광물.......가장 확실한 역사의 증거...들...

The Dreaming 2011. 9. 19. 13:30

지구의 겉 부분인 지각을 이루는 단단한 암석은 하나 이상의 광물의 집합체인데, 광물 또한 더 작은 알갱이인 원소로 이루어진다. 이번 시간에는 암석을 이루는 구성요소인 광물에 대해 알아보도록 하자.

활석(滑石), talc Mg₃Si₄O₁₀(OH)₂ 경도 1.

석고(石膏), gypsum CaSO₄·2H₂O 경도 2.

광물 – 명확한 화자연산 무기 결정 고체

광물(鑛物; mineral)은 자연산 무기물이며 규칙적인 결정구조와 명확한 화학구성을 갖는 고체로 정의되는데, 한 종류의 원소 또는 화합물로 이루어진다. 예를 들어, 원자번호 79번인 금(Au)과 원자번호 47번인 은(Ag) 같은 원소들은 한 종류의 원소로 이루어진 광물들이다. 반면, 암염(소금; NaCl)은 나트륨 이온(Na⁺) 1개와 염소 이온(Cl^-) 1개가 결합하여 만들어진 화합물이다. 대부분의 광물들은 화합물로 2개 이상의 원소들로 이루어진다.

일상생활에서 흔히 관찰되는 광물을 살펴보면, 광물은 일반적인 지표온도에서 고체이어야 하므로 얼음은 광물이지만 물은 광물로 취급하지 않는다. 예외적인 경우도 있어, 액체인 수은은 광물로 취급된다. 수은은 영하 39도에서 고체로 변한다. 자연산이며 고체인 다이아몬드는 규칙적인 결정구조와 분명한 화학조성을 가지므로 광물이다. 반면 조개껍질은 화학적, 물리적으로 방해석과 유사하나 유기적으로 생성되었기 때문에 광물이 아니다.

방해석(方解石), calcite CaCO₃ 경도 3. <출처: (cc) Jarno from Rotterdam, Netherlands>

형석(螢石), fluorite CaF₂ 경도 4. <출처: (cc) H at en.wikipedia>

조암광물 – 암석을 구성하는 중요한 광물

현재까지 약 4,000개에 이르는 광물들이 보고됐지만, 지구의 지각을 구성하는 광물은 수십 종류에 불과하다. 이처럼 지구 지각의 암석을 구성하는 중요한 광물을 조암광물(造巖鑛物; rock-forming minerals)이라고 하는데, 이 조암광물들은 단 8개의 원소로 이루어진다. 즉, 지각을 이루는 암석은 산소(46.6%), 규소(27.7%), 알루미늄(8.1%), 철(5.0%), 칼슘(3.6%), 나트륨(2.8%), 칼륨(2.6%), 마그네슘(2.1%)로 이루어지며, 이중 산소와 규소가 지각에서 가장 풍부한 원소이다. 산소와 규소는 쉽게 결합하여 석영, 장석, 운모, 각섬석, 휘석, 감람석 등 규산염광물을 이룬다. 규산염광물은 지구 지각의 90% 이상을 차지한다. 지구 전체적으로 보면 약간 다른데, 지구는 산소(O), 규소(Si), 알루미늄(Al), 철(Fe), 칼슘(Ca), 니켈(Ni), 황(S), 마그네슘(Mg)의 8개의 원소로 이루어지며, 이중 철(35%), 산소(30%), 규소(15%) 및 마그네슘(13%)의 4개 원소가 90% 이상을 차지한다.

인회석(燐灰石), apatite Ca₅(PO₄)₃(OH-,Cl-,F-) 경도 5.

정장석(正長石), orthoclase KAlSi₃O₈ 경도 6. <출처: (cc) Didier Descouens(Archaeodontosaurus at wikimedia.org)>

광물의 성질 – 광택, 투명도, 조흔색, 경도 등

모든 광물들은 규칙적인 결정구조와 명확한 화학조성을 갖기 때문에, 독특한 물리적ㆍ화학적 특성을 갖는다. 광물이 갖는 일차적인 특성으로는, 광물의 표면에서 반사되어 나오는 빛의 모습이나 성질을 나타내는 광택(luster), 빛을 투과하는 능력을 나타내는 투명도(transparency), 광물을 가루로 만들었을 때의 색깔인 조흔색(streak), 긁힘에 대한 광물의 저항성을 나타내는 경도(hardness), 약한 방향이나 면을 따라 쉽게 쪼개지는 성질인 벽개(cleavage), 광물에 대한 역학적인 작용에 의해 일어나는 변형의 유형이나 정도를 나타내는 점착성(tenacity), 광물 결정의 특징적인 모양을 나타내는 결정형(crystal form), 단구(fracture), 밀도(density), 색깔(color) 등이 있으며, 이차적인 특성으로는 맛, 냄새, 탄성, 감촉, 자성, 이중회절, 염산과의 화학반응 등이 있다. 특히, 경도의 크기는 모스경도계로 알려진 10개의 표준광물과 시험광물을 서로 비교함으로써 구할 수 있다.

모스경도계(모스굳기계)는 가장 부드러운 광물 1번부터 자연계의 가장 단단한 광물을 10번으로 놓은 것이다. 모스경도계 1번은 활석, 2번은 석고, 3번은 방해석, 4번은 형석, 5번은 인회석, 6번은 정장석, 7번은 석영, 8번은 황옥, 9번은 강옥 그리고 10번은 다이아몬드이다. 따라서, 손톱의 경도는 2,5이므로 손톱으로 석고를 긁으면 긁혀지지만 방해석은 긁혀지지 않는다. 모스경도계의 번호는 상대적인 단단함이며, 절대적인 굳기는 전혀 다르다. 예를 들어, 모스경도계 1번인 활석의 절대굳기를 1로 놓는다면 석영의 절대굳기는 100이며, 다이아몬드의 절대굳기는 1,500이다.

석영(石英), quartz SiO₂ 경도 7, 수정 혹은 크리스털이라 한다. <출처: (cc) Didier Descouens(Archaeodontosaurus at wikimedia.org)>

황옥(黃玉), topaz Al₂SiO₄(OH-,F-)₂ 경도 8. 토파즈라고 한다.

규산염광물 – 지구 지각의 90%이상을 차지

규산염광물은 지구 지각의 90%이상을 차지하는 가장 흔한 광물군이다. 모든 규산염광물은 하나의 규소 원자를 네 개의 산소 원자가 둘러싸는 규소-산소 사면체 구조를 갖는다. 독립된 사면체는 광물에 따라 산소 원자를 공유함으로써 사슬구조, 층상구조 또는 3차원 망상구조로 결합한다. 예를 들어, 감람석은 하나의 규소 원자와 네 개의 산소 원자가 결합된 독립사면체 구조를, 휘석은 2개의 독립사면체 구조가 결합되어 공유된 산소 원자에 의해 서로 연결된 단일사슬 구조를, 각섬석은 2개의 단일사슬 구조가 결합되어 공유된 산소 원자에 의해 서로 연결된 이중사슬 구조를, 흑운모와 백운모는 각 사면체의 세 개의 산소원자가 인접한 사면체와 공유되어 층상형태로 연결된 층상 구조를, 그리고 정장석과 석영은 각 사면체가 다른 사면체의 모든 산소 원자를 공유하는 3차원 망상구조를 갖는다.

단일사슬 구조.

이중사슬 구조.

비규산염광물 – 지구 지각의 약 8% 차지

비규산염광물은 지구 지각의 약 8%를 차지한다. 흔히 관찰되는 비규산염광물로는 탄산염 음이온(CO₃^2-)과 결합된 탄산염광물, 황산 음이온(SO₄^2-)과 결합된 황산염광물, 그리고 할로겐 음이온(Cl^1-, F^1-, I^1-, Br^1-)과 결합된 할로겐광물, 산소 음이온(O^2-)과 결합된 산화광물, 그리고 황화 음이온(S^2-)과 결합된 황화광물 등이 있다. 예를 들어, 시멘트의 주요 원료인 석회암 또는 장식용으로 사용되는 대리암의 주 구성성분인 방해석(CaCO₃)은 흔히 관찰되는 탄산염광물이다. 경석고(CaSO₄O)는 황산염광물로, 주로 회반죽에 사용되는데, 이집트의 피라미드 내부에서도 사용된 흔적이 발견된다. 우리가 일상생활에서 사용하는 소금(NaCl)은 염소 음이온(Cl^-)과 나트륨이 결합한 할로겐광물이다.

강옥(鋼玉), corundum Al₂O₃ 경도 9. 루비는 붉은 강옥. 사파이어는 푸른 강옥이다.

금강석(金剛石), diamond C 경도 10.

무기화 되는 광물자원

현대산업사회는 광물자원에 많은 부분을 의존하고 있다. 철, 납, 아연, 구리 등의 금속이 없으면 우리는 가정과 산업에 필요한 기계를 제작할 수 없으며, 시멘트의 원료인 방해석이 없다면 도로를 포장하지 못할 것이다. 그러나 현실적으로 지구에 또는 각 국가에 매장된 광물자원의 양은 무한하지 않으므로, 계속해서 파내어 소모한다면, 언젠가는 고갈될 것이다. 최근 중국이 일본과의 영토분쟁에서 희토류의 수출중단이라는 조치를 통해 일본을 압박한 것처럼, 자원은 점차 무기화될 것으로 판단된다. 중요 광물자원의 대부분을 해외에 의존하고 있는 우리나라로서는 광물자원 확보 및 대체물질 개발, 그리고 광물자원고갈에 어떻게 대처할 것인지? 등에 대한 국가적 고민이 절실히 요구되고 있다.

글 김동희 / 국립중앙과학관 연구사: 충북대학교 과학교육학과를 졸업하고 서울대학교 지질과학과에서 이학박사 학위를 받았다. 미국 오클라호마대학 자연사박물관과 서울대학교 지구환경과학부에서 박사 후 연구원으로 일했으며 지금은 국립중앙과학관 연구사로 일하고 있다. 저·역서로는 [공룡화석은 왜 우리나라에서 많이 발견될까요], [지구], [지구시스템의 이해] 등이 있다.

2011.09.19 퍼옴....