츄 사이언스 - 광물의 물리적 성질

광물의 감정 방법

각 광물은 고유한 물리적 성질과 화학성분을 가지기 때문에 광물을 감정하기 위해서는 그 광물의 화학 성분이나 물리적 성질을 알아야 합니다. 광물의 화학 성분을 알기 위한 간편한 감정 방법으로는 광물의 결정형, 굳기, 비중, 쪼개짐, 광택, 조흔색, 광학적 성질 등의 물리적 성질을 이용하는 것입니다. 이밖에도 특수한 광물에 대해서는 자성, 전기성, 형광성, 방사성 등을 조사하기도 합니다.

광물의 물리적 성질

1. 결정형

광물이 액체에서 결정이 이루어질 때 주위의 광물들에게 방해를 받지 않으려면 그 광물은 고유한 결정형(crystal form)을 갖게 됩니다. 그러나 그 성장이 어떤 조건에 의하여 제한을 받게되면 고유한 결정형이 생성되지 못하고 변모된 다른 형태를 나타내게 됩니다. 예를 들면 석영이 적당한 조건하에서 생성되면 아래의 그림과 같이 육각주와 삼각추로 된 규칙적인 형태를 이룹니다. 이러한 석영의 결정을 보통 수정(rock crystal)이라고 합니다. 그런데 결정면의 발달은 결정 주위의 상태에 따라 좌우되므로 불리한 조건하에서는 결정의 발달이 균형을 잃게 되어 수정마다 각각 그 형태가 다르게 됩니다. 그러나 이러한 결정들도 서로 대응하는 결정면들이 이루는 각인 면각은 어느 것이나 항상 같다는 사실을 알 수 있습니다. 암석 내에 포함된 석영은 그와 함께 생성된 다른 광물들에 의해서 그 성장이 저지되므로 외형에는 규칙성이 전혀 나타나지 않는 경우가 많습니다. 그러나 이러한 암석 내의 석영도 라우에의 반점은 수정의 경우와 똑같은 모양을 나타냅니다. 그러므로 광물의 결정형은 그 광물이 가진 고유한 내부 구조의 외적 반영에 불과하며, 이 반영은 주위의 상태에 따라 잘 나타날 때도 있고 그렇지 않을 때도 있습니다. 금강석의 좋은 결정은 8면체를 이루고, 황철석은 입방체, 석면은 섬유상 결정, 석류석은 오각십이면체 등, 각 광물은 고유한 결정형을 이룹니다. 그러므로 결정형에 따라서 광물을 감정할 수가 있습니다. 

각 조암광물의 결정형

2. 굳기

광물의 단단한 정도를 광물의 굳기(hardness)라고 하며, 이는 한 물체의 평활한 면을 다른 물체의 끝으로 긁을 때, 그에 저항하는 정도를 측정함으로써 나타냅니다. 광물의 굳기는 광물을 구성하는 원소의 화학적 결합력에 따라서 좌우되는 성질 중의 하나로 결합력이 강할수록 광물은 더욱 단단합니다. 또한, 광물의 굳기는 원자의 크기, 전하량 및 압착되는 정도에 의해 달라집니다. 광물의 굳기는 원자의 크기가 작고, 전하량이 크며, 원자간의 거리가 가까울수록 단단합니다. 탄소의 결정이 흑연과 금강석의 굳기를 비교하면 흑연은 가장 무른 광물 중의 하나입니다. 그런데, 금강석은 가장 굳은 광물입니다. 이와 같은 차이는 탄소 원자의 결합 형식이 다르기 때문입니다. 광물의 굳기에는 큰 범위의 차이가 있는데, 모스(Mohs)는 모든 광물의 굳기를 10종의 광물을 골라 측정의 기준으로 정했습니다.

3. 비중

광물의 비중은 광물과 같은 부피의 물과 비교한 광물의 무게를 말합니다. 광물은 암석과는 달리 대체로 일정한 비중을 가지고 있습니다. 광물의 비중은 광물을 구성하는 원소의 질량과 원소가의 거리에 따라 결정됩니다. 따라서 비중을 측정하면 광물을 감정할 수 있게 됩니다. 비중은 광물의 무게에서 4℃의 같은 부피의 물의 무게를 나눈 값으로, 공기 중과 광물의 무게를 물 속에서 측정해서 비중을 구할 수 있습니다. 광물의 비중은 그를 구성하는 원소의 질량수가 클수록, 또한 결정 구조에서 원소들의 결합이 치밀할수록 커집니다. 대부분의 규산염 관물의 비중은 2.5~3.0이고, 비중이 2.85 이상이 광물을 중광물이라 합니다.

4. 쪼개짐과 단구

광물의 쪼개짐은 평탄한 면을 따라 일정한 방향으로 잘 쪼개지는 경향을 말합니다. 이 쪼개짐 면은 원자의 내적 배열에 의해 지배됩니다. 벽개면은 원자의 결합력이 약한 면을 따라 발달됩니다. 광물에서 쪼개짐이 전혀 나타나지 않는 광물, 한 방향의 쪼개짐을 가진 광물, 두 방향의 쪼개짐을 갖는 광물, 서로 사교하는 광물, 네 방향의 쪼개짐을 갖는 광물 등이 있습니다. 이러한 쪼개짐의 성질을 조사함으로써 광물을 감정할 수 있습니다. 광물의 단구(fracture)는 쪼개짐 면이 아닌 다른 불규칙한 면을 따라 광물이 깨지는 성질입니다. 이 성질은 결정 내에 이 결합력이 뚜렷이 약한 방향이 없는 광물에서 주로 나타납니다. 단구의 형태에는 패각상, 평탄상, 섬유상, 침상, 토상 등이 있습니다.

5. 색깔과 조흔색

광물의 색깔은 광물의 독특한 성질 중 하나입니다. 광물의 색깔은 여러 요인에 의해 결정되며, 주로 광물의 색깔은 불순물이나 미량 원소의 치환에 의해 달라질 수 있으므로 광물의 색깔을 이용하여 광물을 감정할 때는 유의하여야 합니다. 조흔색이란 광물의 분말 색깔을 말합니다. 광물의 분말은 빛을 분산시켜 광물의 형태나 광택에 관계없이 광물에 따라 일정한 색깔을 나타냅니다. 보통 조흔판이라는 초벌구이 도자기에 광물을 그어보아 나타나는 분말의 색을 보면 됩니다. 어떤 광물은 그 표본의 색과 조흔색이 전혀 다릅니다. 

6. 광택

광물이 광택(luster)은 광물 표면에서 반사되는 빛의 강도와 질에 따라 우리가 느끼는 감각을 말합니다. 광택은 크게 금속 광택과 비금속광택으로 나뉩니다. 비금속광택은 다시 유리 광택, 수지 광택, 진주광택, 토사 광택 등으로 나뉩니다.

7. 광학적 성질

광물은 수정, 형성, 방해석과 같이 투명한 것도 있으나 황철석, 자철석과 같이 아무리 얇게 갈아도 빛이 통과하지 못하는 불투명한 것도 있다. 그러므로 투명광물은 얇은 박편을 만들어서 편광판을 장치한 편광현미경을 사용하여 광물의 다색성, 모양, 굴절율, 소광 현상, 간섭 현상 등을 조사하여 감정합니다. 한편, 불투명 광물은 한쪽 면을 거울과 같이 간 연마면을 만들어서 반사광으로 보는 반사 현미경하에서 감정됩니다. 불투명 광물 감정에는 대개 특수한 시약을 써서 광물의 표면을 용식시켜서 관찰하면 더욱 효과적입니다.

8. 화학적 성질

화학적으로 광물을 조사하는 데는 두가지 방법이 주로 쓰입니다. 첫째는 맛을 보는 것이고, 둘째는 염산 반응을 시켜 보는 것입니다. 암염과 칼리염(KCl)은 독특한 맛을 가지고 있어 쉽게 구별됩니다. 탄산염 광물 중 방해석은 약 10%의 묽은 염산과 반응을 잘하지만 돌로마이트는 반응을 하지 않아 묽은 염산이 방해석과 돌로마이트의 구분에 사용됩니다. 이때 유의할 점은 분말 형태의 돌로마이트는 묽은 염산과 반응하므로 항상 신선한 암석 표면에 염산을 떨어뜨려야 합니다. 그밖에 시약을 써서 광물을 착색시켜 구별하는 착색법과 불꽃반응을 통해 광물을 구별하는 방법이 있습니다. 묽은 알리자린 레드 S 용액은 방해석을 빨갛게 착색시키나 돌로마이트는 착색되지 않습니다. 또한 파이글스 용액은 아라고나이트를 흑색으로 착색시키며 방해석은 착색되지 않으므로 아라고나이트와 방해석을 구별하는 데 사용됩니다. 나트륨 질산코발트 용액은 정장석을 노랗게 착색시키나 사장석은 착색되지 않습니다. 따라서, 나트륨 질산코발트 용액은 사장석과 정장석을 구별하는 데 유용합니다. 불꽃반응을 통해 광물 성분을 알아볼 수도 있는데, 가는 백금선에 광물 분말을 묻혀 불꽃에 반응을 시키면 Na은 노란색, Cu는 청색, Sr은 빨간색, K는 보라색으로 나타나게 됩니다.