지구의 뿌리 '자철석(Magnetite)' 광물 천연원석 탐구 (4)

자철석(磁鐵石, Magnetite, 마그너타이트)은 가장 잘 알려진 철광석이자 자연 자석으로,
지질학·물리학·문화사까지 다양한 이야기를 품고 있는 흥미로운 광물입니다.
자철석은 '지구의 뿌리'와도 같습니다.
자철석은 지구 존재의 근원을 밝혀주는 경이로운 신비가 아닐 수 없습니다.
자철석은 자연적으로 자성을 띠는 광물로 철(Fe)을 함유한 산화물입니다. 
우리는  자석에 달라붙는 철(Fe) 성분이 함유된 자철석을 통해서,
지구 생명체 근원의 한 핵을 이루고 있는 거대한 지구 자기장의 존재에 접근하게 됩니다.

자철석은 '자석처럼 철을 끌어당기는 돌'이라는 뜻입니다.
영어명 Magnetite는 고대 그리스 지역 'Magnesia'에서 유래했습니다.
이 지역에서 자성을 띠는 돌이 발견되었기 때문에 이와 같은 이름이 붙었습니다.

자철석의 가장 큰 특징은 자성을 띤다는 것입니다.
자연상태로 발견되었을 때 그 어떤 광물보다 자성을 갖는 비율이 높습니다.
자철석은 강자성체(Ferromagnetic material)이기 때문에
자석의 자기장에 반응하여 강하게 끌려옵니다.
자석 가까이에 두면 서로 딱 달라붙습니다.

자철석의 철(Fe) 성분들은 지구 자기장과 맞춰서 배열되기 때문에,
이를 토대로 암석이 형성되던 당시의 지구자기장을 연구할 수 있습니다.
이런 지구자기장의 물리학적 이론은 우주의 행성들까지 연장됩니다.
그런 의미에서 자철석은 우주 진화의 일기장과도 같습니다.

우리가 운석으로 의심되는 암석을 발견했을 때,
가장 먼저 자성이 있는지 여부부터 테스트하는 이유는 뭘까요?
자성 테스트는 '운석일 가능성이 높은지를 신속하게 판단'하는 데 매우 효과적인 첫 단계입니다.
운석은 일반적으로 철과 니켈을 포함해 자성을 띠는 반면,
지구 암석은 대부분 자성이 없기 때문입니다.
운석의 약 90% 이상은 철(Fe)이나 니켈(Ni)과 같은 금속 성분을 포함합니다.
특히 철운석(Iron meteorites)이나 석철운석(Stony-iron meteorites)은 자석에 강하게 반응합니다.
반면에 지구상에 흔한 화강암, 사암, 석회암 등은 자성이 거의 없습니다.
따라서 자석에 전혀 반응하지 않는다면, 운석일 가능성이 낮아지는 1차 필터 역할을 합니다.
이처럼 자석만 있으면 테스트가 가능하므로,
현장에서 쉽게 사용할 수 있는 기초적인 감별 도구입니다.
시간과 노력을 절약하고, 운석일 가능성이 있는 표본을 빠르게 판별할 수 있습니다.

자철석은 세계 최초의 천연 자석으로 알려져 있으며,
고대 중국과 그리스에서는 이를 나침반으로 사용했습니다.
고대인들은 자철석이 철을 끌어당기는 힘이 있다는 것과
지구도 자철석을 끌어당긴다는 사실을 발견하고,
방향을 찾는 나침반을 발명해냈습니다.
이는 항해 기술 발전에 큰 기여를 했습니다.

자철석과 관련하여 신통방통, 흥미로운 점은...
철새들의 뇌 속에는 자철석 결정이 들어있어서
방향을 감지하는 메커니즘이 작동한다고 합니다.
머나 먼 강남(동남아시아)으로 떠났던 제비가,
해마다 봄이 되면 어떻게 그렇게 자기 집을 잘 찾아오는지 궁금했었는데요.
바로 이 자철석 결정이 제비의 뇌 속에 내장돼 있다고 합니다.
한편, 잉글랜드는 하늘에서 보면 북극을 향하는 자기장과 일치하는 방향으로
특정 수목의 산림지대가 형성돼 있다고 합니다.
이 나무들은 자성이 있는 철 성분의 수분을 많이 먹고 자라서 그런 걸까요?
아무튼, 이것도 궁금하고 신비할 따름입니다.

 

 

 

탐구할 광물표본은 자철석(磁鐵石, Magnetite) 천연원석 입니다.
표본은 같은 종류 자철석 2개입니다.
# 크기 
① 굵은 타원형 모양: 6.3 X 3.4 X 2.5 Cm
② 얇고 길쭉한 모양: 7.0 X 3.5 X 1.8 Cm
# 무게
① 굵은 타원형 모양: 80g
② 얇고 길쭉한 모양: 76g
자철석의 화학식은 Fe₃O₄이며, 산화철의 한 종류입니다.
자성이 있는 철(Fe) 성분을 함유한 광물을 말합니다.
그래서 자철석은 자석에 달라붙습니다.
표본 자철석의 색상은 검은색입니다.
자철석의 조흔색도 역시 검은색입니다.
자철석은 종종 티타늄을 함유합니다.
이 경우 티탄철석(Ilmenite)이라고 부릅니다.
이 외에도 망간, 인, 마그네슘 등을 함유합니다.
자철석 자체를 강한 자력을 가진 자석으로 생각하는 것은 다소 무리가 있습니다.
자철석은 암석이고, 자성을 띠는 것은 그 구성 성분의 일부인 철(Fe) 자체의 특성입니다.
순수한 자철석 결정의 경우에는 자성이 다소 강하기 때문에
쇠 클립을 가까이 가져가면 끌어당기며 붙기도 합니다.
반면에, 황화철(黃化鐵, Iron sulfide)의 경우에는
화학식이 FeS 또는 Fe₂S₃인데요.
황화철은 철이 황과 화합한 화합물로써, 철의 자성이 억제됩니다
황화철은 자성이 없습니다.
표본은 전체적으로 자연 수마가 잘 되서 둥글둥글한 모양이고 표면이 부드럽습니다.
모양도 예쁘고 사이즈가 아담해서 학생들이 다루기가 편할 것 같습니다.
학생들 과학 시간 관찰 및 실험 교재용으로 추천합니다.

*수마(Waterworn 계곡이나 강, 해변에서 물의 흐름에 의한 자연적인 연마 현상)

*자철석+자석 실험 참고 사항
자철석과 자석이 서로 달라붙는 관찰 실험을 할 때에는,
자성이 강한 자석을 사용하는 것이 좋습니다.
왜냐하면 자철석 자체가 자석이 아니고,
암석 내 함유된 자성을 가진 철(Fe) 성분의 함량이나 순도에 따라서,
자성의 세기가 강하거나 약할 수 있기 때문입니다.

자철석(磁鐵石, Magnetite) 표본 천연원석 - 1

자철석(磁鐵石, Magnetite) 표본 천연원석 - 2

자철석(磁鐵石, Magnetite) 표본 천연원석 - 3

자철석(磁鐵石, Magnetite) 표본 천연원석 - 4

자철석(磁鐵石, Magnetite) 표본 천연원석 - 5

- 자철석 화학식 및 구성 성분

· 화학식: Fe₃O₄
· 구성 성분: 철(Fe²⁺, Fe³⁺ 혼합 상태), 산소(O)
특징은 철이 두 가지 산화 상태로 존재하는 혼합 산화물이라는 점입니다.

- 자철석 생성 지질 환경 및 생성 과정

· 생성 환경: 화성암 (특히 현무암, 반려암), 변성암, 퇴적층 (철층, banded iron formation)
· 생성 과정
마그마가 냉각되며 철이 농집 → 자철석 결정 형성
열수작용 → 철 성분이 농축되어 침전
퇴적 작용 → 해양에서 철이 산화되어 층상 구조 형성

 

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

지구의 뿌리 자철석 표본 천연원석 관찰교육용 SSA-379 : 스톤 스토리

자석에 달라붙는 자철석 표본 천연원석 2종세트 교육교재용 SSA-131 : 스톤 스토리

 

- 자철석의 물리 · 화학적 성질 및 특성

자철석은 산화 광물로 등축정계에 속하며
결정 그대로 또는 덩어리 모양, 알갱이 모양, 층 모양을 이루며 존재합니다.
색상은 주로 검은색을 띠고 금속광택이 있고,
광물 가운데 자성(磁性)이 가장 강합니다.

· 결정계: 등축정계(입방정계)
· 결정모양: 팔면체
· 색상: 검은색
· 광택: 금속광택
· 조흔색: 검은색
· 쪼개짐: 불분명
· 밀도: 약 5.2 g/cm³ (상당히 무거운 편)
· 모스경도: 5.5
· 파쇄 특성: 쪼개짐(cleavage)은 거의 없음, 깨짐(fracture)은 불규칙 또는 패각상(조개껍질 모양)
· 강한 자성(ferromagnetism)
· 전기 전도성 있음
· 산화되면 적철석(Fe₂O₃)으로 변할 수 있음

또 다른 자성이 있는 비슷한 광물로
적철석(赤鐵石, Hematite, 헤마타이트)이 있는데요.
결정계는 삼방정계이고 화학식은 Fe₂O₃ 입니다.
적철석은 일반적으로 약한 자성을 갖는 광물입니다.
순수한 적철광은 상자성 특성으로 인해 일반적으로 자성이 약합니다.
특정 형태의 적철석은 약한 자성을 보이므로,
자석에 약간의 인력을 보이는 정도입니다.
그러나 자철석처럼 강한 자성을 갖는 것은 아닙니다.
적철석은 퀴리온도 (575°C) 이상으로 가열되면 자성을 잃게 됩니다.
자철석은 겉으로 보이는 색과 조흔색이 모두 검은색으로 같지만
적철석은 겉으로 보이는 색은 적갈색이거나 검은색이지만
조흔색은 적갈색으로 서로 다릅니다. 

 

자철석(磁鐵石, Magnetite) 표본 천연원석 - 6

자철석(磁鐵石, Magnetite) 표본 천연원석 - 7

열전도율 테스트. 자철석(磁鐵石, Magnetite) 표본 천연원석 - 8

자철석(磁鐵石, Magnetite) 표본 천연원석 - 9

자철석(磁鐵石, Magnetite) 표본 천연원석 - 10

자철석(磁鐵石, Magnetite) 표본 천연원석 - 11

- 자철석 주요 분포 지역

호주(Australia), 브리질(Brazil), 스웨덴(Sweden), 러시아(Russia),
중국(China) 등의 지역에서 주로 산출됩니다.
국내에서는 강원도 일부 지역에 분포하는 것으로 알려져 있습니다.

- 자철석 주요 사용 용도

자철석은 산업적으로는 철 생산의 핵심 자원입니다.
중요한 제철 원료로써 철의 생산에 사용됩니다.
'코크스+석회석'을 혼합하여 용광로에 넣고 가열하면,
금속광택을 지닌 순수한 철을 뽑아낼 수 있습니다.
자철석의 또 다른 용도는 바로 나침반인데요.
얇게 떼어낸 자철석 결정의 자성을 활용한 것입니다.

· 산업 분야
철강 원료(중요한 철광석 중 하나), 방사선 차폐용, 자성 재료, 환경 정화(중금속 흡착) 등.

· 의료 및 과학 기술 분야
나노 자철석: 의료 MRI 조영제, 암 치료 연구(표적 전달, 자기 가열 치료) 등.
전자기기, 기록매체, 자기 저장 장치, 나침판 등.

 

히말라야 크리스탈 수정 천연원석 SSA-263 : 스톤 스토리

세계적 희귀 금 함유 규화목 화석표본 학술연구용 SSA-373 : 스톤 스토리

철기시대 주역 적철석 표본 천연원석 학술연구용 SSA-377 : 스톤 스토리

 

#자철석 #magnetite #마그너타이트 #자철석표본 #자철석원석 #천연자철석 #철광석 #자성광물 #자기장 #지구자기장 #자철석실험 #자성 #자성광물 #자석 #나침판 #원석 #자연석 #천연원석 #천연암석 #광물 #암석 #보석 #화석 #광물표본 #암석표본 #취미 #수집 #이색수집 #암석수집 #돌수집 #원석수집 #천연원석수집 #암석종류 #암석관찰 #희귀암석 #미네랄 #광상 #지각 #지질 #지층 #암석관찰 #지구과학