Silicate minerals (규산염광물)

규산염광물(silicate minerals)은 지각의 약 90% 이상을 구성하고 있는 매우 중요한 광물입니다. 이들은 규소(Si)와 산소(O)로 이루어진 광물이며, 기본적으로 Si가 4개의 O에 둘러싸여 형성된 SiO₄ 사면체(tetrahedron)를 기본으로 구성된 광물입니다. 앞서 언급되었듯, 4개의 O^2- 이온들은 하나의 Si⁴⁺를 중심으로 결합됨으로써 사면체를 이루고, 각각의 사면체들은 하나의 O^2- 이온을 공유함으로써 연결되어 복잡한 형태를 구성합니다. 이 사면체들이 연결된 형태에 따라 규산염광물을 아래와 같이 분류합니다.

 

Table 1. The classification of silicate minerals (Main group)

Main group			Main structure (Chemical formula)
Neosilicates (독립사면체형규산염)			Isolated silicon tetrahedra (SiO4)4-
Sorosilicates (복사면체형규산염)			Double tetrahedra (Si2O7)6-
Cyclosilicates (환형규산염)			Rings (Si6O18)12-
Inosilicate (쇄상규산염)			Single (SiO3)2- or double chain (Si4O11)6-
Phyllosilicates (층상규산염)			Sheet (Si2O5)2-
Tectosilicates (망상규산염)			3D Framework (SiO2)0

 

Nesosilicate & sorosilicate minerals: 독립사면체 & 복사면체형규산염 광물

 

(1) Nesosilicate minerals

 

독립사면체형규산염 광물(nesosilicate 혹은 orthosilicate minerals)은 SiO₄ 사면체가 독립적으로 떨어진 채로 존재하는 광물들입니다. 대표적인 광물로, 감람석(olivine, (Mg,Fe)₂SiO₄)과 석류석(garnet) 등이 있습니다.

 

(2) Sorosilicate minerals

 

복사면체형규산염 광물(sorosilicate 혹은 disilicate minerals)은 SiO₄ 사면체 두개가 하나의 꼭지점을 공유한 채 결합된 형태로 존재하는 광물들입니다. 대표적인 광물로 녹렴석(epidote)이 있습니다.

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Cyclosilicate minerals: 환형규산염 광물

 

환형규산염 광물(cyclosilicate 혹은 ring silicate minerals)은 3-6개 (혹은 그 이상)의 SiO₄ 사면체가 원형에 가까운 형태로 배열된 구조를 가지고 있습니다. 이에 따라, 각각의 환형규산염의 기본 구조단위는 Si₃O₉^6-, Si₄O₁₂^8-, Si₆O₁₈^12-등이 될 수 있습니다. 여러 종류의 환형규산염 광물 중 육각환형규산염 광물이 가장 흔하게 존재하며, 대표적으로 전기석(tourmaline)이 있습니다.

 

아래는 (i) 삼각환형, (ii) 사각환형, (iii) 육각환형규산염 광물의 기본 구조단위를 나타낸 것입니다.

(i) 3-member, (ii) 4-member, and (iii) 6-member cyclosilicates minerals (from left to right) (●: Oxygen)

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Inosilicate minerals: 쇄상규산염 광물

 

쇄상규산염 광물(inosilicate 혹은 chain silicate minerals)은 하나의 SiO₄ 사면체가 꼭지점을 다른 두 개 내지 세개의 사면체와 공유함으로써 긴 사슬을 형성하는 구조를 가지고 있으며 (사슬이 한 방향으로 길게 늘어진 형태로 다른 사슬과 평행함), 2개의 꼭지점을 공유하는 경우 (i) 단쇄상규산염 혹은 3개를 공유하는 경우 (ii) 복쇄상규산염으로 분류됩니다.

 

(1) Single chain inosilicate

 

단쇄상규산염 광물의 구조를 이루는 가장 기본적인 구조단위는 SiO₃^2- 혹은 Si₂O₆^4-입니다 (Si와 O가 이루는 비율은 1:3). 휘석(pyroxene) 그룹의 광물들이 이에 포함됩니다. 사면체의 Si⁴⁺을 Al³⁺가 치환된 경우도 있습니다. 아래는 단쇄상규산염 광물인 휘석으로, 사면체가 가장 이상적으로(바르게) 정렬되어 있는 구조이나, 표시된 공간에 들어가는 양이온의 종류에 따라 축이 뒤틀릴 수 있습니다.

 

앞서 언급되었던 두 공간, 팔면체(octahedron, M1)와 그 외의 공간(M2)은 다음의 특징이 있으며, 표시된 양이온이 포함될 수 있습니다.

 

·M1: 공간이 비교적 작으며, Mg²⁺, Fe²⁺와 같은 이온을 포함할 수 있음. 6개의 산소와 결합.

·M2: 공간이 상대적으로 넓으며, Ca²⁺, Na⁺와 같이 큰 이온을 포함할 수 있으며 큰 이온이 포함되는 경우 구조가 뒤틀릴 수 있음. 6-8개의 산소와 결합.

 

완화휘석(enstatite, Mg₂(Si₂O₆)), 투휘석(diopside, CaMg(Si₂O₆)), 스포듀민(spodumene, LiAlSi₂O₆), 규공작석(chrysocolla, (Cu,Al)(SiO₃)·nH₂O) 등이 있습니다.

Single chain innosilicates (pyroxene) (●: Oxygen, ◯: Calcium, Sodium etc., ◉: Magnesium, Iron etc.)

 

(2) Double chain inosilicate

 

복쇄상규산염 광물은 두개의 체인이 평형한 채 결합되어있으며, 가장 기본적인 구조단위는 Si₄O₁₁^6-입니다 (Si와 O가 이루는 비율은 4:11). 각섬석(amphibole) 그룹의 광물들이 이 구조를 가집니다. 두개의 인접한 사슬에 포함된 사면체가 하나의 산소를 추가적으로 공유함으로써 결합된 형태입니다. 이를 위의 단쇄상규산염 광물의 구조와 비교하여 보시면, 쉽게 그 차이점을 파악할 수 있을 것입니다.

 

양이온이 포함될 수 있는 공간은 M1, M2, M3, M4 그리고 A가 있으며, 각각에 대한 특징은 아래와 같습니다.

 

·M1, M2, M3: Mg²⁺, Fe²⁺, Al³⁺ 등의 양이온을 포함. M1과 M3에 위치한 팔면체(octahedron)은 4개의 산소와 2개의 수산화 이온과 결합되어 있으며, M2에 위치한 팔면체는 6개의 산소와 결합되어 있음.

·M4: Li⁺, Ca²⁺, Fe²⁺, Mn²⁺ 등의 양이온을 포함. 6-8개의 산소와 결합되어 있음.

·A: 공간 가장 넓으며, 크기가 큰 알칼리 이온(Na²⁺, K⁺)을 포함하며 10-12 개의 산소와 수산화 이온과 결합되어 있음. 이 공간은 전기적 중성을 유지하는데 필요한 범위 내에서 채워지기에 공간이 완전히 채워져있지는 않음.

 

Double chain innosilicates (●: Oxygen, ◯: Calcium, Manganese etc., ◉ & ◑: Magnesium, Aluminum, Iron etc., ⨂: Calcium, Sodium)

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Phyllosilicate minerals: 층상규산염 광물

 

층상규산염 광물(phyllosilicate 혹은 layered sheet silicate minerals)은 SiO₄ 사면체가 두 방향으로 무한히 연결되어 있는 구조를 가지고 있습니다. 이들이 구성한 판을 (i) 사면체 판(tetrahedral layer)이라하며 T 층(T layer)이라고도 부릅니다. T 층의 위 혹은 아래에는 팔면체(octahedron)로 구성된 (ii) 팔면체 판(octahedral layer, O layer)가 평형하게 이어져 있으며, 각각의 팔면체는 사면체와 산소(O)와 수산화기(OH^-, hydroxyl)를 공유함으로서 결합되어 있습니다. 대표적으로 사면체와 팔면체에 포함될 수 있는 양이온은 각각 아래와 같습니다.

(i) tetrahedral layer and (ii) octahedral layer (●: Oxygen or hydroxyl ion, ◯: Aluminum, Mgnesium etc.)

·사면체(tetrahedron): Si⁴⁺, Al³⁺, Fe³⁺ etc.

·팔면체(octahedron): Al³⁺, Fe³⁺, Mg²⁺, Fe²⁺ etc.

 

결정 격자 내에서, Si⁴⁺ ↔ Al³⁺ (tetrahedral sheet),  Al³⁺ ↔ Mg²⁺(octahedral sheet)와 같은 동형치환이 발생하며, 이와 같이 높은 원자가에서 낮은 원자가 이온으로 치환되는 경우 해당 층은 전기적 중성을 잃고 음전하를 띄게 됩니다. 결과적으로, 이러한 전기적 균형은 O^2- 이온을 OH^-로 치환됨으로써 맞추게 됩니다. 또한, 팔면체의 경우 중심에 있는 양이온이 2가 이온인 경우 삼팔면체층(trioctahedral sheet)을, 3가 이온인 경우 이팔면체층(dioctahedral sheet)을 구성하게 됩니다.

 

앞서 언급되었듯이, 층상규산염 광물은 T 층과 O 층의 결합으로 이루어져 있으며, 결합된 층(TO layer 혹은 TOT layer) 사이는 Van der Waals interaction(반데르발스 인력)으로 결합되어 있습니다. 이들의 결합 구조(비율)에 따라 크게 TO (1:1), TOT (2:1)로 양분될 수 있습니다.

 

(1) TO layer (1:1 layer structure)

 

T 층과 O 층이 결합된 2층의 구조가 반복되어 나타나는 층상규산염입니다 (-TOTOTOTO-).

 

대표적인 광물로 이팔면체층을 가진 카올린 그룹(kaolin group)의 카올리나이트(kaolinite), 할로이사이트(halloysite)가 있으며, 삼팔면체층을 가진 사문석 그룹(serpentine group)의 안티고라이트(antigorite), 리자다이트(lizardite)가 있습니다.

 

(2) TOT layer (2:1 layer structure)

 

O 층이 두개의 T 층 사이에 끼워져 있는 (샌드위치같은 형태의) 구조입니다 (-TOTTOTTOTTOT-). 단순히 3층의 구조가 반복되는 형태 이외에도,  내부층위(interlayer)에 양이온 혹은 O 층이 존재하는 경우(후자의 경우 2:1:1 layer structure로 불리기도 함)가 있습니다.

 

TOT structure phyllosilicate mineral (●: Oxygen, ◯: Aluminum, Mgnesium etc., ◉: Hydroxyl ion)

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Tectosilicate minerals: 망상규산염 광물

 

망상규산염 광물은 SiO₄ 사면체의 모든 산소가 규소와 연결되어 있는 구조입니다. 이에 따라, 사면체들은 3차원 구조로 배열되어 있습니다. 망상규산염 광물에는 대표적으로 석영(quartz, SiO₂)이 있으며 Si가 Al로 치환된 장석(feldspar)이 있습니다. 장석의 경우, Si⁴⁺가 Al³⁺로 치환되었기 때문에, 전기적 중성을 유지하기 위하여 빈 공간에 양이온 (K⁺, Na⁺, Ca²⁺ 등)이 포함됩니다.

 

아래는 (i) 석영과 (ii) 장석의 구조입니다.

Tectosilicate minerals: (i) quartz and (ii) feldspar (●: Oxygen, ◯: Potassium etc.)

 

[참고문헌]

1. Soil mineralogy with environmental applications

2. Manual of mineralogy

3. Structure and mineralogy of clay minerals