적암이 변성암으로 변한다. 경우에 따라서는 변성암이 매우 깊은 심부까지 이르게 되면 높은 온도에 의해서 용융이 되고 마그마가 생성된다. 새롭게 생성된 마그마는 지각을 관입하여 상승하고, 다시 냉각되어 다른 화성암체를 이루게 된다. 결국 새로운 화성암체도 지표에 노출되고 침식작용을 받게 될 수도 있는데. 침식된 입자들은 바다로 운반되고 퇴적되어 암석의 순환이 반복되는 것이다. 제임스 허튼이 처음으로 인지한 것처럼 이런 암석의 순환은 지구의 오랜 역사동안 끊임없이 반복해서 일어났다.

지각의 95%는 화성암과 화성암에서 생성된 변성암으로

그림 3.33 암석의 종류에 따른 분포. 퇴적암과 화성암의 절대적인 양(변성암은 생성기원에 따라 퇴적암이나 화성암으로 고려됨). A. 지각의 대부분은 화성암(95%)으로 구성되어 있지만 퇴적암(5%)은 지표부분을 얇게 덮고 있다. B. 지표부분에 분포하는 퇴적암은 화성암보다 훨씬 많다. 지표에서 관찰되는 모든 암석의 75%는 퇴적암이며 25%만이 화성암이다.

구성되어 있다. 그러나 그림 3.33에서 보듯이 지구의 표면에서 우리가 실제로 불 수 있는 암석은 대부분 퇴적암이다. 이러한 차이는 지표에서는 풍화작용에 의해서 퇴적물이 생성되기 때문인데 이 퇴적물은 하부를 구성하는 화성암을 얇은 층으로 넓게 덮고 있다. 이러한 암석 종류의 분포는 암석의 순환의 결과이다.

화성암은 대륙지각과 해양지각에 가장 많은 양을 차지하므로 가장 먼저 다음 장에서 설명하기로 한다.

 

요약

1. 원자의 핵은 양성자양의 전하를 띰)와 중성자(전하가 없음)로 구성되어 있다. 전자(음의 전하를 띰)는 핵 주위의 궤도에서 운동한다. 양성자의 양의 전하는 전자의 음의 전하와 값이 같다. 원소의 원자번호는 핵 내의 양성자의 수와 일치한다.

2. 궤도 전자들은 다른 에너지준위를 갖고 있다. 각 에너지준위 전자껍질에 들어갈 수 있 는 전자의 수는 정해져 있는데, 전자껍질 1은 단지 2개, 전자껍질 2는 8개, 전자껍질 3 은 18개, 전자껍질 4에는 32개의 전자를 수용할 수 있다.

3. 광물에서 원자들을 붙어있게 하는 힘을 결합이라 하며, 결합에는 네 가지 종류가 있다. 이온결합은 원자간에 궤도전자를 주거나 받아들일 때 일어난다. 공유결합에서는 원자들 이 서로 전자를 공유한다. 금속결합에서는 높은 에너지 준위 전자껍질에 있는 전자가 다른 몇 개의 원자들과 공유되어 있다. 판데르바알스 결합은 전자의 공유 또는 이동에 의해서 발생하는 약한 여분의 척력에 의한 힘이다.

4. 광물은 일정한 화학조성을 가지면서 고유의 결정구조를 갖는 고체상태의 화학원소이거 나 화합물이다.

5. 광물의 화학조성은 이온치환 때문에 변화하는데, 결정구조를 이루는 이온들은 유사한 전하 및 이온반경을 갖는 다른 원소들에 의하여 치환될 수 있다.

6. 일부 화합물들은 같은 조성을 하고 있지만 다른 결정구조를 가지는 경우도 있다. 다른 결정구조를 하는 것들은 별개의 광물이다. 같은 조성을 하고 있지만 다른 결정구조를 가지는 광물들을 동질이상이라 부른다.

7. 광물들을 구분하고 감정할 때 이용되는 주요 특성들로서는 결정형, 성장형태, 광택, 색, 조흔색, 경도, 비중 등이 있다.

8. 약3600종의 광물들이 알려져 있지만 대략 20종의 광물들이 지각의 95%를 구성한다.

9. 규산염 광물들이 가장 흔히 볼 수 있는 광물이며, 다음으로 산화광물, 탄산염 광물, 황 화광물, 황산염광물 그리고 인산염광물 순서로 많다.

10. 규산염 광물을 구성하는 기본 단위는 하나의 규소 원자를 네 개의 산소가 공유결합을 이룬 복합 음이온인 규산염 사면체다. 사면체의 중앙에 규소가 놓여있고 각 꼭지점에 네 개의 산소가 위치한다. 사면체는 주변의 사면체와 하나 또는 그 이상의 산소를 공 유함으로써 커다란 복합 음이온을 형성하게 되는데, 이러한 현상을 폴리머화라 한다.

11. 장석은 지각 구성물질 부피의 약 60% 차지하는 가장 풍부한 광물이다. 석영은 지각에 서 두 번째로 많은 광물이다.

12. 암석은 그들이 생성된 방법에 따라 크게 세 가지 종류로 구분된다. 우리는 암석이 실 제 생성되는 과정을 직접 보기는 어려우며, 암석들은 조직과 광물조합에 의거하여 기 재된다.

13. 지각의 95%는 화성암과 화성암에서 생성된 변성암으로 구성되어 있으며, 퇴적암은 5%를 차지한다.

 

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