츄 사이언스 - 광물의 구조와 성분

광물

광물은 지각을 이루는 기본 단위 물질로서 일정한 화학성분과 물리적 성질을 가진 화합물입니다. 지금까지 약 3,000여 종의 광물이 알려져 있으며, 광물 중 가장 풍부한 것은 규산염 광물입니다. 규산염 광물 중 암석을 주로 이루고 있는 20여 종의 광물을 조암 광물이라고 합니다. 광물은 일상생활에서 사용하는 모든 물질과 에너지의 원천입니다. 광물을 효율적으로 활용하기 위해서는 광물에 대한 정확한 이해와 자세한 연구가 매우 중요합니다. 광물의 정의를 내린다면, 광물은 지각을 이루는 암석의 기본 단위 물질로서 자연적으로 산출되는 고체이며, 일정한 화학성분과 특징적인 결정구조를 갖습니다. 광물은 구성 원소들이 규칙적으로 일정하게 배열된 결정의 형태로 나타납니다. 그러나 자연에서 산출되는 모든 물질이 광물의 조건을 만족시키지는 못합니다. 예를 들면, 자연 유리와 호박은 화학성분의 범위가 넓고 다양하며, 특징적인 결정구조를 갖지 못하는 비정질입니다. 또 다른 예로 단백석(opal)은 화학성분이 일정한 편이지만 비정질입니다. 이와 같이 광물과 비슷한 물질을 준광물(mineraloids)이라고 합니다. 광물은 금강석, 황과 같이 단일 원소로 된 단체와 암염, 방해석과 같이 몇 가지 원소로 된 화합물로 구분됩니다.

지각의 구성 성분과 광물

지각의 구성 성분과 광물을 살펴보면, 현재까지 지구상에서 발견된 원소의 종류는 약 105종이며, 이중 지각을 구성하는 원소의 종류는 약 92종입니다. 그러나 지각을 구성하는 원소는 상당히 제한되어 있습니다. 지각을 구성하는 원소 92종 중 중량비가 2.0% 이상인 것은 O, Si, Al, Fe, Ca, Na, K, Mg 등 8개의 원소뿐이며, 이 원소들이 차지하는 중량비는 98.5%, 부피비는 거의 100%, 원자비는 99.7%입니다. 따라서 이들 원소를 가리켜 지각을 이루는 원소를 8대 원소라고 합니다. 한편, 이 원소들은 화합물을 이루어 지각 내에 광물로 존재합니다. 그러므로 지각을 이루는 대부분의 광물은 8대 원소로 이루어졌다고 말할 수 있습니다.

광물의 구조와 성분

1. 광물의 구조

광물을 구성하는 원소는 대개 일정한 기하학적 양상으로 배열되어 있습니다. 같은 종류의 광물들은 언제, 어디서, 어떻게 형성되었건 상관없이 모두 같은 내부 구조를 가지고 있습니다. 이러한 면각 일정의 법칙으로 인해 같은 종류의 광물 결정에서는 광물 결정의 크기와 모양이 다르더라도 서로 대응하는 인접 결정면은 항상 같은 각으로 만남을 알 수 있습니다. 또한 큰 방해석 결정을 바닥에 떨어뜨리면 결정이 세 면을 따라 잘게 부서지는데, 이때 부서진 조각들은 모두 능면체의 형태를 띄게 됩니다. 이로써 방해석은 수많은 무한대의 작은 능면체들이 질서 정연하게 서로 모여 있는 것이라고 가정할 수 있습니다. 이를 통해 쪼개짐 면은 결정의 질서 정연한 내부 구조를 잘 나타내는 것입니다. 여러 가지 광물을 관찰하면 그의 쪼개짐뿐만 아니라 결정형, 형태, 굳기(경도), 광학적 성질 등의 물리적 성질이 각각 다름을 알 수 있습니다. 이는 결정을 이루는 원자의 공간 배열 상태가 광물의 성질을 좌우하는 중요한 요소가 된다는 것을 알 수 있습니다. 광물에 X선을 통과시키면 결정을 이루고 있는 원자들의 공간 배열로 인해 X선이 회절 하여 사진 건판에 규칙적인 많은 반점을 나타냅니다. 이 반점을 라우에 반점이라고 하며, 이 반점에 의해 결정의 원자배열 상태를 알 수 있으며, 각 광물마다 특유한 라우에 반점을 가지게 됩니다. 이러한 연구를 근거로 결정체의 원자 구조를 모형으로 나타낼 수 있습니다. 아래의 그림을 보면 금강석과 흑연은 모두 탄소 원소로 되어 있으나, 성질이 다르다는 것을 알 수 있습니다. 그 까닭은 두 광물이 갖는 결정구조가 다르기 때문입니다. 이와 같이 화학 조성은 같으나 내부 구조가 달라 서로 다른 여러 결정형을 나타내는 것을 동질 이상(polymorphism)이라고 합니다. 광물들을 통해 그와 그 광물을 포함한 암석의 생성 환경을 알 수 있습니다.

(a) 금강석 (b) 흑연 결정 내의 원재배열 비교

2. 광물의 성분

광물은 어떤 원소들이 일정한 비율로 나타나는 일정한 화학 성분을 가지게 됩니다. 그러므로 화학성분을 나타내기 위하여 SiO2, CaCO3 등과 같이 정확한 화학식을 쓸 수 있습니다. 어떤 광물의 화학 성분은 일정한 범위 내에서 변할 수 있는데, 이런 광물에서 두 종류 이상의 이온들이 광물 구조내에서 서로 치환할 수 있습니다. 이 현상을 이온 치환(ionic substitution)이라고 합니다. 이온 치환은 결정 구조상의 큰 변화 없이 광물의 화학성분에 변화를 있게 합니다. 한 이온이 다른 이온과 치환할 수 있는 적합성은 몇몇 요인에 의해 좌우됩니다. 그중 가장 중요한 요인은 이온의 크기와 전하입니다. 이온들이 서로 쉽게 치환되려면 이온 반경의 차이가 15% 미만이어야 합니다. 또한, 치환하는 이온들은 다른 이온과의 전하 차이가 동일 구조 내에서 다른 치환에 의해 보상되어야 합니다. 이온 치환은 벽돌로 쌓은 벽에서 동일한 크기의 다른 종류의 벽돌로 교환하여 치환한 것에 비유될 수 있습니다. 치환된 벽돌의 색과 성분은 다르나 크기는 원래의 벽돌과 같기 때문에 벽의 구조는 치환에 의해 영향을 받지 않습니다. 이와 같이 화학조성이 일정하지 않고, 시료에 따라 달라지는 것은 주로 광물을 구성하는 이온이나 이온 군의 치환 현상 때문입니다. 광물의 성질 중에는 동질 이상과 달리 화합물의 형식이 같으면 화학 조성은 다르더라도 유사한 결정 형태를 이루는 경우가 있는데, 탄산염광물과 황산염 광물은 좋은 예입니다. 즉, 탄산염광물들은 어느 것이나 육방정계에 속하는 결정형을 이루고 황산염 광물은 어느 것이나 사방정계에 속하는 결정형을 이룹니다. 이러한 관계의 광물들은 유질동상(isomorphism)이라고 합니다. 화학 조성이 어떤 범위 내에서 변화를 보이는 광물을 고용체(solid solution)이라고 합니다. 고용체를 이루고 있는 순수한 구성 성분 광물을 단종(end-member)이라고 합니다. 두 단종 사이에서 화학 조성이 연속적으로 변하는, 다시 말해서 두 단종 광물들 사이의 모든 임의의 조성이 모두 존재하는 고용체를 연속 고용체 또는 완전 고용체라고 합니다. 광물 성분에 중요한 변화가 일어나면 그 결과 물리적 성질이 변할 수 있습니다. 광물에서 이온 치환이 있으면 광물의 내부 구조에는 큰 변함이 없으나 굳기와 색 등에는 변화가 있게 됩니다. 이온 치환 현상은 조암 광물에서 보편적입니다. 그러므로 기본적인 골격 구조는 같으나 성분이 다른 멤버들을 갖고 있는 여러 광물군들이 있게 됩니다. 보편적인 광물들도 각각 이온 치환으로 화학 성분과 물리적 성질이 어떤 한계의 범위 내에서 다른 광물군을 이루게 됩니다.