광물의 성질(결정형, 굳기, 조흔색)

광물의 결정형은 그 내부 원자 배열의 대칭성에 따라 분류된다. 이 분류 체계는 광물을 7개의 결정계로 나눈다. 각 결정계는 결정의 대칭 요소, 즉 대칭면, 대칭축, 대칭 중심의 조합에 따라 정의된다.

7개의 결정계와 그 특성은 다음과 같다.

*참고: 삼방정계는 삼사정계의 한 종류로, 독립된 결정계로 보거나 삼사정계에 포함시키는 경우가 있다. 표에서는 일반적인 7계 분류를 따랐다.

이 분류는 광물의 결정 구조를 이해하고, 물리적 성질을 예측하며, 체계적으로 동정하는 데 필수적인 기초가 된다. 같은 화학 조성을 가진 광물이라도 결정계가 다르면 다른 동질이상으로 나타날 수 있다.

광물의 결정형은 그 내부 원자 배열의 대칭성에 따라 크게 7개의 결정계로 분류된다. 각 결정계는 고유한 대칭 요소와 축의 길이, 축 사이의 각도를 기준으로 정의되며, 이에 따라 다양한 기하학적 형태를 나타낸다.

다음은 7대 결정계와 그에 속하는 대표적인 결정형의 예시이다.

이러한 결정형은 광물의 화학 조성과 형성 조건에 따라 결정된다. 예를 들어, 염화나트륨은 이온 결합의 특성상 정육면체 형태로 결정화되는 반면, 석영은 규산염 사면체의 연쇄 구조로 인해 육각기둥 형태를 보이는 경향이 있다. 같은 화학 성분이라도 형성 시의 온도와 압력에 따라 다른 결정계를 나타낼 수 있으며, 이를 동질이상 현상이라고 한다.

광물의 결정형은 그 물질을 구성하는 원자, 이온, 분자들이 규칙적으로 배열된 내부 구조가 외부 형태로 나타난 것이다. 이 결정형이 어떻게 특정한 모양을 띠게 되는지는 여러 요인이 복합적으로 작용한다. 가장 근본적인 요인은 결정 구조 자체, 즉 물질을 이루는 구성 입자의 종류, 크기, 그리고 그들 사이의 화학적 결합의 특성이다. 예를 들어, 염화나트륨은 나트륨 이온과 염화 이온이 정육면체 모양으로 교대로 배열되기 때문에 입방체 결정을 형성한다.

결정이 성장하는 환경 조건 또한 결정형에 큰 영향을 미친다. 온도, 압력, 용액의 농도와 pH, 그리고 용액 내 불순물의 존재 여부 등이 성장 속도와 방향을 조절한다. 일반적으로 성장 속도가 느리고 공간 제약이 적은 환경에서는 각 결정면이 균형 있게 발달하여 자신의 고유한 기하학적 형태에 가까운 자형을 보인다. 반면, 성장 속도가 빠르거나 물리적 공간이 제한된 환경에서는 결정면의 발달이 불균형해져 길쭉하거나 납작한, 또는 가지를 뻗은 듯한 쌍정이나 집합체 형태를 보이기도 한다.

동일한 화학 조성을 가진 광물이라도 이러한 요인들의 차이로 인해 서로 다른 결정 습관을 보일 수 있다. 이는 동질이상 현상의 한 예이며, 광물의 외형적 다양성을 만들어내는 주요 원인 중 하나이다. 따라서 광물의 결정형을 관찰하는 것은 그 광물의 내부 구조와 성장 역사에 대한 중요한 단서를 제공한다.

모스 굳기계는 광물의 상대적인 굳기를 측정하기 위해 1812년 독일의 광물학자 프리드리히 모스가 고안한 10단계 척도이다. 이 척도는 1(가장 부드러움)부터 10(가장 단단함)까지의 등급으로 구성되며, 각 등급은 기준 광물로 대표된다. 모스 굳기계의 핵심 원리는 '긁힘 시험'으로, 한 광물이 다른 광물 표면을 긁을 수 있으면 긁는 광물의 굳기가 더 높은 것으로 판단한다.

모스 굳기계의 기준 광물과 그 굳기는 다음과 같다.

이 척도는 등간격 척도가 아니다. 예를 들어, 굳기 9와 10 사이의 절대적인 단단함 차이는 굳기 1과 2 사이의 차이보다 훨씬 크다[2]. 또한, 굳기계는 기준 광물의 특정 면에 대한 값이며, 광물에 따라 이방성으로 인해 방향에 따라 굳기가 다를 수 있다는 점에 유의해야 한다.

모스 굳기계는 현장이나 실험실에서 빠르고 간편하게 광물의 굳기를 판별하는 데 널리 사용된다. 이를 통해 광물을 동정하거나, 광물의 내마모성 및 용도를 추정하는 데 활용할 수 있다.

굳기 측정은 주로 상대적인 비교를 통해 이루어진다. 가장 일반적인 방법은 모스 굳기계에 포함된 표준 광물을 이용한 긁기 시험이다. 측정 대상 광물의 표면을 표준 광물의 모서리나 뾰족한 부분으로 긁어보아, 어느 쪽이 손상되는지 관찰한다. 예를 들어, 측정 대상 광물이 섬아연석(굳기 4)으로는 긁히지 않지만 인회석(굳도 5)으로는 긁힌다면, 그 광물의 굳도는 4와 5 사이, 즉 약 4.5 정도로 추정할 수 있다.

보다 정밀한 측정을 위해 일상 도구를 이용하는 방법도 보조적으로 활용된다. 대표적인 예는 다음과 같다.

또한, 굳기 측정 시에는 몇 가지 주의사항이 있다. 시료의 깨끗하고 신선한 면을 선택해야 하며, 풍화된 부분은 측정 결과를 왜곡할 수 있다. 긁을 때는 가볍게 한 번만 시도하여 명확한 흠집이 생기는지 확인해야 한다. 너무 강하게 누르면 부서지기 쉬운 광물은 깨질 수 있어 정확한 판단이 어려워진다. 이러한 상대적 측정법은 정량적이지 않지만, 현장에서 빠르고 간편하게 광물을 동정하는 데 매우 유용한 정보를 제공한다.

굳기는 광물의 내구성과 가공성을 평가하는 기본 척도로 활용된다. 채굴, 가공, 보석 세공, 산업 공정 등 다양한 분야에서 중요한 기준이 된다.

또한 굳기는 광물의 결정 구조와 화학 결합의 세기와 밀접한 관계가 있다. 일반적으로 이온 반경이 작고 전하가 큰 이온으로 구성된 공유결합성 광물일수록 굳기가 높은 경향을 보인다. 따라서 굳기는 단순한 물리적 성질을 넘어 광물의 내부 구조와 성분을 간접적으로 반영하는 지표로도 기능한다.

조흔색은 광물을 도자기나 조흔판 같은 거칠고 단단한 표면에 문질러 얻은 가루의 색깔이다. 이 색은 광물의 광물색과 종종 다르게 나타나며, 광물을 동정하는 데 중요한 물리적 성질 중 하나이다.

조흔색은 광물의 내부 구조와 화학적 조성에 의해 결정된다. 광물의 겉보기 색은 표면에서 빛이 반사되거나 굴절될 때, 혹은 광물 내부에 포함된 불순물에 의해 영향을 받는다. 반면 조흔색은 광물이 미세한 가루로 분쇄되었을 때 나타나는 본질적인 색으로, 광물을 구성하는 주요 원소 자체의 색깔에 더 가깝다. 예를 들어, 헤마타이트는 겉보기 색이 검은색이나 적갈색을 띠지만, 조흔색은 특징적인 붉은색이다.

조흔색이 광물색과 다른 이유는 분쇄 과정에서 광물의 결정 구조가 파괴되기 때문이다. 표면에서의 빛의 간섭이나 내부 결함에 의한 색 변화 요인이 제거되어, 더 순수한 색을 보여준다. 따라서 조흔색은 동일한 광물 종류에서는 일반적으로 일정하게 나타나는 경향이 있어, 광물 감정에 있어 더 신뢰할 수 있는 지표가 된다.

조흔색은 광물을 조흔판에 긁어 얻은 가루의 색을 의미하며, 광물의 고유한 성질로 간주된다. 반면 광물색은 광물 표면에서 반사되는 빛에 의해 인지되는 색으로, 광물의 화학 조성이나 내부 구조보다는 표면 상태나 불순물의 존재에 크게 영향을 받는다. 이로 인해 동일한 광물이라도 색상이 매우 다양하게 나타날 수 있다.

조흔색은 광물을 미세한 입자로 분쇄했을 때 드러나는 본질적인 색이기 때문에, 광물의 동정에 있어 광물색보다 훨씬 신뢰할 수 있는 지표가 된다. 예를 들어, 헤마타이트는 표면 색이 검은색, 회색, 붉은색 등으로 다양하게 보일 수 있지만, 조흔색은 항상 적갈색을 띤다. 황철석은 황금색의 금속 광택을 보이지만, 조흔색은 검은색에 가까운 녹흑색이다.

아래 표는 조흔색과 광물색의 차이를 보여주는 몇 가지 대표적인 예시이다.

이러한 차이가 발생하는 주요 원인은 광물색이 빛의 선택적 흡수, 표면의 산화, 또는 미세한 불순물 입자에 의한 간섭 현상 등 복잡한 광학적 효과의 영향을 받기 때문이다. 조흔색은 광물을 분말 상태로 만들면 이러한 표면 효과가 제거되고, 광물을 구성하는 원소 자체의 색이나 결정 구조에 의한 본질적인 색이 나타나게 된다. 따라서 광물을 정확하게 식별하기 위해서는 표면 관찰만으로 판단하기보다 반드시 조흔 시험을 통해 조흔색을 확인하는 것이 중요하다.

조흔 시험은 광물의 조흔색을 확인하기 위해 수행하는 간단한 실험이다. 이 시험을 위해서는 주로 미연마된 도기질 판, 즉 '조흔판'이 사용된다. 조흔판은 일반적으로 백색 또는 흑색의 거친 표면을 가지며, 광물보다 단단한 재질로 만들어져 광물 조각을 문질러 분말을 얻을 수 있게 한다.

시험 방법은 다음과 같다. 먼저, 확인하려는 광물 조각의 날카로운 모서리나 끝부분을 선택한다. 그런 다음 광물을 조흔판 위에 세게 누르며 일정한 압력으로 짧은 선을 긋는다. 선의 길이는 보통 2~3cm 정도면 충분하다. 이때 중요한 것은 광물이 분말 형태로 벗겨져 판 위에 남는 색을 관찰하는 것이다. 광물 표면의 색(광물색)이 아닌 분말의 색이 바로 조흔색이다.

관찰 시에는 다음과 같은 주의사항이 있다. 분말의 색이 매우 옅을 수 있으므로, 충분한 빛 아래에서 선명하게 확인해야 한다. 또한, 일부 광물은 조흔판보다 단단하여 시험 자체가 어렵거나, 반대로 너무 부드러워 과도한 분말이 생길 수 있다. 이 경우 결과 판독에 주의를 기울여야 한다. 여러 번 시험하여 일관된 색상이 나타나는지 확인하는 것이 좋다.

이 방법은 모스 굳기계 기준으로 굳기 약 7 이하의 광물에 효과적이다. 굳기 7 이상의 매우 단단한 광물(예: 석영, 토파즈)은 조흔판을 긁어버릴 수 있어 정확한 조흔색을 얻기 어렵다.

결정형은 광물의 내부 원자 배열을 외부적으로 나타낸 형태로, 이는 광물의 여러 물리적 성질에 직접적인 영향을 미친다. 결정형에 따라 나타나는 물리적 성질의 이방성은 광물을 식별하고 분류하는 중요한 단서가 된다.

가장 대표적인 예는 벽개와 절리이다. 원자가 특정 방향으로 약한 결합을 이루고 있으면, 그 방향을 따라 광물이 쉽게 쪼개지는 벽개가 발달한다. 예를 들어, 운모류 광물은 한 방향으로 완벽한 벽개를 보여 얇은 판状으로 벗겨지며, 방해석은 마름모체 결정형에 따라 특정 각도로 벽개가 나타난다. 결정형이 대칭적이지 않거나 등축정계가 아닌 경우, 굴절률이나 광택과 같은 광학적 성질도 방향에 따라 달라질 수 있다.

또한, 결정형은 광물의 경도나 강도와도 연관이 있다. 다이아몬드와 흑연은 동일한 탄소 원소로 이루어졌지만, 원자 배열(결정 구조)이 완전히 달라 극명히 다른 물리적 성질을 보인다. 다이아몬드는 등축정계의 강한 공유결합 구조로 모스 굳기계에서 10의 최고 굳기를 가지는 반면, 흑연은 육방정계의 층상 구조로 인해 매우 부드럽고 벽개가 발달한다. 이처럼 결정형은 광물의 화학 조성과 더불어 그 외관과 물성을 규정하는 가장 근본적인 요소이다.

일반적으로 굳기가 높은 광물은 조흔색이 흰색 또는 무색에 가까운 경우가 많다. 이는 굳기가 높은 광물의 대부분이 규산염 광물이나 산화물로, 화학적으로 안정하고 불순물의 영향을 덜 받기 때문이다. 대표적으로 석영(굳기 7)이나 강옥(굳기 9)의 조흔색은 흰색이다.

반면, 굳기가 낮은 광물, 특히 금속 광물은 뚜렷한 조흔색을 보이는 경우가 많다. 흑연(굳기 1~2)은 검은색, 적철석(굳기 5~6)은 적갈색, 황철석(굳기 6~6.5)은 녹흑색의 조흔색을 낸다. 이는 이들 광물이 특정한 색소 성분을 가지고 있거나 미세한 분말 상태에서 나타나는 고유한 색이 두드러지기 때문이다.

그러나 이 관계는 절대적인 법칙이 아니다. 굳기가 낮으면서도 조흔색이 흰색인 광물(예: 활석, 굳기 1)도 존재하며, 굳기가 높은 일부 광물도 불순물에 의해 약간의 색조를 띤 조흔색을 보일 수 있다. 따라서 굳기와 조흔색은 서로 독립적인 성질로 간주하며, 광물 동정 시에는 각각을 별도로 관찰하고 종합적으로 판단해야 한다.

아래 표는 굳기와 조흔색의 일반적인 연관성을 보여준다.

광물 동정은 관찰 가능한 물리적 성질을 체계적으로 검토하여 미지의 광물을 식별하는 과정이다. 일반적으로 다음과 같은 순서로 진행된다.

1. 기하학적 형태와 광택 관찰: 먼저 결정형이나 쪼개짐의 양상을 육안으로 확인한다. 또한 금속광택이나 비금속광택과 같은 표면의 광택을 관찰한다.

2. 기본 물성 측정: 굳기 시험을 실시한다. 모스 굳기계를 기준으로, 알려진 굳기의 도구(손톱, 동전, 유리판, 칼 등)로 긁어 보아 굳기의 대략적인 범위를 파악한다.

3. 색상 확인: 광물 표본의 광물색을 관찰한 후, 조흔색 시험을 통해 보다 본질적인 색을 확인한다. 조흔판에 광물을 문질러 나타나는 가루의 색을 관찰한다.

4. 기타 성질 검토: 비중을 손으로 들어보아 느껴지는 무게감으로 추정하거나, 자성 유무를 자석으로 확인하는 등의 추가 검사를 수행한다.

이러한 관찰 결과를 표로 정리하고, 광물 도감이나 동정표를 참조하여 일치하는 광물을 찾아낸다. 동정표는 주로 굳기나 조흔색 등 측정이 용이한 성질을 기준으로 광물을 분류해 놓은 것이다.

이 절차는 단일 성질보다는 여러 성질의 조합을 통해 정확도를 높인다. 예를 들어, 흰색 조흔색을 가진 광물은 많지만, 굳기가 7이고 방추상 결정형을 보인다면 석영일 가능성이 매우 높아진다.

광물의 성질을 활용한 광물 동정은 편리한 방법이지만 몇 가지 주의사항과 명백한 한계를 지닌다.

첫째, 굳기나 조흔색과 같은 물리적 성질은 동일 광물 내에서도 변이가 발생할 수 있다. 불순물의 함유, 결정 구조의 결함, 입자 크기 등이 성질 측정값에 영향을 미쳐 표준값과 다르게 나타날 수 있다. 예를 들어, 철을 함유한 석영은 조흔색이 아닌 광물색 자체가 변할 수 있다. 둘째, 대부분의 동정 방법은 광물 표본을 손상시킨다. 조흔색 시험은 광물을 모암에 긁어야 하며, 굳기 시험 역시 시료에 흠집을 낸다. 이는 박물관의 귀중한 표본이나 완벽한 광물 결정을 검사할 때 큰 제약이 된다.

마지막으로, 이러한 방법들은 최종적인 동정을 위한 보조 수단일 뿐이며, 확정을 위해서는 X선 회절 분석이나 화학 분석과 같은 정밀한 실험실 분석이 필수적이다. 특히 동질이상 관계에 있는 광물들[4]은 물리적 성질이 완전히 달라 육안 관찰만으로는 동일 물질임을 판단할 수 없다.

석영은 이산화 규소(SiO₂)로 이루어진 광물로, 지각에서 가장 흔한 광물 중 하나이다. 주로 화강암이나 편마암 등의 화성암과 변성암에 풍부하게 포함되어 있으며, 순수한 상태에서는 무색 투명하지만 불순물에 따라 다양한 색상을 띤다. 석영은 마노, 수정, 자수정 등 여러 보석류의 원석으로도 널리 사용된다.

석영의 결정형은 대표적인 육방정계에 속하며, 보통 6각 기둥 모양의 프리즘과 6각뿔 모양의 피라미드가 결합된 형태를 보인다. 결정의 굳기는 모스 굳기계 기준 7로, 강도가 매우 높은 편에 속한다. 이는 강철로 긁어도 흠집이 나지 않을 정도의 단단함을 의미하며, 높은 굳기 덕분에 내마모성 재료로 널리 활용된다.

조흔색은 무색 또는 흰색을 보인다. 이는 석영의 광물색이 자주색(자수정), 분홍색(홍수정), 갈색(연수정) 등으로 다양하게 나타나는 것과 대조적이다. 조흔 시험 시 나타나는 무색의 가루는 석영의 본질적인 색을 반영한다.

석영은 그 높은 굳기와 화학적 안정성으로 인해 산업 분야에서 광범위하게 사용된다. 시계의 태엽이나 발진자, 반도체 기판, 내화 벽돌, 유리 제조의 원료 등 그 응용 범위는 매우 넓다. 또한, 결정의 압전 효과를 이용하여 라이터의 점화 장치나 각종 센서에도 적용된다.

방해석은 탄산칼슘(CaCO₃)의 가장 흔한 형태로, 삼방정계에 속하는 광물이다. 화학 조성은 석회암과 대리석의 주성분과 같지만, 독특한 결정형과 물리적 성질로 구분된다.

방해석의 가장 두드러진 특징은 완벽한 벽개를 보이는 것이다. 세 개의 벽개 방향이 있어 결정을 가볍게 쳤을 때 마름모꼴의 조각으로 깨진다. 이 벽개각은 약 75도로, 광물 동정에 중요한 단서가 된다. 또한, 굳기는 모스 굳기계 기준 3으로, 동전보다는 약간 단단하지만 칼로 긁힐 수 있는 정도이다.

방해석은 이중 굴절 현상으로도 유명하다. 투명한 방해석 조각을 통해 글자나 선을 보면 두 개로 갈라져 보인다. 이는 광선이 결정 내에서 서로 다른 속도로 진행하며 굴절되기 때문이다. 화학적 성질로는 묽은 염산과 반응하여 이산화탄소 기포를 발생시키는 것이 특징이다.

주로 열수 광상이나 퇴적암에서 생성되며, 종유석과 석순의 주성분이기도 하다. 산업적으로는 시멘트, 제철, 비료의 원료, 그리고 건축 자재로 널리 사용된다.

흑연은 탄소 원소의 동소체 중 하나로, 연필심의 주원료로 잘 알려져 있다. 육각형의 평면 구조가 층상으로 쌓인 결정 구조를 가지며, 이 독특한 구조가 흑연의 여러 물리적 성질을 결정한다.

흑연은 모스 굳기계 상에서 굳기가 1~2에 불과하여 매우 무르다. 이는 각 층 사이의 반데르발스 힘이 약하여 층들이 쉽게 미끄러지기 때문이다. 이 미끄러짐 성질 덕분에 고체 윤활제로 널리 사용된다. 또한, 조흔색은 항상 검은색 또는 회흑색을 나타내며, 이는 연필로 글을 쓸 때 종이에 남기는 자국과 동일하다.

흑연의 결정형은 일반적으로 육방정계에 속하는 판상 또는 편상의 형태를 보인다. 전기 전도성이 매우 우수한데, 이는 각 탄소 층 내에서 탄소 원자들이 sp² 혼성 오비탈로 결합하여 자유 전자가 존재하기 때문이다. 이 성질은 전극 재료로의 활용을 가능하게 한다.

흑연은 같은 탄소 동소체인 다이아몬드와 극명한 대조를 이룬다. 다이아몬드가 가장 높은 굳기(10)를 가진 반면, 흑연은 가장 낮은 굳기를 보이는 광물 중 하나이다. 이 차이는 탄소 원자들의 결합 방식과 결정 구조의 차이에서 비롯된다.