방해석

방해석(calcite)은 탄산 칼슘(CaCO₃)의 다형체(polymorph) 중 가장 안정한 구조이며 광물의 긁힘 정도를 비교하는 모스 척도(Mohs scale) 값이 3으로 비교적 무르다. 탄산 칼슘의 다른 다형체로서는 선석이라고도 불리는 아라고나이트(aragonite)와 바테라이트(vaterite)가 있으며, 이들을 300℃ 이상의 온도에서 수일 동안 가열하면 방해석으로 변한다.

방해석의 어원은 19세기 독일어 ‘calcit’에서 파생된 것으로서 석회를 뜻하는 라틴어 ‘calx’와 광물을 의미하는 접미사 ‘-ite’가 결합한 형태로서, 어원 면에서 분필(chalk)과 연관 있다. 방해석은 예로부터 다양한 조형물을 조각하는 재료로 쓰였으며 토양 정화제, 안정제 및 콘크리트 구조물 보수에 사용된다. 또한, 투명한 형태의 방해석 결정은 광학용 재료로도 사용된다.

꽃 모양의 방해석 결정()

목차

방해석의 비중은 2.71이며 유리 형태로 결정화된다. 방해석 광물의 색깔은 투명하거나 흰색이나, 광물에 포함된 불순물 금속 이온의 종류와 농도에 따라 노란색, 빨간색, 녹색, 보라색 및 검은색 등 다양한 색깔을 나타내기도 한다. 불순물이 포함된 방해석은 때때로 인광(phosphorescence)이나 형광(fluorescence) 특성이 있다. 방해석은 X선 회절 분석법으로 구조가 결정된 최초의 광물 중 하나로 육방정계 결정 족(hexagonal crystal family)에 속하는 삼방정계(trigonal system)로 결정화된다. 삼각평면 구조의 탄산염 음이온(CO₃^2-)과 팔면체 배위를 하는 칼슘 양이온 사이에 이온 결합으로 연결되어 있다.

방해석의 결정 구조()

단결정 형태의 방해석은 독특한 광학적 성질인 복굴절(birefringence)을 나타낸다. 복굴절 현상을 일으키는 투명한 방해석은 결정을 통해 보이는 물체를 두 배로 크게 보이게 한다. 이 효과는 1669년 덴마크 과학자 바르톨린(R. Bartholin)에 의해 처음으로 발견되었는데, 방해석은 약 590 nm의 단파장에서 1.658의 정상 굴절률(ordinary refractive index)과 1.486의 비정상 굴절률(extraordinary refractive index)을 갖는다.

445 nm 레이저 빔에 대해 복굴절 현상을 보이는 방해석 결정()

대부분의 다른 탄산염과 마찬가지로 방해석은 아래 반응식과 같이 산에 녹는다.

CaCO₃(s) + 2H⁺(aq) → Ca²⁺(aq) + H₂O(l) + CO₂(g)

묽은 염산을 방해석 시료에 한 방울 떨어뜨리면 특징적인 이산화 탄소 기포를 생성한다.

자연에서 방해석이 관여하는 화학 반응에 의해 지표 구조의 변화를 일으킬 수 있다. 주위 환경에 따라 대기로부터 용해된 이산화 탄소의 양이 증가하면, 방해석은 중탄산 칼슘(Ca(HCO₃)₂)으로 바뀌어 일부 용해될 수 있으며, 이때 화학 반응식은 아래와 같다.

CaCO₃(s) + H₂O(l) + CO₂(aq) → Ca²⁺(aq) + 2HCO₃⁻(aq)

용해된 이산화 탄소의 양이 감소하면 역반응이 진행되어 반대로 방해석이 침전된다. 결과적으로 방해석은 수온, pH 및 용존 이온의 농도와 같은 요인에 따라 지하수에 녹거나 때로는 침전될 수 있다. 침전이 형성되는 조건에서 방해석은 암석 입자를 서로 결합 하여 균열을 채우는 역할을 할 수 있다. 용해 조건에서 이러한 방해석이 제거되면서 암석의 다공성과 투과성이 급격히 증가하며, 오랜 기간 지속하면 동굴이 형성된다. 탄산 칼슘이 풍부한 지층에서 지속적인 용해에 의해 동굴 구조가 더욱 발달할 수 있으며 궁극적으로는 붕괴로 이어져 다양한 형태의 카르스트 지형(karst topography)이 형성된다.

잘 발달된 카르스트 지형의 전형적인 모식도()

방해석은 특이하게 온도가 증가함에 따라 물에 대한 용해도가 감소하며 또한 고압 조건에서 더 잘 용해된다. 석회암(limestone)에 포함된 방해석은 일반적으로 수 %의 마그네슘을 포함하며, 마그네슘 함량 4%를 기준으로 저 마그네슘 방해석과 고 마그네슘 방해석으로 나뉜다. 고 마그네슘 방해석은 화학적 성분은 비슷하나 백운석(dolomite, MgCa(CO₃)₂)과는 달리 방해석 결정 구조를 유지한다. 또한 방해석은 소량의 철이나 망가니즈와 같은 불순물을 포함하기도 하는데 이는 형광을 나타내는 원인이다.

방해석은 무정형(amorphous)의 탄산 칼슘이 결정화되거나 또는 나노 크기의 결정이 응집되는 오스트발트 숙성 과정(Ostwald ripening process)을 통해 형성될 수 있다.

결정화는 크기 두 단계로 나눌 수 있다. 첫 번째 단계에서, 무정형 탄산 칼슘 나노 입자는 빠르게 탈수되면서 결정화되어 탄산 칼슘의 다형체 중 하나인 바테라이트 입자를 형성한다. 두 번째 단계에서 형성된 바테라이트는 용해와 재침전 과정을 통해 열역학적으로 더욱 안정한 방해석으로 변형된다. 일반적으로 두 번째 단계는 첫 번째 단계보다 약 10배 느리지만, 방해석의 결정화 과정은 반응이 시작되는 용액의 pH와 마그네슘의 존재에 크게 의존하는 것으로 알려져 있다.

반응이 일어나는 용액의 pH가 중성일 경우 무정형 탄산 칼슘이 바로 방해석으로 전환되는 반응이 촉진되지만, 반대로 염기성 조건에서는 무정형 탄산 칼슘이 준 안정 상태의 바테라이트를 거쳐 방해석으로 변환된다. 마그네슘 이온은 바테라이트 구조를 불안정하게 하므로 무정형 탄산 칼슘에서 바로 방해석이 형성된다.

또한 방해석은 지하에서 미생물의 활동에 의한 황산염에 의존하는 메테인의 혐기성(anaerobic) 산화 과정에 의해 형성될 수 있다. 이 과정에서 메테인은 산화되고 황산 염은 환원되어 생성된 중탄산 염(bicarbonate)과 황화물(sulfide)로부터 최종적으로 방해석과 황철석(pyrite)이 형성된다.

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