원자와 광물, 암석의 정의

 광물은 암석의 구성단위이므로 광물에 대해 연구하는 학문인 광물학에 대한 개론과 함께 지구 구성물질을 논의하는 것이 효과적이다. 더욱이 사람들은 광물을 수천 년 동안 유용 물질 및 장식용으로 이용해 왔다. 채굴된 최초의 광물들은 플린트와 처트인데 처트인데 사람들은 이 광물들을 이용해 무기와 절단 도구에 멋을 냈다. 적철석 같은 광물로부터 철을 추출할 수 있는 기술이 개발되면서 청동기의 시대는 쇠퇴하기 시작했다. 중세시대 동안에, 다양한 광물들을 채굴하는 것은 유럽 전역에서 일반적이었으며 광물에 대해 공식적으로 연구하려는 움직임도 일어났다.

 지질학자들은 광물을 자연산 무기물이며 규칙적인 결정구조와 명확한 화학구성을 갖는 고체로 정의한다. 따라서 광물로 분류된 지구 물질은 다음과 같은 특징을 갖는다.

1. 자연산 : 광물은 자연적인 지질작용에 의해 형성되어야 한다. 따라서 화학자들에 의해 만들어진 다양한 다른 유용 물질들 그리고 합성된 다이아몬드와 루비는 광물로 취급되지 않는다.
2. 고체 : 광물로 여겨지기 위해서는 물질은 일반적인 지표 온도에서 고체이어야 한다. 따라서 얼음은 광물로 여겨지지만 물은 광물로 여겨지지 않는다.
3. 규칙적인 결정구조 : 광물은 결정직 물질로, 물질을 구성하는 원자들이 규칙적이고 반복적으로 배열되어 있다. 원자가 규칙적으로 쌓이면 우리가 결정이라 부르는 규칙적인 모양의 물체가 된다. 흑요석처럼 자연적으로 산출된 고체들 중 일부는 원자구조가 반복적이지 않고, 비결정질이며, 광물로 간주되지 않는다.
4. 분명한 화학조성 : 대부분의 광물들은 2개 이상의 원소들로 이루어진 화합물이다. 금이나 은과 같은 광물들은 순전히 한가지 원소로 이루어져 있다. 석영은 각각의 규소 원자에 2개의 산소 원자가 결합되어 있다. 따라서 어떤 환경에서든지 산소 원자와 규소 원자가 2:1의 비율로 결합하면 항상 석영이 만들어진다. 그러나 비슷한 크기와 전하를 갖는 원소들은 서로 자유롭게 치환하기 쉽다. 그 결과 광물의 화학조성은 시료마다 약간씩 다르다.
5. 무기물 : 소금처럼 지면에서 자연적으로 발견되는 무기질 결정 고체는 광물로 간주된다. 반면에 유기물은 그렇지 않다. 소금처럼 결정질 고체인 설탕은 사탕수수나 사탕무에서 산출되며, 일반적인 유기물의 한 예이다. 그러나 많은 해양동물들은 탄산칼슘(방해석) 같은 무기물을 분비해서 외골격(껍질)이나 산호초를 만든다. 대부분의 지질학자는 이러한 물질들을 광물로 간주한다. 

 

 반면에, 암석은 좀 더 느슨하게 정의된다. 단순히, 암석은 지구 구성물질로서 자연적으로 산출되는 광물 또는 광물과 유사한 고체 물질이다. 어떤 암석들은 거의 한 가지 광물로 이루어진다. 그 한 예가 방해석 광물 덩어리로 이루어진 퇴적암인 석회암이다. 그러나 화강암처럼 대부분의 암석들은 여러 종류의 광물들이 뭉쳐 집합체 형태로 산출된다. 어떤 암석들은 비광물로 이루어져 있다. 비 광물 물질로는 비결정질 유리질 물질인 흑요석과 부석 그리고 고체 유기물질 덩어리인 석탄 등이 있다. 

 

 원소는 화학적, 물리적 방법에 의해 더 이상 분해되지 않는 물질이다. 자연계에서는 약 90개의 다른 종류의 원자들이 존대한다. 게다가 과학자들은 약 23개의 인공원소를 만들었다. 자연계에서 구리와 금 같은 원소들은 단일 원자들이 기본 단위로 존재한다. 그러므로 자연 구리와 자연금은 완전히 한 가지 원소로 이루어진 광물들이다. 그러나 대부분의 원소는 반응이 커서 하나 또는 더 많은 원소의 원자들이 서로 결합해 화합물을 형성한다. 그 결과 대부분의 광물은 2개 이상의 다른 원소들로 이루어진 화합물이다. 

 원소들이 어떻게 결합하여 화합물들을 이루는지 이해하기 위해서는 먼저 원자에 대해 생각해야 한다. 원자는 원소의 본질적인 특징을 갖는 가장 작은 입자이다. 실제로 결합에 참여하는 것은 이 극도로 작은 입자이다. 원자의 중앙부를 핵이라고 한다. 핵은 양성자와 중성자를 포함한다. 양성자는 양전하를 띠는 매우 무거운 입자이다. 중성자는 양성자와 똑같은 질량을 가지며 입자의 전하는 중성이다. 전자는 핵 주위를 돌고 있으며 음전하를 띠고 있다. 사람들은 종종 편의상 핵 주위를 돌고 있는 전자를 태양 주위로 궤도를 따라 규칙적으로 돌고 있는 행성들처럼 그린다. 하지만 전자는 행성보다 덜 예측적인 방법으로 움직인다. 그 결과, 전자들은 핵 주위에 구 모양의 음전하대를 만든다. 전자의 위치를 보다 실제에 가깝게 그려본다면 음전하를 띤 전자의 구름이 핵을 둘러싸고 있는 형태이다. 전자 배열에 대한 연구를 통해 개개의 전자들은 주껍질 또는 에너지준위라고 불리는 핵 주변 지역 내에서 움직인다고 추측된다. 더구나 각 전자 껍질은 정해진 수만큼만 전자를 포함할 수 있는데 가장 바깥 껍질은 원자가전자를 포함한다. 원자가전자는 화학결합에 참여하기 때문에 중요하다.

 어떤 원자들은 핵 속에 단 하나의 양성자를 갖는 반면 또 다른 원자들은 100개 이상의 양성자를 갖는다. 원자의 핵 속에 있는 양성자의 수를 원자번호라고 부른다. 예를 들어, 양성자가 6개인 원자는 모두 탄소 원자이며, 그러므로 탄소의 원자번호는 6이다. 마찬가지로, 양성자가 8개인 원자는 모두 산소 원자이다. 자연계에서 원자에는 또한 양성자의 수와 같은 수의 전자를 갖고 있어서, 원자번호는 핵 주위의 전자 수와도 같다. 그러므로 탄소는 6개의 양성자에 맞춰 6개의 전자를 갖고 있고, 산소는 8개의 양성자에 맞춰 8개의 전자를 갖고 있다. 중성자는 전하를 띠고 있지 않기 때문에 양성자의 양전하와 전자의 음전하는 균형을 이룬다. 결과적으로, 자연계에서 원자들은 전기적으로 중성이며 전체적으로 전하를 띠고 있지 않다.