장석 - 나무위키
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장석의 화학식은 같은 망상 구조를 갖는 석영(SiO2)에 알칼리 금속을 치환시키면 만들 수 있다.[4]
8SiO2 (Qz) + Na2O + Al2O3 = 2NaAlSi3O8 (Ab) + 2SiO2
Qz = Quartz
Ab = Albite
이 때 1가 양이온인 알칼리 금속(여기서는 소듐)이 알루미늄과 함께 치환되는건, 전하 균형을 맞추기 위함이다. (Na+Al3+=Si4+)
소듐은 같은 알칼리 금속인 포타슘과 같은 1가 양이온이라는 성질을 공유하기 때문에, 1:1로 자리 교환만을 통해 치환을 할 수 있다. 다만 더 작은 알칼리 금속인 리튬은 장석의 격자 구조에 들어가기에는 너무 작아서 치환이 일어나지 않는다. 반대로, 루비듐은 너무 커서 많이 들어가지 못한다.[5] 한편, 소듐과 전하는 차이가 나지만 이온 반경이 거의 동일한 칼슘이 소듐과 무척 잘 치환한다. 하지만 전하 차이가 발생하기 때문에 이 때 규소를 알루미늄으로 함께 치환시킨다.
2NaAlSi3O8 (Ab) + 2CaO + Al2O3 = 2CaAl2Si2O8 (An) + Na2O + 2SiO2
An = Anorthite
비록 알루미늄을 함께 치환한다는 문제가 있긴 하지만[6], 워낙 소듐과 칼슘의 이온 반경이 비슷해서 이 치환은 아주 자연스럽게 일어난다.
문제는 포타슘과 칼슘인데, 비록 소듐과 각각은 성질이 비슷하지만 정작 둘은 전하 차이가 날 뿐더러 이온 반경 차이까지 나서 치환을 일으키지 않는다. 이 때문에 결국에는 CaAl = NaSi 치환과 NaSi = KSi 치환만이 일어나게 된다. 칼슘이 들어 있는 자리에 같은 2가 양이온인 마그네슘이나 2가철은 그 크기가 칼슘에 비해 너무 작아서 치환이 거의 일어나지 않는다. 다만, 칼슘 대신에 스트론튬이나 바륨이 미량 섞여 있는 것은 가능하다. 또한 이온 반경이 비슷한 2가양이온 유로퓸은 잘 들어가는 편인데, 문제는 유로퓸 자체가 지구상에 소량만 존재하는 원소이다.
결과적으로 장석 내에 과량으로 섞여 있어 하나의 '단종'(end-member)을 만들어낼 수 있는 원소는 칼슘, 소듐 그리고 포타슘으로 3개가 있다.[7] 이에 따라 아래와 같은 삼각 도표를 통해 장석의 성분 변화를 도시하는 것이 가능하다.
회장석 (Anorthite) - CaAl2Si2O8 (An)
조장석 (Albite) - NaAlSi3O8 (Ab)
정장석 (Orthoclase) - KAlSi3O8 (Or)
위의 이온 치환상의 특성에 의해, 회색으로 색칠된 영역에서만 장석이 발견된다. 즉, 칼슘과 포타슘 치환이 일어나지 않아, 회장석과 정장석 사이의 고용체는 성립하지 않는다. 또한 온도가 높아지면 치환에 요구되는 에너지가 쉽게 만족할 뿐만 아니라, 결정 내의 공간도 조금 넓어지기 때문에 장석의 안정 영역이 점점 넓어진다. 물론 어느 정도 이상의 온도가 되면 장석이 완전히 녹아버리므로 한계가 있다.
흥미로운 점은 장석 내에서 치환은 양이온의 전하값보다는 이온 반경의 크기가 좀 더 결정적이라는 것이다. 이는 장석의 세부적인 대칭 구조를 만들거나 깨뜨리는 것이 금속 이온이 들어가는 자리의 크기이기 때문이다. 이 크기가 크냐 작냐에 따라 세부적인 대칭 요소가 변화하며, 이 작은 변화가 장석 전체의 결정계가 단사정계인지 삼사정계인지까지 좌지우지한다. 실제로 더 큰 양이온이 들어가 있는 정장석은 대칭면이 추가되면서 단사정계(monoclinic)인데 반해, 나머지 더 작은 양이온과 함께하는 장석들은 대칭이 깨지면서[8] 삼사정계에 머무르게 된다.
이 말인 즉슨, 온도가 높아서 대칭 요소를 유지시켜주지 않는 이상 조장석과 정장석은 고용체 관계를 성립시킬 수 없다는 뜻이 된다. 조장석과 정장석의 혼합으로 설명되는 알칼리 금속이 풍부한 장석을 알칼리 장석이라 하는데, 알칼리 장석은 결국 서로 완전한 고용체 관계를 가질 수 없으며, 오로지 수백도 이상의 고온에서만 하나의 상(phase)으로 존재한다. 더군다나 이 고온의 상태에서도 포타슘이 충분히 많아야 단사정계 격자 구조를 갖는데, 이를 새니딘(sanidine)이라고 한다.[9] 새니딘이 안정하지 않은 저온인 경우, 알칼리 장석은 소듐이 풍부한 삼사정계 사장석과 포타슘이 풍부한 단사정계 정장석으로 구분되어 존재한다. 이 때의 저온 정장석을 가리켜 미사장석(microcline)이라고 부른다. 이외에도 고온에서 포타슘이 어느 정도 섞여 있는 조장석을 아노르소클래이스(Anorthoclase)라고 구분하기도 한다.[10] 만약 원래 고온이었던 새니딘이 온도가 천천히 내려가 다시 평형을 이루는 경우, 새니딘은 더 이상 자신의 상태를 유지하지 못하며 소듐과 포타슘 중에서 양이 적은 쪽의 장석을 '용출'(exsolve)시킨다. 이 때 포타슘이 풍부해서 식어서 사장석이 결정 벽개면을 따라 스며나온 경우 이를 퍼사이트(perthite)라고 부른다. 반대의 경우 이를 역퍼사이트(antiperthite)라고 한다. 알칼리 장석의 이와 같은 복잡한 행동과 조건부 고용체 관계 때문에, 알칼리 장석(혹은 그의 단종인 정장석)은 간혹 상황에 따라 사장석과 별개로 언급되기도 한다. 가장 위에 있는 보웬의 반응계열에서도 이와 같은 구분을 확인할 수 있다.
알칼리 장석의 이와 같은 복잡한 행동이 이온 반경의 크기와 이에 따른 격자 구조의 변화 때문이라는 점을 생각해보면, 조장석과 회장석의 고용체는 상황이 나을 것임을 짐작할 수 있다. 역시나 조장석과 회장석은 훨씬 잘 어울리며 완벽한 고용체 관계를 유지한다. 조장석과 회장석의 고용체를 사장석이라고 부르는데, 사장석은 이렇다할 복잡한 세부 명칭이 존재하지 않는다. 임의적인 성분 구분에 따른 명칭이 있었으나,[11] 이것이 결정학적 근거가 없다는 이유로 오늘날은 지양되고 있다.
https://namu.wiki/w/%EC%9E%A5%EC%84%9D
치환한 셀시안(Celsian)이라는 장석이 산출하기도 한다.
[8] 이는 양이온 자리가 수축하면서 공간의 양 쪽을 마주보는 이온 자리에 대한 거울면이 성립하지 않게 되기 때문이다.
[9] 특히 온도가 높을 때와 비교적 낮을 때의 새니딘은 서로 Si-Al 대칭 요소에 차이가 있는데, 이를 각각 high-sanidine과 low-sanidine이라고 구분한다.
[10] 화산암에서 발견된다.
[11] 바이토우나이트, 래브라도라이트, 올리고클래이스 등의 이름이 포함된다.
[12] 석영과 구분되는 특징이기도 하다.
[13] 박편이 두꺼우면 노르스름한 색이 나타날 수도 있다.
[14] 사진에서 보이는 굵직굵직한 검고 흰 무늬가 알바이트 쌍정 무늬
[15] 종종 아래 알칼리-장석의 특징적인 쌍정인 칼스바드 쌍정은 사장석에서도 발달할 때가 있다. 그리 희귀한 경우도 아니어서 칼스바드 쌍정과 반복쌍정이 함께 나타나는 경우도 많이 관찰된다. 칼스바드 쌍정이 있더라도, 반복쌍정이 발달하는 경우 사장석으로 판단하면 잘 틀리지 않는다.
[16] 개방니콜에서는 사장석과 마찬가지로 조금 지저분한 표면의 투명함이 특징이다.
[17] 각각은 쌍정은 현미경상에서의 모양은 거의 같으나 각도가 각각 다르다. 주로 나타나는 것은 칼스바드 쌍정이다.
[18] 얼음도 광물이다! 광물을 정의하는 기준에 얼음이 모두 해당하기 때문이다. 얼음-물의 관계를 돌-마그마의 관계로 생각하면 납득하기 쉽다.
[19] 그 중에서도 jadeite.
[20] 얘도 group 이름이다.