제 5 주 광물의 화학조성과 결정구조
광물이 만들어지는 장소 1. 화성암 마그마에서부터 만들어진다. 마그마가 만들어지는 곳 마그마가 상승하는 곳 지하 100km, 온도 섭씨 약1000도 마그마가 상승하는 곳 지리적으로 판구조 운동과 밀접한 관계가 있다. 심성암의 형성(지하 5km 이상 깊이에서 냉각) 화산 활동이 활발한 곳 화산암의 형성 중앙 해령, 환태평양 화산대
광물이 만들어지는 장소 2. 퇴적암 용액의 증발(과포화 용액)에 의한 침전 바닷물의 증발; 암염 유황 온천수의 증발; 석고 바닷물의 증발; 암염 유황 온천수의 증발; 석고 탄산칼슘 용액의 증발; 석회석
광물이 만들어지는 장소 3. 변성암 고체 상태에서의 화학반응(변성작용) 새로운 광물(고체)이 만들어진다. 높은 온도와 압력에서 일어난다. 지하의 온도, 압력 분포와 관련 판구조 운동의 유형에 따라 달라진다. 변성작용의 정도가 달라진다.
광물은 어떻게 만들어지나? 마그마로부터의 정출(화성암) 과포화 용액에서 침전(퇴적암) 고체(광물)의 변화에 의해(변성암) 마그마의 성분에 따라 마그마의 생성 위치(판구조 운동과 관련) 정출 온도에 따라 과포화 용액에서 침전(퇴적암) 용액의 종류에 따라 고체(광물)의 변화에 의해(변성암) 변성 온도에 따라 기존 광물의 종류에 따라
광물은 왜 만들어지나? 광물의 안정영역(T, P 영역) 광물은 안정 영역 안에서 만들어진다. 안정 영역을 벗어나면 불안정하다. 마그마의 정출 변성 광물의 생성 안정 영역을 벗어나면 불안정하다. 변성작용, 용융(더 높은 온도에서) 후퇴 변성작용, 변질작용, 풍화작용, 용해작용(더 낮은 온도에서) 새로운 T, P 영역에서 안정한 광물이 만들어진다.
광물의 화학조성 광물은 정해진 원소로 구성된다. 광물은 정해진 원소의 함량을 갖는다. 일정한 원소의 치환은 허용된다. 치환할 수 있는 원소는 제한된다. 광물은 정해진 원소의 함량을 갖는다. 광물에 들어 있는 원소의 비는 일정하다. 치환하는 원소의 치환 비는 제한되어 있다. 원소의 종류와 함량이 바뀌면 다른 광물이 된다.
원소의 치환 치환할 수 있는 원소 크기(이온 반경)가 비슷한 원소 원자가가 같은 원소 15% 이내; 완전 고용체 15~30%; 부분 고용체 원자가가 같은 원소 다를 때는 쌍쌍 치환
치환 원소와 불순물 치환 원소; 불순물; 결정 구조 내에 광물의 구성 원소 대신에 들어간다. 치환 조건에 맞아야 한다. 광물의 성장 과정에 결정구조와 관계 없이 들어간 원소 또는 화합물 치환 조건에 구애 받지 않는다.
대표적 치환 원소 완전 고용체 원소 부분 고용체 원소 동일 원자가; Mg-Fe 다른 원자가; Na-Ca 동일 원자가; K-Na, Mg-Ca 다른 원자가; Si-Al
광물의 결정구조 결정질 원자들이 규칙적으로 배열되어 있다. 3차원으로 연결 원자의 결합이 입자 전체에 걸쳐 연결 입자 내에서는 끊임이 없다. 같은 광물이면 항상 같은 배열 방법 배열 방법이 바뀌면 다른 광물
광물의 화학적 특성 결정구조와 원자의 배열 원자와 전자의 구조 원자의 결합 결정구조의 원리
규칙적 원자 배열 원자들의 결합으로 이루어진다. 일정한 결합의 방법 결합의 연속성과 결함 공유결합 이온결합 금속결합 반데발스 결합 결합의 연속성과 결함
원소와 원자 원소; 전체적 개념 모든 원자들을 통틀어서 말한다. 원자; 개별적 개념 하나 하나의 개별 원자를 말한다.
원소 주기율표
원자의 구조 원자; 원자핵 + 전자 원자핵; 양자 + 중성자 양자; 질량=1, +1의 전기 원자; 원자핵 + 전자 원자핵; 양자 + 중성자 원자의 질량을 결정 양자; 질량=1, +1의 전기 원자 번호를 결정 중성자; 전기적으로 중성, 질량=1보다 약간 크다. 전자; -1의 전기, 질량=작다(무시) 원자의 화학적 성격을 결정 수소원자; 양자 1 + 전자 1 양자(농구공), 전자(탁구공), 반경 약 3km의 궤도
양자, 전자 및 중성자
원자(이온)의 크기 공모양 크기는 바깥 전자의 궤도에 의해 결정된다. 크기가 고정되지 않았다. 두 원자간의 결합 거리로 크기 측정 결합 거리에서 아는 원자의 크기를 빼서 측정 유효 반지름 원자의 결합은 두 공이 표면에서 맞닿는다(원칙) 강한 결합 – 결합 거리가 가깝다.(겹친 상태로 결합) 약한 결합 – 결합 거리가 멀다.(표면에서 맞닿아 결합)
전자 궤도의 구조 전자; 일정한 궤도를 따라 핵의 둘레를 돈다. 전자의 궤도; 일정한 형태를 갖는다. 전자; 일정한 궤도를 따라 핵의 둘레를 돈다. 전자의 궤도; 일정한 형태를 갖는다. 궤도 안에서 전자의 궤적은 일정하지 않다. 단위 체적의 공간에서 전자를 발견할 수 있는 확률로만 나타낼 수 있다. 전자를 발견할 확률; 핵에 가까울 수록 크다. 전자 궤도의 특성; 4가지 양자수로 표시
4 가지 양자수 주 양자수 (Principal Quantum Number), n 전자 궤도의 유효 체적을 나타낸다. 부 양자수(Subsidiary Quantum Number), l 궤도의 일반적 형태를 나타낸다. 자기 양자수(Magnetic Quantum Number), m 궤도의 방향과 수를 나타낸다. 회전 양자수(Spin Quantum Number), s 전자의 회전 방향을 나타낸다.
주 양자수(n) N = 1, 2, 3, …..∞(양의 정수) N = 1, K- shell N = 2, L- shell N = 3, M- shell N = 4, N- shell N = 5, O- shell
주양자 수와 최대 전자 수
부 양자수(l) 전자 궤도의 일반적 형태를 나타낸다. 각각의 n에 대하여 l = 0, 1, 2, …n-1이 존재 ㅣ = 0, s 궤도(공모양) ㅣ = 1, p 궤도(아령 모양) ㅣ = 2, d 궤도(4회 대칭의 형태) ㅣ = 3, f 궤도 ㅣ = 4, g 궤도
S 궤도 공 모양의 궤도 형태
P 궤도 아령 모양의 궤도 형태
d 궤도 4회 대칭의 형태
자기 양자수(m) 전자궤도의 수를 나타낸다. 각각의 l 에 대하여, m = -l,…., 0, …., +l 까지,
회전 양자수(s) 각각의 궤도에서 전자의 회전 방향을 나타낸다. 하나의 궤도에는 두개의 전자까지 들어간다. 궤도 안에서 두개의 전자는 반대 방향으로 회전한다. +1/2
n shell orbital 형태 궤도의 수 전자의 수 전자의 총 수 1 K 1s 1 2 (1-2) 2 2 L 2s 1 2 (3-4) 2p 3 6 (5-10) 8(10) 3 M 3s 1 2 (11-12) 3p 3 6 (13-18) 3d 5 10 (4 주기, 21-30) 18(28) 4 N 4s 1 2 (19-20) 4p 3 6 (31-36) 4d 5 10 (5 주기, 39-48) 4f 7 14 (6 주기, 58-71) 32 (60) 5 O 5s 1 2 (37-38) 5p 3 6 (49-54) 5d 5 10 (6 주기, 57, 72-80) 5f 7 14 (7 주기, 91-102) 5g 9 18 50 (110) 6 P 6s 1 2 (55-56) 6p 3 6 (81-86) 6d 5 10 (7 주기, 89-90) 6f 7 14 6g 9 18 6h 11 22 72 (182) 7 Q 7s 1 2 (87-88) 7p 3 6 * 괄호 안은 원소 주기율표의 주기와 해당 원자번호 (4 주기, 21-30)
원소 주기율표
전자궤도의 상대적 에너지 크기
결정 구조와 원자의 결합 공유결합 이온결합 금속결합 수소결합 반데발스결합
공유결합 전자의 공유에 의한 결합 전자 궤도의 중복 원자 배열의 방향이 중요 4족 원소의 결합(C, Si, Ge) 가장 강한 결합력 이온결합의 성격을 포함
다이아몬드의 공유결합 C 전자의 sp3 궤도(혼성 궤도) 형성 sp3 궤도의 중복에 의한 전자의 공유 1s22s22p2 1s2(2sp3)(2sp3)(2sp3)(2sp3) sp3 궤도의 중복에 의한 전자의 공유
흑연의 공유결합 C 전자의 sp2 궤도(혼성 궤도) 형성 - 1s22s22p2 1s22(sp2)2(sp2)2(sp2)2p
이온 결합 양이온과 음이온의 결합 정전 인력의 작용 가장 흔한 결합의 형태 1족 양이온, 7족 음이온의 결합 이온화 전위(양이온이 되는 성향) 정전 인력의 작용 가장 흔한 결합의 형태 1족 양이온, 7족 음이온의 결합 전기 음성도가 높을수록 쉽게 결합 전기 음성도(음이온이 되는 성향)
이온화 전위와 전자구조(제3주기 원소)
전기 음성도
전기음성도 차이에 따른 이온결합의 비율
금속 결합 금속 원소에서의 결합 형태 자유 전자가 구름을 형성한다. 자유 전자의 이동이 쉽다. 높은 전도성을 갖는다. 자유 전자를 여러 원자가 공유한다. 일종의 공유 결합이다. 비교적 약한 결합력을 갖는다.
수소결합과 반데발스결합 수소결합 반데발스 결합 OH를 포함하는 광물 OH의 배열과 음이온, 양이온의 결합 방향 분자 사이의 느슨한 결합 형태 가장 약한 결합력
결정구조의 원리 원자와 이온의 크기 원자 배열의 원리 – 최밀패킹 금속결합의 구조 –CCP, HCP, BCC 이온결합의 결정구조 반지름 비 배위다면체
원자의 크기와 이온 반지름 단일 원자의 크기는 잴 수 없다. 원자의 크기; 같은 원자의 결합 거리/2 이온의 크기; 양이온과 음이온의 결합 거리로 측정(크기를 아는 이온) 결합 거리는 결합 방식에 따라 달라진다.
원자와 이온의 크기
최밀패킹 1 CCP (Cubic Closest Packing) FCC (Face-Centered Cubic) 금속결합의 구조 abcabca…….stacking sequence
최밀패킹 2 HCP (Hexagonal Closest Packing) 육방정계 (금속결합) 결정구조 abababa…………stacking sequence
BCC 결정구조 최밀패킹이 아님 금속 결합의 결정구조 형태 Body-Centered Cubic (체심 등축정계) 격자
공유결합의 결정 구조 1 다이아몬드 구조
공유결합의 결정구조 2 섬아연석(Sphalerite) 의 구조
공유결합의 결정구조 3 Wurtzite 의 결정구조
이온결합의 결정 구조 양이온과 음이온의 반지름 비 결합으로 만들어지는 형태 반지름비 = RA/RX 배위다면체(배위수 2 ~ 12)
반지름 비와 배위 다면체
RA/RX ~ 1
RA/RX = 1.0~0.73
RA/RX = 0.73~0.41
RA/RX = 0.41~0.22
규산염광물의 최밀패킹
규산염 광물의 결정구조
독립사면체구조 Nesosilicate group; R2SiO4
복사면체 구조 Sorosilicate group; Si2O7
고리 구조 Cyclosilicates SiO3
사슬 구조 Inosilicate group 1; Single Chain SiO3
사슬 구조 2 Inosilicate group; Double Chain Si4O11
판 구조 Phyllosilicates; Si4O10
격자 구조 Tectosilicates SiO2