Sulfide minerals (황화광물)

황화광물(sulfide minerals)은 수많은 비철금속(non-ferrous metal)의 원료이며, 이에 따라 경제적으로 상당히 중요한 광물입니다. 일반적으로 황화광물은 금속(혹은 준금속)이 하나의 황이온(S^2-) 혹은 두 개(S₂^2-)과 결합된 광물을 말합니다. 이들은 공유 결합과 이온 결합으로 결합된 경우가 많으며, 일부 금속 결합도 있습니다*.

 

황과광물에는 다음과 같이 크게, 황화물(sulfide) 황비화물(sulfarsenides), 그리고 황염(sulfosalt)의 형태로 분류될 수 있습니다. 셀렌화물(selenides), 텔루라이드(tellurides) 등 분류법에 따라 황화광물에 포함되는 화합물들이 있으나, 이 글에서는 앞서 정의된 것과 같이  황이온을 포함한 광물을 기준으로 작성하였습니다.

*[참고] Chemical bond type (화학결합의 종류)

Table 1. The subgroup of sulfide minerals

Subgroup			Main characteristic
Sulfide			-
Sulfarsenide			Arsenic replace sulfur**
Sulfosalt			Arsenic replace metal ion

**이 때, 비소는 음이온(anion)

Sulfide & sulfarsenide minerals: 황화광물 & 황비화광물

 

(1) Sulfide minerals

 

황화광물의 조성은 X_aS_b로 표현될 수 있으며, 흔히 X₂S, XS, X₃S₄, XS₂ 등의 조성 비율로 발견됩니다. 황화광물에서 황과 결합하는 금속 원소로는 철, 구리, 니켈, 납, 코발트, 은, 아연 등이 있습니다. 산화광물***과 비슷한 결정 구조들이 발견이 되며, 아래는 일부 황화광물의 구조입니다.

***[참고] Oxide minerals (산화광물)

 

·염화나트륨형 구조(Sodium chloride structure): AB형 화합물의 결정 구조 중 하나로, 대표적으로 방연석(galena, PbS)이 있음. 구조적으로 황철석(pyrite, FeS₂) 또한 유사함.

·섬아연석형 구조(Sphalerite structure): 금속 이온이 황과 사면체(tetrahedron) 형태로 결합되어 있으며, 사면체는 모든 모서리를 공유합니다. 섬아연석(sphalerite, ZnS)이 대표적이며, 황동철석(chalcopyrite, CuFeS₂) 등이 유사한 구조를 가짐.

structure of (i) sphalerite and (ii) chalcopyrite (●: Sulfur, ◯: Zinc, Iron, ◉: Copper)

 

·층상구조(Layered structure): 황화광물에서 많이 발견되는 구조는 아니나, 휘수연석(molybdenite, MoS₂), 동람(covellite, CuS)이 대표적으로 층상구조로 결합. 필로실리케이트(phyllosilicate)와 같이 층과 층사이의 결합이 상대적으로 약함.

Molybdenite structure (●: Sulfur, ◯: Molybdenium)

 

(2) Sulfarsenide minerals

 

황비화물의 화학조성을 봤을 때는 황염물과 유사하나 그 구조는 완전히 다릅니다. 이는, 황염 광물은 비소가 황화광물 내의 금속 이온을 치환한 반면 황화광물에서 황이 비소로 치환된 형태이기 때문입니다 (황비화물은 비소를 대신해 안티모니 혹은 비스무로 치환된 경우도 포함). 대표적으로 황비철광군(arsenopyrite group)과 휘코발트광군(cobaltite group)이 있습니다.

 

·황비철광군(Arsenopyrite group): 황비철석(arsenopyrite, FeAsS), 글라코도트(glaucodot, (Co,Fe)AsS) 등

·휘코발트광군(Cobaltite group): 휘코발트석(cobaltite, CoAsS), 게르스도르파이트(gersdorffite, NiAsS) 등

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Sulfosalt minerals: 황염광물

 

황염 광물(sulfosalt minerals)은 단순 황화물 혹은 황비화물과는 확연히 구분되는 광물입니다. 일반적으로, X_aY_bS_c**로 표시할 수 있으며, 이 때, X는 금속 혹은 준금속 (Ag, Cu, Pb etc.), Y는 비소(As, arsenic) 혹은 안티모니(Sb, antimony)에 해당합니다. 황비화광물에서 비소와 안티모니는 구조 내의 황을 일부 대체하는 반면, 황염 광물 내에서 비소와 안티모니는 금속의 자리를 대체하여 차지하고 있습니다. 대표적인 광물로, 황비동광(enargite, Cu₃AsS₄), 농홍은석(pyrargyrite, Ag₃SbS₃) 등이 있습니다.

**해당 원소가 구성하는 비율에 따라서 한번 더 분류될 수 있음

Enargite (X3YS4 type mineral) structure (●: Sulfur, ◯: Copper, ◉: Arsenic)

 

[참고문헌]

1. Manual of mineralogy

2. Sulfide mineralogy and geochemistry