방해석(Calcite 칼사이트) 광물 원석 관찰 탐구. 묽은 염산 반응 & 복굴절 (3)

방해석, 과학 수업 시간에 많이 들어보긴 했는데..
아마도 경도 3에 해당하는 대표 광물이기 때문일 것입니다.
그런데 조금 더 자세히 알고 보면 참 흥미로운 광물입니다.
방해석이란 구체적으로 어떻게 생기고 어떤 특징들을 가진 광물일까요?

방해석(方解石, Calcite, 칼사이트)은 대표적인 탄산염 광물로
탄산 칼슘이 가장 안정적으로 배열된 결정 구조체 중 하나입니다.
주로 퇴적암, 변성암에 분포하며 석회암과 대리석의 주성분입니다.
방해석 화학식은 CaCO₃(탄산칼슘)이며, 구성 성분은 칼슘(Ca²⁺)과 탄산이온(CO₃²⁻)입니다.
결정 구조는 삼방정계(Trigonal system), 결정형은 능면체(마름모꼴) 결정입니다.
쪼개면 능면체 결정이 마름모꼴로 무한대로 계속해서 작게 쪼개지기 때문에 방해석이라 부릅니다.

한자 方解石: '네모(方)처럼 쪼개지는(解) 돌(石)'이라는 뜻.
                  실제로 능면체(마름모꼴) 방향으로 잘 쪼개지는 특징에서 이름이 유래.
영문 Calcite(칼사이트): 라틴어 Calx (석회, Lime)에서 유래.
                 석회암(石灰岩, Limestone)의 주성분이라는 의미.

 

탐구할 광물표본은 '방해석(Calcite, 칼사이트)' 결정 천연원석입니다.
미니 사이즈의 방해석 결정 2개입니다.
① 크기 2.8 X 2.3 X 0.5 Cm, 무게 3.9g 
② 크기 2.8 X 2.2 X 0.7 Cm, 무게 5.4g
색상은 예쁜 반투명 하늘색입니다.
모스 굳기계의 10개 광물 중 낮은 3번째 광물로 잘 알려진 친숙한 광물입니다.
방해석은 다양한 특징과 특성을 가진 흥미로운 광물입니다.
· 방해석의 마름모꼴(평행사변형) 무한대로 쪼개짐(Cleavage) 특성
· 방해석의 묽은 염산 반응
· 방해석의 광학적 복굴절(複屈折, Birefringence) 특성
· 방해석의 동질이상(Polymorph, 同質異像) 광물
이처럼 방해석은 광물에 대한 관심과 호기심을 주기에 충분한 광물입니다.
한편, 방해석은 불순물이 없는 이론적으로 이상적인 투명하고 순수한 완전 결정체도 있지만,
실제로 지층 현장에서 실물들을 관찰해 보면 그렇지 않은 경우도 허다합니다.
함유하는 불순물에 따라서 그 종류와 색상이 다양하므로 복굴절 현상이 잘 나타나지 않는 경우도 많습니다.
이 방해석 표본의 경우에도 불순물로 인해서 반투명이고 복굴절 현상은 제대로 관찰되지 않습니다.
이 표본 방해석은 결정 형태와 색상만큼은 보석 수준으로 매우 특이하고 아름답습니다.

방해석(Calcite 칼사이트) 광물표본 천연원석 - 1

방해석(Calcite 칼사이트) 광물표본 천연원석 - 2

방해석(Calcite 칼사이트) 광물표본 천연원석 - 3

방해석(Calcite 칼사이트) 광물표본 천연원석 - 4

방해석(Calcite 칼사이트) 광물표본 천연원석 - 5

 

- 방해석 묽은 염산 반응

중고등학교에서 과학 시간에 방해석에 묽은 염산(HCl)을 떨어뜨려서 반응 실험을 해봤던 기억이 있을 것입니다.
방해석은 탄산칼슘(CaCO3)이 주성분이기 때문에,
방해석에 묽은 염산(HCl)을 떨어뜨리면,
방해석 표면에서 흰색 거품이 격렬하게 발생합니다.
거품이 보글보글거리며 이산화탄소(CO2) 기체가 발생하는 현상을 관찰할 수 있습니다.
CaCO3(방해석) + HCl(묽은염산) → CaCl2(염화칼슘) + H2O(물) + CO2(이산화탄소 거품)
방해석과 묽은 염산의 반응은 탄산칼슘이 산과 반응하여 이산화탄소 기체를 발생시키며 녹는 반응입니다.
이때 묽은 염산이 방해석을 부식시키면서 보글보글 거품이 발생합니다.
방해석을 구성하는 칼슘 성분이 염산과 반응하여 염화칼슘, 물, 이산화탄소가 생성됩니다.
이 반응은 석회암이나 대리석의 감별 실험에도 사용됩니다.
이 실험은 암석들을 분류할 때 탄산염 광물(방해석, 대리석 등)을 구분해 내는 대표적인 방법입니다.
이 거품 기체 발생 반응은 석회암이나 대리석에서도 동일하게 나타나지만,
석영이나 장석 같은 광물에서는 반응이 일어나지 않아 구분할 수 있습니다.

*염산(HCl, 鹽酸, Hydrochloric acid): 염화 수소의 수용액.
염산은 주의해서 다룰 필요가 있습니다.
염화 수소산(鹽化水素酸), 염강수(鹽強水)라고도 하며, 대표적인 강산입니다.
황산, 질산과 함께 3대 강산으로 꼽히며, 대표적인 강산 물질인 만큼 위험도도 상당히 높습니다.
그 위험도는 금속까지도 녹여버릴 정도입니다.
염화 수소기체가 물에 녹은 것이 염산이고, 그것을 더 묽힌 것이 묽은 염산입니다.
염산은 강산으로 분류되기 때문에 물을 많이 넣어서 묽게 희석한 '묽은 염산(HCl 수용액)'을 사용합니다.

- 방해석 광학적 복굴절(複屈折, Birefringence) 특성

방해석은 투명 또는 반투명 광물로 광학적 복굴절 특성이 있습니다.
복굴절(複屈折)'은 영어로 Birefringence(바이어프린전스)라고 합니다.
빛이 특정한 결정이나 재료를 통과할 때 두 개의 굴절광으로 갈라지는 광학 현상을 의미하며,
Double Refraction(더블 리프랙션)이라고도 부릅니다.
방해석은 광물 중에서 복굴절률이 매우 높은 축에 속하기 때문에,
굴절률의 차이로 인해 빛이 갈라지는 현상인 복굴절을 관찰할 수 있는 제일 대표적인 광물입니다.
방해석을 통과한 빛은 진동 방향이 서로 수직인 '보통광선(O-ray)'과 '이상광선(E-ray)' 두 갈래로 나뉘어 진행합니다.
빛이 통과할 때 두 개의 굴절률로 인해서 하나의 물체가 두 개로 겹쳐 보이는,
복굴절(이중 굴절) 현상이 매우 뚜렷한 대표적인 이방성 결정입니다.
한편, 방해석도 그 종류가 워낙 다양하기 때문에 복굴절 현상이 제대로 나타나지 않는 방해석도 많습니다.

▲ 방해석 복굴절(複屈折, Birefringence) 현상 원리

방해석 복굴절의 주요 특징과 이의 활용 예를 살펴보겠습니다.
· 두 가지 광선: 굴절 법칙을 따르는 보통광선(O-ray)과
  일정한 방향에서 굴절 법칙을 따르지 않는 이상광선(E-ray)으로 나뉩니다.
· 영상 분리 현상: 방해석을 통해 글자를 보면 두 개로 겹쳐 보이는 현상이 나타납니다.
· 광학적 이방성: 빛이 진행하는 방향과 편광 상태에 따라 굴절률이 달라서 발생하는 현상입니다.
· 음의 일축성 결정: 방해석은 광축을 기준으로 하나의 주축을 가진 일축성 결정이며,
  이상광선의 굴절률이 보통광선보다 작아 음의 복굴절을 보입니다.
· 활용: 복굴절 특성을 활용하여 편광판(니콜 프리즘) 등을 만들어 빛의 편광 방향을 조작하는 데 사용됩니다.
*니콜 프리즘(Nicol prism):
  1828년 스코틀랜드의 물리학자 윌리엄 니콜(William Nicol)이 발명한 편광 장치입니다.
  자연광을 평면 편광으로 변환하는 데 사용되며, 주로 방해석 결정을 이용하여 제작됩니다.

- 방해석 동질이상(Polymorph, 同質異像) 광물

방해석은 탄산염 광물의 일종으로 탄산칼슘의 가장 안정적인 동질이상(Polymorph, 同質異像)이다.
동질이상은 탄산칼슘(CaCO3)이라는 동일한 화학 성분을 가지면서
결정 구조(원자 배열)가 다른 광물을 의미합니다.
즉, 화학식은 '탄산칼슘(CaCO3)'으로 같지만 형태가 다른 '쌍둥이' 광물 관계를 말합니다.
방해석 동질이상 광물은 아라고나이트(Aragonite)가 가장 대표적이며,
바테라이트(Vaterite)도 있습니다.
이들은 생성 온도와 압력 조건에 따라 다르게 형성됩니다. 
방해석은 저온/저압에서 가장 안정적이며,
아라고나이트와 바테라이트 이 둘은 방해석보다 덜 안정적입니다.
아라고나이트는 고온/고압에서 생성되나, 약 300°C 이상에서는 안정된 구조의 방해석으로 변환됩니다.
바테라이트의 경우엔 물에만 노출되어도 방해석(상온의 물)이나 아라고나이트(60도 이상의 물)로 바뀝니다.
물론 방해석 자체도 물에 오랜 기간 노출되면 용해되어 석회동굴 같은 것을 만들기도 하지만
바테라이트보다는 훨씬 안정합니다.
이들의 차이점은 같은 성분이라도 결정 구조가 달라 굳기, 비중, 결정형 등 물리적 성질이 전혀 다릅니다.
*아라고나이트(Aragonite, 선석):
  화학식 CaCO3를 가진 탄산염 광물로, 방해석과 동질이상 관계에 있는 사방정계 광물입니다.
주로 해양 생물(산호, 조개)의 껍데기, 석회동굴 등에서 생성되며, 무색, 흰색, 황색, 갈색 등 다양한 색상을 띱니다.
모스 경도 3.5~4로, 유리 광택이 나며, 스페인의 아라곤 지방에서 처음 발견되었습니다.
*바테라이트(Vaterite):
탄산칼슘(CaCO3)의 가장 불안정한 동질이상(polymorph) 형태 중 하나로,
육방정계 구조를 가지며 칼사이트(Calcite)나 아라고나이트(aragonite)에 비해
낮은 비중과 높은 용해도를 특징으로 합니다.
생체 재료, 골 충전재, 약물 전달체 및 산업용 기능성 충진재로 유망한 소재입니다.

- 방해석 마름모꼴(평행사변형) 무한대로 쪼개짐(Cleavage) 특성

방해석은 힘을 가했을 때 일정한 방향으로 갈라지는 ‘쪼개짐(Cleavage)’ 성질이 매우 뚜렷한 광물이며,
불규칙하게 부서지는 ‘깨짐(Fracture)’ 현상은 거의 나타나지 않습니다.
망치 등으로 때리면 기울어진 육면체인 능면체(마름모꼴) 모양의 작은 조각들로 일정하게 쪼개집니다.
쪼개짐 면이 매우 평탄하고 매끄러운 '완전한 쪼개짐' 특성을 보입니다.
3방향으로 쪼개짐이 발달해 있습니다.
방해석을 아무리 작게 부수어도 그 조각들은 여전히 원래의 기울어진 육면체 모양을 유지하며
무한대로 계속 쪼개집니다.
이러한 방해석의 쪼개짐 특성은 광물을 구성하는 원자들의 결합력이 방향에 따라 다르기 때문입니다.
방해석 내부의 원자 배열 구조상 특정 결합 면이 다른 면보다 약하기 때문에,
충격을 주면 그 약한 면을 따라 일정한 각도로 갈라지게 됩니다.

 

발견 당시 화제됐던 칼사이트 결정 천연원석 SSA-179 : 스톤 스토리

다이아몬드 감별기 DIAMOND SELECTOR Ⅱ + 고속충전용 9V 전용 배터리 패키지 SSC-790 : 스톤 스토

방해석 칼사이트 결정 표본 천연원석 박물관소장용 SSA-153 : 스톤 스토리

 

- 방해석 생성 지질 환경 및 생성 과정

· 퇴적암 환경

석회암(Limestone)의 주성분. 생물 기원, 주로 바다 생물의 껍데기 축적으로 형성.
해양 생물 (조개, 산호 등)
CaCO₃ 껍질 형성
퇴적 → 압력 → 석회암 → 방해석

· 열수 광상

뜨거운 물 속에서 용해 → 냉각되며 결정화.
Ca²⁺ + CO₃²⁻ 이온 존재
물에서 과포화 상태
방해석 결정 석출(화학적 침전)

· 변성암

석회암 → 변성 → 대리암(marble).

· 동굴 환경

탄산수소칼슘은 가열하거나 압력이 낮아지면 분해되면서 이산화탄소를 방출하고
탄산칼슘과 물로 변합니다.
Ca(HCO₃)₂(수용액) → CaCO₃ + CO₂ + H₂O 
Ca(HCO₃)₂ → CO₂ 방출 → CaCO₃ 침전.
이렇게 침전된 탄산칼슘은 동굴과 석순으로 알려진 아름다운 지형을 형성합니다.
종유석(Stalactite), 석순(Stalagmite) 형성.

이와 반대로, CaCO3＋H2O＋CO2 → Ca(HCO3)2
빗물(H₂O)에 용해된 이산화탄소(CO₂)는 석회석의 탄산칼슘(CaCO₃)과 반응하여
용해성 탄산수소칼슘(Ca(HCO₃)₂)을 형성합니다.
빗물에 이산화탄소가 녹으면 탄산수가 됩니다.
H2O＋CO2 → H2CO3
탄산칼슘(CaCO3)은 물에 녹지 않지만 산성 용액과 만나면,
물에 잘 녹는 탄산수소칼슘(Ca(HCO3)2)이 됩니다.

방해석(Calcite 칼사이트) 광물표본 천연원석 - 6

방해석(Calcite 칼사이트) 광물표본 천연원석 - 7

열전도율 테스트. 방해석(Calcite 칼사이트) 광물표본 천연원석 - 8

방해석(Calcite 칼사이트) 광물표본 천연원석 - 9

방해석(Calcite 칼사이트) 광물표본 천연원석 - 10

방해석(Calcite 칼사이트) 광물표본 천연원석 - 11

- 방해석 색상

순수한 방해석은 무색 투명 또는 반투명, 백색입니다.
불순물이 섞여 있으면 불투명한 색을 띠기도 합니다.
함유하는 불순물에 따라 노란색, 분홍색, 녹색, 파란색, 하늘색, 연두색, 갈색,
검정색, 형광빛 등 다양합니다.
유리 광택이나 진주 광택을 보입니다.

- 방해석 경도 및 밀도

· 모스 경도 3이며, 손톱(약 2.5)보다 약간 단단, 칼로 쉽게 긁힘.
· 밀도는 약 2.71 g/cm³.

- 방해석 파쇄 특성

특징적으로 비스듬한 사각형 모양(마름모꼴, 평행사변형)으로 쪼개짐(Cleavage).
완전한 능면체 방향 3개.

- 방해석 분포 지역

전 세계적으로 매우 널리 분포합니다.
대표적으로 아이슬란드(아이슬란드 스파), 멕시코, 미국, 중국 등의 지역입니다.
국내에서는 석회암 지대에서 산출됩니다.

- 방해석 사용 용도

산업용으로 시멘트 제조, 석회 생산, 제철 공정(불순물 제거),
건축용으로 대리암 형태로 건축 자재, 예술품 조각 재료 등에 쓰입니다. 
화학 중화제 (산성 토양 개선), 광학 편광 프리즘 (복굴절 이용),
치약, 종이, 플라스틱 충전재 등을도 쓰입니다.

히말라야 크리스탈 수정 천연원석 SSA-263 : 스톤 스토리

아쿠아마린 천연원석 - 밤의 여왕 SSA-123 : 스톤 스토리

에메랄드(Emerald) 결정 보석 천연원석 (인도산) SSA-287 : 스톤 스토리

 

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