2014년 1월 13일 월요일

광물의 특성 - 결정

광물은 결정(Crystal)을 이룬다

광물의 정의에서 광물은 원자배열이 규칙적으로 이루어진 고체라고 하였다. 원자배열이 규칙적으로 이뤄진다는 것은 결정화(crystallization) 됨을 의미하는데, 광물의 가장 중요한 특징이 바로 결정(crystal)이다.

pyrite,China (LC)
본인의 광물 수집품을 처음 접한 분들은 결정의 다양함과 아름다운 색상에 놀라워하고 자연의 예술에 감탄들 하신다.

정육각형의 노란, 표면이 거울처럼 매끈한 황철광(pyrite: FeS2)을 보면 금이 아닌지, 또 인위적으로 깍고 연마하고 광택을 낸 것이 아닌가하고 의구심을 갖고 조심스레 질문을 하는 경우가 많았다. 그래서 인지 황철광은 별칭으로 fool' gold라 불리우기도 한다.

결정은 엄연히 자연이 빚은 예술품이다.

이것이 수집가들의 수집 열정을 불러 일으키는 주요 요소다. 그러나 결정이 진행되는 과정은 복합적인 물리, 화학요소들이 얽힌 복잡한 현상이라 간단히 쉽게 설명하기란 대단히 어렵다.
결정의 개념을 이해하기 위해 기체, 액체, 고체 상태를 비교해 보자. 분자 활동이 자유로운 것이 기체, 특히 온도가 높으면 분자 활동이 더 활발하게 된다. 반대로 온도가 내려가면 점점 분자 활동이 제한되는 상태가 되는 데 이상태가 액체 상태다.

상온에서 산소나 질소등 기체도 극단적으로 온도를 내리면 (액화점) 액체 상태가 된다.
(질소는 -196c,  산소는  -183c 에서 청색의 액체)

제한된 조건에서 분자 활동이 일어나는 액체 상태에서 즉 용해된 액체 상태에서 온도가 서서히 내려가면 임계 포화상태에서 용해되어 있던 물질의 결정핵이 생기고 이 결정핵에 원자가 계속 붙게되어 점점 결정이 성장하게 된다.

이게 액상에서 고체상으로 변화되는 과정인 데 광물 마다 특징적인 결정 형태를 갖고 있다. 유년 시절 확대경으로 눈을 관찰했을 때 예쁘고 다양한 형태의 결정을 본 적이 있을 것이다. (얼음도 결정이다.)

결정이란 "구성 원자나,이온들이  3차원적으로 규칙적으로 배열되어 있는 내부적 규칙성이 외부적으로 나타난 다면체" 이다.

광물은 대체적으로 구성 원자들이 규칙적으로 배열된 결정질(crystalline)로 산출된다.

옆 이미지는 황철광(FeS2)의 결정 이미지로 Fe원자와 유황(S)원자가 입체적으로 규칙성을 갖고 배열하여 위 사진의 황철광의 cubic 형 결정으로 보이게 된다

광물만 결정질(Crystaline)로 되는 것이 아니라 아스피린, 설탕, 화학 제품, 금속 등도 결정질로 되어 있다.

반면 몇몇 광물은 원자 배열이 불규칙적으로 배열된 비정질(Amorphous)로 산출되는 경우도 있다.

단백석(opal)은 비정질이다. 반도체 제조 과정에서 amorphous silicone ,poly silicone용어가 많이 등장하는 데 비정질 ,다 결정 silicone 이라는 동일한 물질이지만 비정질이냐 결정질이냐에 따라 물리적,화학적 특성이 다르게 되는 점을 이용하는 것이다.

일반 창호 유리는 비정질이나,이것을 고온에서 열처리하면 원자가 재 배열하여 어느정도 규칙성을 갖게 되어 충격시 둥근 구슬같은 일정 패턴으로 파쇄되는 강화 안전 유리가 된다. 값비싼 crystal 도 납등을 넣어 결정화 시킨 것이다.

결정의 성장은 원자배열이 입체적으로 지속되는 것을  의미하는 데, 원자를 하나의 공으로  가정하여 공이 지속적으로 입체적(X,Y,Z방향)으로 쌓이게 되면 외부적으로 면으로 나타나고 그 면이 타방향의 면과 만나게 된 것이 능(edge)이고 ,각 방향의  3능이 만난점이 우각(corner)이다.

면(face),능(edge),우각(corner) 이 이뤄내는 규칙성에 따라  기본적인 결정형으로 구분할 수 있고 등축정계(cubic), 정방정계(Tetragonal), 사방정계(Orthohombic), 육방정계(Hexagonal), 단사정계(Monoclinic), 삼사정계(Triclinic), 능면체계(Rhombohedral)로 구분되고 광물 마다 일정한 결정형을 갖는 특성이 있다.

이러한 기본 결정형은 능(edge)과 각(corner)이 이루는 조건에 따라 분류됐지만, 면이 이루는 대칭 조건에 따라 각 정계(system)는 다시 여러 정족(class)으로 분류되어 32정족을 기본으로 한다. 예로서 등축정계(cubic system)는 육면체(cube), 팔면체(octahedron), 능십이면체(dodecahedron), 사륙면체(tetrahexahedron), 등축편방체(trapezohedron), 삼팔면체(trisoctahedron) 등으로 세분화 된다.

그러나, 아래 사진 처럼 단 결정으로 결정의 이상적인 형태로 나타나는 것은 드물고, 대개는 결정들의 집합체로 나타나는데, 몇가지 특유한 형태로 나타난다.
Rhodochrocite - MnCO3 (SC)
침상(accicular)이나, 포도상(botroidal), 방사상(radiated), 수지상(denritic), 꽃모양(rosset), 엽편상 형태 등이다.

messolite, India (C)
orpiment, As2S3, Russia (SC)

wavellite, USA (C)
rhodochrocite, China (S)

사진 속 표본의 실제 크기: S (~5cm), SC (5~10cm), C (10~20cm), LC (20cm ~)

[참고 자료]
- Dana's Text Book of Mineralogy
- Prehistoric Art
- 광물학 원론(김수진)
- 보석광물의 세계

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