광물의 물리·화학적 성질

하와이의 해변에는 감람석 알갱이가 모여 초록빛으로 빛나는 모래사장이 있다. 보석으로 쓰이는 페리도트도 연두색 감람석이다. 그런데 철이 많은 암석에서 나온 감람석은 같은 이름인데도 짙은 갈색이나 거의 검은색이고, 손에 들면 더 무겁다. 이름이 같은 광물이 왜 색과 무게가 다를까? 그리고 같은 탄소 원자로 된 흑연과 다이아몬드는 왜 한쪽은 연필심이 되고 한쪽은 가장 단단한 보석이 될까?

1.5.1고용체

감람석의 결정 구조는 규소 하나가 산소 넷에 둘러싸인 SiO₄ 사면체가 따로따로 놓이고, 그 사이를 2가 양이온이 채운 모양이다. Mg²⁺과 Fe²⁺은 전하가 같고 이온 반지름도 비슷해서(72 pm와 78 pm), 같은 자리를 서로 바꾸어 채울 수 있다. 그래서 감람석은 마그네슘만 들어간 고토감람석에서 철만 들어간 철감람석까지 어떤 비율로든 섞인 결정을 만든다. 이렇게 결정 구조는 그대로인 채 화학 조성이 연속적으로 변하는 광물을 고용체라 한다.

그림 1에서 철의 비율을 바꾸어 보자. 맨틀의 감람석은 철이 약 10%라 밀도가 약 3.34 g/cm³이고 연두색이다. 철이 절반이면 약 3.8 g/cm³로 무거워지고 갈색이 짙어진다. Fe²⁺은 Mg²⁺보다 원자량이 커서 같은 자리를 채워도 결정이 무거워지고, Fe²⁺의 d 전자가 빛을 흡수해 색을 낸다. 즉 광물의 이름은 결정 구조를, 색과 밀도는 그 자리를 무엇이 채웠는지를 말해 준다.¹

1.5.2다형

같은 화학 조성인데 결정 구조가 다른 광물을 다형이라 한다. 흑연과 다이아몬드는 모두 탄소이다. 흑연에서는 탄소가 평면 위에서 육각형 그물을 이루고, 그 평면들이 약한 분자 사이의 힘으로 겹쳐 있어 쉽게 미끄러진다. 그래서 무르고 종이에 묻어난다. 다이아몬드에서는 탄소마다 이웃 탄소 넷과 정사면체로 공유 결합해 결정 전체가 하나의 그물이 되어 가장 단단하다. 다이아몬드는 지하 150 km보다 깊은 높은 압력에서 만들어진다. 압력이 높으면 원자가 더 빽빽한 구조가 안정해지기 때문이다. 감람석도 맨틀 깊이 410 km와 660 km에서 더 빽빽한 다형으로 바뀌어, 그 깊이에서 지진파 속도가 갑자기 빨라진다.

1.5.3예제 풀이

밀도는 3.22에서 4.39까지 1.17 g/cm³ 범위에서 변한다. \(3.57 - 3.22 = 0.35\)이므로 철의 비율은 \(0.35 \div 1.17 \approx 0.30\)이다. 화학식은 (Mg₀.₇Fe₀.₃)₂SiO₄로, 흔히 Fo₇₀(고토감람석 성분 70%)이라 쓴다.

화학식 하나의 질량은 \(140.7 + (203.8 - 140.7) \times 0.30 \approx 159.6\) g/mol이다. 이 감람석은 맨틀의 감람석(Fo₉₀)보다 철이 많으므로, 마그마가 식는 과정의 나중 단계에서 철이 많아진 마그마로부터 결정이 되었다고 추론할 수 있다. 즉 고용체의 조성은 그 광물이 어떤 마그마에서 언제 만들어졌는지를 기록한다. 그래서 광물의 밀도나 굴절률만 재어도 화학 조성과 생성 조건을 짐작할 수 있다.

아래 탐구 카드에서 여러 광물의 성질을 시험해 가려내고, 그 성질이 화학 조성과 결정 구조에서 어떻게 나오는지 연결해 보자.

1. 감람석이라는 이름은 올리브 열매의 색에서 왔고, 영어 이름 olivine도 같다. 페리도트는 보석으로 쓰이는 투명한 감람석을 부르는 이름이다.