광물(Mineral)의 특성, 결정 구조, 분류 - 지질학 개론 (2)

광물(Mineral) 특정 화학적 조성과 결정 구조를 지닌 자연적으로 발생하는 무기 물질입니다. 이들은 암석의 구성 요소이며 다양한 지질 과정에서 필수적인 역할을 합니다. 오늘은 지질학 개론 두 번째 시간으로 미네랄에 대해 자세히 알아보겠습니다.

광물(Mineral)

 

 

[ 목차 ]

1. 광물의 화학적 특성

2. 광물의 물리적 특성

3. 결정 구조

4. 광물의 분류

5. 발생 및 용도

 

 

1. 광물의 화학적 특성

광물의 화학적 특성은 광물 구성, 거동 및 다른 물질과의 상호 작용을 정의하는 데 필요한 기본 특성입니다. 이러한 특성을 이해하는 것은 광물을 식별하고 분류하는 것뿐만 아니라 광물의 형성, 안정성 및 반응성을 연구하는 데에도 중요합니다.

 

1.1. 화학 성분

광물의 화학적 조성은 그 구조를 구성하는 화학원소의 종류와 비율을 말합니다. 광물은 일반적으로 특정 비율로 결합된 원자로 구성되어 화합물을 형성합니다. 각 광물은 그 구성을 반영하는 고유한 화학 공식을 가지고 있는데, 예를 들어 석영(SiO2)은 규소와 산소 원자가 1:2 비율로 구성되어 있는 반면, 방해석(CaCO3)은 칼슘, 탄소, 산소 원자가 1:1:3 비율로 포함되어 있습니다. 화학 성분의 변화로 인해 광물 종과 종류가 달라질 수도 있는데, 예를 들어 석류석(Garnet)은 자연에서 다양한 종류로 산출되며, 각 종류는 존재하는 특정 원소에 따라 화학적 조성이 조금씩 다릅니다.

 

1.2. 화학 결합

화학 결합은 광물 구조 내에서 원자를 함께 유지하고 안정성과 물리적 특성을 결정합니다. 가장 일반적인 유형의 화학 결합은 다음과 같습니다.

• 이온 결합: 안정적인 전자 구성을 달성하기 위해 원자가 전자를 전달할 때 형성됩니다. 이온 결합은 할로겐화물 및 황화물과 같은 비금속 음이온에 금속 양이온이 결합된 광물에서 흔히 발생합니다.
• 공유 결합: 안정적인 전자 구성을 달성하기 위해 원자가 전자를 공유할 때 형성됩니다. 공유결합은 결합력이 강하며 다이아몬드와 같이 전자쌍을 공유하여 원자가 서로 결합된 광물에서 흔히 발견됩니다.
• 금속 결합: 금속 및 합금에서 발견되는 금속 결합은 격자 구조 내의 금속 원자 간에 전자를 공유하는 결합입니다.
• 반 데르 발스 결합(Van der Waals Forces): 일시적인 쌍극자로 인해 원자나 분자 사이의 약한 인력으로 인한 결합으로 흑연과 같은 일부 광물의 층상 구조를 형성합니다.

 

1.3. 이온 교환 및 치환

광물은 광물 구조 내의 이온이 다른 원소의 이온으로 대체되는 이온 교환 또는 치환을 겪을 수 있습니다. 이 과정은 광물의 화학적 구성과 특성을 변경할 수 있습니다. 예를 들어, 감람석((Mg,Fe)2SiO4)에서는 마그네슘(Mg) 이온이 부분적으로 철(Fe) 이온으로 대체되어 마그네슘이 풍부한 감람석부터 철이 풍부한 감람석까지 조성이 다양합니다.

 

1.4. 용해도 및 반응성

광물의 용해도는 물이나 다른 용매에 용해되는 능력을 말합니다. 미네랄은 산, 염기 또는 기타 화학물질과 다양한 정도의 반응성을 나타낼 수 있습니다. 예를 들어, 방해석(CaCO3)과 같은 탄산염 광물은 묽은 염산(HCl)에 노출되면 용해 반응이 일어나면서 이산화탄소 가스 방출로 인해 거품이 나납니다.

 

1.5. 안정성과 풍화

광물의 화학적 안정성은 온도, 압력, 습기 및 화학 물질과 같은 환경 조건에 노출될 때 풍화 및 변형에 대한 정도를 결정합니다. 일부 광물은 다른 광물보다 풍화 및 침식에 더 강한데, 예를 들어 석영은 풍화에 매우 강하고 다양한 환경 조건에서 안정성을 유지하는 반면, 장석과 같은 광물은 화학적 변화를 일으키기 쉽습니다.

 

 

2. 광물의 물리적 특성

광물의 물리적 특성은 한 광물을 다른 광물과 식별하고 구별하는 데 사용할 수 있는 관찰 가능한 특성입니다. 이러한 특성은 광물의 구성, 결정 구조 및 원자 배열에 따라 결정됩니다.

 

2.1. 색상

색상은 광물의 가장 명확하고 쉽게 식별할 수 있는 물리적 특성 중 하나입니다. 그러나 많은 광물이 불순물이나 화학적 조성의 변화로 인해 다양한 색상으로 나타날 수 있기 때문에 색상만 가지고 광물을 식별하기는 어렵습니다.

 

2.2. 광택

광택이란 광물이 빛을 반사하는 특성을 말하며 금속성, 유리질(유리질), 진주질, 실크질, 무광택 등으로 분류됩니다. 금속광물은 금속처럼 빛나는 외관을 가지고 있는 반면, 비금속광물은 그 구성성분과 결정구조에 따라 유리질, 밀랍질, 탁한 표면을 가질 수 있습니다.

 

2.3. 경도

경도는 광물의 긁힘에 대한 강도를 나타내는 척도이며 화학적 결합의 강도와 원자 배열에 따라 결정됩니다. 1(가장 부드러움)부터 10(가장 단단함)까지의 모스 경도 등급은 일반적으로 긁힘 저항성을 기준으로 광물의 순위를 매기는 데 사용됩니다. 예를 들어 활석의 모스 경도는 1이고 다이아몬드의 경도는 10입니다.

 

2.4. 벽개와 단구

벽개는 광물이 약한 면을 따라 부서져 매끄럽고 평평한 표면을 생성하는 경향입니다. 광물은 결정 구조에 따라 1개, 2개, 3개 또는 그 이상의 벽개면을 나타낼 수 있습니다. 단구란 광물이 분열을 나타내지 않을 때 부서지는 방식을 말합니다. 일반적인 유형의 단구에는 콘코이드형(곡선 및 유리형), 고르지 않은 단구 및 섬유상 단구가 있습니다.

 

2.5. 밀도와 비중

밀도는 광물의 단위 부피당 질량을 말하며 일반적으로 입방센티미터당 그램(g/cm3)으로 표시됩니다. 이는 광물의 화학적 조성과 원자의 배열에 의해 영향을 받습니다. 비중은 4도씨에서 물의 밀도에 대한 광물의 밀도의 비율로 상대적인 무게를 측정합니다. 비중이 1보다 큰 광물은 물에 가라앉고, 비중이 1보다 작은 광물은 뜨게 됩니다.

 

 

3. 결정 구조

광물의 결정 구조는 결정 격자 내 원자 또는 이온의 3차원 배열을 의미합니다. 이는 모양, 분열, 경도 및 광학적 거동을 포함하여 광물의 물리적, 화학적 특성을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다.

 

3.1. 원자 배열

광물은 결정 격자라고 알려진 반복되는 기하학적 패턴으로 배열된 원자 또는 이온으로 구성됩니다. 격자 내의 원자 배열은 인접한 원자 사이의 인력과 척력에 의해 결정되며, 이는 화학적 결합과 전자 구성의 영향을 받습니다. 광물의 가장 일반적인 결정 구조 유형에는 격자의 대칭성과 축 사이의 각도에 따라 입방정계, 정방정계, 사방정계, 육각형, 단사정계 및 삼사정계가 포함됩니다.

 

3.2. 단위 격자

결정격자의 기본 반복단위를 단위 격자라 부르는데, 이는 3차원적으로 반복될 때 전체 결정구조를 생성하는 격자의 가장 작은 부분을 의미한다. 단위 격자는 모서리의 길이(a, b, c)와 모서리 사이의 각도(α, β, γ)를 포함한 격자 매개변수로 정의됩니다. 이러한 매개변수는 결정 격자의 전체 모양과 대칭을 결정합니다.

 

3.3. 결정 성장 및 형태

광물의 결정 구조는 성장과 형태에 영향을 미치며, 용융 상태에서 결정화되거나 용액에서 침전될 때 나타나는 모양과 형태를 결정합니다. 면, 모서리, 꼭지점 등의 성장 패턴은 결정 격자의 방향과 대칭에 따라 결정됩니다. 온도, 압력, 화학적 조성과 같은 외부 요인도 결정 성장과 형태에 영향을 미칠 수 있습니다.

 

3.4. 물리적 특성

광물의 결정 구조는 벽개, 경도, 밀도 및 광학적 거동을 포함한 물리적 특성에 깊은 영향을 미칩니다. 광물이 약한 면을 따라 부서지는 경향인 벽개는 결정 격자 내의 원자 배열에 의해 결정됩니다. 강한 벽개면을 가진 광물은 깨졌을 때 매끄럽고 평평한 표면을 나타냅니다. 경도는 화학 결합의 강도와 결정 격자 내 원자 배열의 영향을 받습니다. 촘촘하게 채워진 원자와 강한 결합을 가진 광물은 더 단단하고 긁힘에 더 강한 경향이 있습니다.

 

 

4. 광물의 분류

광물의 분류는 자연에서 발견되는 광범위한 광물을 체계적으로 정리하고 분류하는 방법입니다. 광물은 화학 성분, 결정 구조, 물리적 특성, 지질학적 발생 등 다양한 기준에 따라 분류됩니다.

 

4.1. 화학 성분에 따른 분류

광물은 구조에 존재하는 원소의 종류와 비율을 나타내는 화학적 조성에 따라 분류되는 경우가 많습니다. 가장 일반적인 화학 그룹은 다음과 같습니다.

• 규산염: 주로 규소(Si)와 산소(O)로 구성된 광물이며, 알루미늄(Al), 철(Fe), 마그네슘(Mg), 칼륨(K) 등의 다른 원소도 존재합니다. 규산염은 지각에서 가장 풍부한 광물 그룹이며 석영, 장석 및 운모를 포함합니다.
• 탄산염: 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 철(Fe) 등의 금속 양이온이 결합된 탄산 이온(CO3^2-)을 함유한 광물이며, 방해석(CaCO3)과 백운석(CaMg(CO3)2)이 있습니다.
• 황화물: 황화물 이온(S^2-)이 결합된 금속 양이온으로 구성된 광물이며, 일반적인 황화물 광물에는 황철석(FeS2), 방연석(PbS) 및 섬아연석(ZnS)이 포함됩니다.
• 산화물: 금속 양이온에 결합된 산소 원자를 포함하는 광물이며, 예로는 적철광(Fe2O3), 자철광(Fe3O4) 및 금홍석(TiO2)이 있습니다.
• 황산염: 황산이온(SO4^2-)이 금속 양이온과 결합하여 구성된 광물이며, 석고(CaSO4·2H2O)와 중정석(BaSO4)은 황산염이  있습니다.

 

4.2. 결정 구조에 따른 분류

광물은 결정 구조, 즉 결정 격자 내 원자 또는 이온의 배열을 기준으로 분류할 수도 있습니다. 일반적인 결정 시스템에는 입방정계, 정방정계, 사방정계, 육각형, 단사정계 및 삼사정계가 포함됩니다. 국제광물학협회(IMA)는 각각 고유한 결정 구조와 특성을 지닌 4,000종 이상의 광물이 등록되어 있습니다.

 

4.3. 물리적 특성에 따른 분류

광물은 경도, 벽개, 광택, 비중 등의 물리적 성질에 따라 분류할 수 있습니다. 예를 들어, 모스 경도 척도는 긁힘 저항성을 기준으로 광물의 등급을 1(가장 부드러움)부터 10(가장 단단함)까지 매깁니다. 벽개는 광물이 결정 구조 내에서 약한 면을 따라 부서지는 방식을 의미합니다. 광물은 특정 평면을 따른 벽개 특성에 따라 완벽하거나 양호하거나 불량한 벽개를 나타낼 수 있습니다. 광택은 미네랄이 빛을 반사하는 방식을 나타내며 금속성, 유리질(유리질), 진주빛, 탁함 또는 부드러운 광택을 낼 수 있습니다.

 

4.4. 지질학적 발생에 따른 분류

광물은 지질학적 발생과 연관성에 따라 분류될 수 있습니다. 이들은 용융된 암석(마그마) 또는 용액(화성 및 열수 광물)에서 직접 결정화되는 1차 광물과, 퇴적 및 변성 광물과 같이 기존 광물의 변경 또는 풍화를 통해 형성되는 2차 광물로 분류될 수 있습니다. 또한 발생 형태에 따라 정맥광물, 페그마타이트광물, 사금광물 등으로 분류될 수도 있습니다.