Oxide minerals (산화광물)

산화광물(oxide minerals)은 산소를 음이온의 형태(O^2-)로 포함하고 있으며, 산소가 하나 이상의 금속 이온과 결합된 것을 말합니다. 이 때, 탄산염광물(carbonate, CO₃^2-), 황산염광물(sulfate, SO₄^2-), 규산염광물(silicate, SiO₄^4-) 또한 O^2-를 포함하고 있으나, 이들은 포함되지 않습니다. 산소가 수소 이온(H⁺)과 결합하여 수산화이온(OH^-)을 포함하는 수산화물은 산화광물로 분류됩니다*.

*[참고] 니켈-스트룬츠 분류(Nickel-Strunz classification) 기준

Oxide minerals: 산화광물

 

단순 산화광물은 하나의 금속 또는 준금속 원자와 산소와 결합된 산화광물입니다. 금속(혹은 준금속, M)과 산소(O)와 결합은 산소의 비율에 따라 XO, XO₂, X₂O, X₂O₃ 등으로 나눠질 수 있습니다. 산화광물은 대부분 금속과 산소가 팔면체(octahedron), 사면체(tetrahedron) 등으로 결합되어 있습니다. 이 때, 결정 구조에서 대부분은 이온 결합 (ionic bond)**으로 강하게 결합되어 있습니다. 산화광물은 단순형(simple, 1~4)과 복합형(complex, 5)으로 구분될 수 있습니다. 아래는 각 산화광물에 대한 대표 광물입니다.

**[참고] Chemical bond type (화학결합의 종류)

(1) X₂O compounds

 

적동광(cuprite, Cu₂O)이 가장 중요하며 대표적인 광물입니다.  

 

(2) X₂O₃ compounds

 

X₂O₃ 광물들의 구조는, 산소가 육방조밀 격자(hexagonal close-packed lattice, HCP lattice)에 가까운 모양으로 결합되어 있으며, Al³⁺, Fe³⁺, Ti⁴⁺ 등의 양이온들은 팔면체 내부의 공간을 2/3만큼 차지하고 있습니다 (1/3은 빈 공간으로, 아래의 그림 참조). 강옥군(corundum group) 광물들이 속해있으며, 대표적으로 강옥 (corundum, Al₂O₃), 적철광 (hematite, Fe₂O₃), 티탄철석(ilmenite, FeTiO₃) 등이 있습니다.

Corundum group mineral structure (●: Oxygen, ◯: Aluminum, iron etc., ◉: Vacancy)

 

(3) XO compounds

 

페리클레이스(periclase, MgO)로 대표되는 단순 산화광물입니다. 

 

(4) XO₂ compounds

 

XO₂ 혹은 이산화 광물은 루타일군(혹은 루틸군, rutile group)으로 대표됩니다. 이에 속한 주석광(cassiterite, SnO₂), 연망가니즈광(pyrolusite, MnO₂) 등이 모두 유사한 구조를 가지고 있으며, 아래는 루타일(rutile, TiO₂)의 구조를 나타낸 것입니다.

Rutile group mineral structure (●: Oxygen, ◯: Titanium, Manganese etc.)

 

(5) XY₂O₄ compounds - complex oxide

 

복합 산화광물은 흔히 XY₂O₄의 결정구조를 가지며, 이러한 결정구조를 가진 광물들을 흔히 스피넬군(spinel group)이라 불립니다. 흔히, X(Mg²⁺, Fe²⁺ etc.)는 산소와 사면체 형태로 결합되어 있으며, Y(Al³⁺, Fe³⁺ etc.)는 산소와 팔면체 형태로 결합되어 있습니다. 자철적(Fe₃O₄)의 경우, X₃O₄의 단순 산화광물이 아니라, X는 Fe³⁺가, Y는 Fe²⁺와 Fe³⁺가 차지하고 있는 스피넬군의 광물입니다.

 

일반적인 구조는 산소와 양이온은 입망최밀충전(cubic closest packing, CCP)에 가까운 형태입니다. 보통, XY₂O₄의 구조에서 X는 2+ Y는 3+의 양이온이며 이 양이온은 같은 원소이나 다른 산화수를 가지고 있을 수도 있습니다 (ex. 자철석). X와 Y는 각각 사면체(tetrahedron)와 팔면체(octahedron) 형태로 산소와 결합하고 있습니다 (위의 다른 화합물처럼 모든 공간을 차지하고 있지 않음). 아래는 스피넬군의 광물 중 하나인 아연페라이트(ZnFe₂O₄)의 구조를 나타낸 것입니다.

Zinc ferrite (spinel mineral) structure (●: Oxygen, ◯: X cation, ◉: Y cation)

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Hydroxide minerals: 수산화광물

 

수산화광물(hydroxides)의 구조는 수산기 혹은 물분자와의 결합을 포함하고 있으며, 이에 따라 산화물의 구조에 비해 결합력이 훨씬 약합니다. 또한, 산화광물에 비해 밀도가 낮습니다. 수산화광물은 대부분 풍화(weathering)에 의해서 형성이 됩니다. 많이 발견되는 수산화광물으로는, 수활석(brucite, Mg(OH)₂), 망가나이트(manganite, MnO·OH), 다이어스포어(diaspore, α-AlO·OH), 침철석(α-FeO·OH) 등이 있습니다.

 

[참고문헌]

1. Mineralogy: An introduction to minerals, rocks, and mineral deposits