학문
14살꿈많던아이
광물은 왜 각각 고유한 결정 모양을 갖게 되나요?
지질학에서 광물마다 다른 결정계(입방정계, 육방정계 등)를 갖는다고 배우는데, 왜 같은 원자로 이루어져도 광물마다 다른 결정 구조를 이루게 되는지 궁금합니다.
4개의 답변이 있어요!
안녕하세요. 박재화 박사입니다.
광물의 결정 모양은 원자들이 어떤 방식으로 반복 배열되는지에 따라 결정됩니다.
같은 원소로 이루어져 있어도 원자 사이의 결합 방식이나 배열 방향이 달라지면 서로 다른 결정 구조가 만들어질 수 있습니다. 같은 원소인데 전혀 다른 재료는 저희도 잘 아는 것들이 많습니다.
대표적은 탄소 원자가 있는데, 탄소 원자는 수많은 다양한 물질들이 있습니다. 다이아몬드와 연필의 재료인 흑연은 결합방식과 구조만 다를 뿐 동일한 탄소원자로 이루어진 물질입니다.
말씀하신대로 결정 내부의 원자 배열이 입방형으로 반복되면 입방정계, 육각형 형태로 반복되면 육방정계 같은 구조가 나타납니다. 결국 광물의 결정 모양은 구성 원소 자체뿐 아니라 원자 결합 방식과 생성환경이 함께 결정한다고 보시면 되곘습니다.
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채택된 답변안녕하세요. 이수민 전문가입니다.
결정 모양은 원자들이 가장 편한 자세로 쌓인 결과예요. 원자들은 서로 끌어당기고 밀어내는 힘의 균형 속에서 에너지가 가장 낮아지는 배치를 찾아 정렬하는데, 이 배치가 광물마다 달라요. 원자의 크기, 전하, 결합의 성격이 다르니 쌓이는 방식도 달라지는 거예요. 크기가 비슷한 원자끼리는 촘촘한 육방이나 입방 쌓기가 유리하고, 크기 차이가 큰 이온들이 만나면 큰 이온 사이 틈에 작은 이온이 끼는 구조가 자리 잡는 식이에요. 소금이 정육면체 결정인 건 나트륨과 염소 이온이 번갈아 놓이는 입방 배열이 가장 안정해서예요.
같은 원자로도 다른 결정이 되는 건 조건이 다를 때예요. 탄소가 대표적이죠. 지표 근처 압력에서는 층층이 쌓인 흑연이 안정하지만, 맨틀 깊은 곳의 초고압에서는 사방으로 단단히 결합한 다이아몬드가 안정해요. 같은 재료라도 온도와 압력이라는 환경이 어느 배치의 에너지를 더 낮춰주느냐에 따라 최종 구조가 갈리는 거예요. 이렇게 한 물질이 여러 결정 구조를 갖는 걸 동질이상이라고 해요.
우리가 보는 결정의 겉모양은 이 내부 배열이 확대된 거예요. 원자 수준의 쌓기 규칙이 수억 번 반복되면 그 대칭성이 눈에 보이는 면과 각도로 드러나요. 수정이 육각기둥인 건 내부의 규소와 산소가 육방 대칭으로 배열돼 있어서예요. 그래서 지질학자들은 결정의 겉모양과 쪼개지는 방향만 보고도 내부 원자 배열을 역추적할 수 있어요 :)
안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.
광물이 저마다 고유한 결정 구조를 갖는 이유는 이를 구성하는 원자 및 이온의 크기 결합 방식 화학적 전하 균형에 따라 내부 배열이 달라지기 때문입니다 동일한 원소로 이루어졌더라도 형성되는 온도와 압력 환경에 따라 에너지적으로 가장 안정적인 결합 형태를 찾게 되며 이 미시적인 원자 격자 구조가 규칙적으로 확장하여 거시적인 결정계로 나타나게 됩니다. 대표적으로 흑연과 다이아몬드는 둘 다 탄소 원자로만 이루어져 있지만 고온 고압에서 만들어진 다이아몬드는 강한 정육면체 형태의 입체적인 3차원 입방정계 공유 결합을 형성하는 반면 상대적으로 낮은 압력에서 만들어진 흑연은 판상의 육방정계 층상 구조를 이룹니다 결과적으로 원자 자체의 고유한 물리 화학적 특성과 생성 당시의 환경 조건이 결합하여 각 광물만의 고유한 결정 모양을 결정짓게 됩니다
안녕하세요.
광물의 결정 모양은 원자들이 아무렇게나 모이는 게 아니라 서로 가장 안정적인 위치에 규칙적으로 배열되면서 결정돼요.
원자의 크기와 전자구조 그리고 결합 방식들에 따라서 서로 끌어당기고 밀어내는 힘이 달라지기 때문에 가능한 배열도 달라지죠.
같은 원소라도 온도와 압력에 따라 원자 배열이 달라져 서로 다른 결정 구조가 만들어지기도 해요. 대표적으로 탄소가 있는데, 우리가 잘 아는 다이아몬드도 탄소고, 흑연도 탄소죠. 전혀 다른 성질을 나타내죠.
감사합니다.