차시명: 2주차 제3강

주제: 광물과 암석 1부 – 광물

동기 유발:  우리가 발 디뎌 살고 있는 이 땅은 암석과 그 풍화물로 이루어져있습니다. 이들 암석과 풍화물들은 광물로 구성되어 있습니다. 우리가 평상시 잘 느끼지는 못하지만, 광물과 암석은 이렇게 늘 우리에게 가까이 있습니다. 우리는 이들 광물과 암석으로부터 수많은 금속 비금속 자원을 채취하여 그 혜택을 누리고 있으니, 광물과 암석 없인 우리 삶을 영위하기는 불가능합니다. 이 단원에서는 광물과 암석의 종류, 광물질로 인한 환경 문제, 광물 자원의 이용, 광산 개발에 따른 환경 문제, 그리고 방사능과 환경 문제들에 대해 다룹니다.

학습 목표: 광물이란 무엇인지, 어떻게 만들어지는지, 그리고 어떤 종류가 있는지를 파악하자

강의 타이틀: 2. 광물과 암석 1부 – 2-1. 광물

[slide #1]

안녕하십니까?

(설명에 따라 하나씩 나타나도록)

지구의 선물인 자원은 우리 주변을 둘러보면 참으로 많은 곳에 사용되고 있습니다. 자원은 크게 광물 암석 자원, 에너지 자원, 수자원으로 나눌 수 있습니다. 광물 자원에는 금속과 비금속 자원, 에너지 자원은 화석 연료와 핵연료 자원, 그리고 수자원은 지표수와 지하수 자원으로 나누어 볼 수 있습니다. 우리는 앞으로 이들 자원의 이용과 그로 인한 환경 문제들에 대해 하나씩 다룰 것입니다.

[slide #2]

우선은 이들 자원 중 광물, 암석 자원에 대해 먼저 살펴보도록 하겠습니다. 도시에 높아 솟아오른 건물을 짓는 콘크리트, 거리를 가득메운 자동차, 각 가정에 소중히 사용하는 자기 그릇들 이 모든 것이 광물로부터 만들어진 것입니다. 이 외에도 광물이 사용되는 예는 무수히 많습니다.

[slide #3]

그렇다면 이런 광물은 도대체 무엇일까요?  광물은 영어로 mineral이라고 하는데요, 지질학에서 말하는 엄격한 의미에서의 광물은 다음과 같은 조건을 모두 만족하는 것입니다.

(하나씩 차례로 보이도록)

광물이 되기 위해서는 첫 번째로 무생물적으로 만들어져야 합니다. 예를 들면 조개가 만드는 진주 같은 것은 엄밀한 의미에서 광물이라 할 수 없습니다.

두 번째로는 자연산이어야 합니다.  인간이 합성한 다이아몬드를 비롯해 여러 가지 결정들은 자연산이 아니기 때문에 도 엄밀한 의미에서 광물이라 부를 수 없습니다.

세 번째는 일정한 화학조성을 가져야 합니다.  이 것은 항상 고정된 화학 조성을 가져야 한다는 의미는 아닙니다.  화학 조성이 어떤 범위의 값을 가질 수도 있습니다만, 무작위 값을 가져서는 광물이라 부를 수 없습니다.

광물이 되기 위한 네 번째 조건은 일정한 내부 구조를 가져야 한다는 것입니다. 내부 구조란 광물을 구성하고 있는 원자들의 결합에 따른 공간적 배열을 의미합니다.  즉, 광물이 되기 위해서는 이 공간적 배열이 일정하여야 한다는 뜻입니다.  이에 대한 설명으로 유리의 예를 들어보겠습니다. 유리는 우리 인간이 살아가는데 없어서는 안될 소중한 물건입니다.  이 유리는 광물일까요?  두 가지 점에 있어서 유리는 광물이 아닙니다.  우선 우리가 사용하는 유리는 사람이 만들었으므로 위 광물이 되기 위한 두 번째 조건 자연산이어야 한다는 것을 위반하였으므로 광물이 아닙니다.  또한 유리는 일정한 내부구조를 갖지 않습니다. 그래서 광물이 아닙니다.  자연적으로 산출되는 유리도 있습니다.  바로 화산 폭발시 분출되는 화산재나 매우 급하게 식은 용암이 유리를 포함하고 있는데, 이 유리들은 자연산이지만 일정한 내부 구조를 갖지 못하므로 광물이 아닙니다.

광물이 되기 위한 마지막 조건은 당연히 고체이어야 한다는 것입니다. 수은은 자연산으로 단일 원소형태로 산출되지만, 상온 상압에서 액체 상태이기 때문에 광물이 아닙니다.

지금까지의 광물에 대한 정의는 매우 엄격한, 그래서 좁은 뜻(협의)의 광물에 대한 정의라고 합니다.  대개는 좀 더 넓은 뜻으로 광물이라는 용어를 사용합니다, 위 조건 중 세 번째, 네 번째 그리고 마지막 조건을 만족하면 결정이라고 하는데, 이를 넓은 의미의 광물이라고 생각해도 무방합니다.

[slide #4]

(설명에 따라 진하게)

광물은 매우 다양한 방법으로 만들어집니다.  마그마라 부르는 용융물이 굳어지면서 만들어지기도 하고, 수용액에서 침전되어 만들어지기도 하며, 변성작용이라 부르는 지질작용에 의해서도, 생물의 작용에 의해서도 그리고 기타 다양한 화학 반응에 의해서도 만들어집니다. 이렇게 만들어진 광물 한 두 가지가 특별히 집중되어 나타나는 곳을 광상이라고 하며, 경제적으로 채광하여 광물 자원을 채취할 수 있는 대상이 됩니다.  광상에 대해서는 뒤에 조금 더 자세히 배우도록 하겠습니다.

[slide #5]

(설명에 따라 강조)

광물은 주요 결합 성분에 따라 종류를 구분합니다.  지각의 대부분을 구성하는 광물들은 Si-O 결합을 기본 뼈대로 하는 것들인데, 이러한 광물을 통칭해서 규산염광물, 즉 silicates라고 합니다.  사실은  규산염광물은 지각뿐만 아니라, 맨틀, 운석, 그리고 다른 행성들의 암석 부분을 이루는 주요 광물입니다.

[slide #6]

규산염 광물을 구성하는 Si은 네 개의 산소와 직접 결합하여 Si-O4 사면체를 이루며 산소는 두 개의 실리콘과 직접 결합하여 이 사면채 들을 연결합니다. 규산염광물의 예로는 정장석, 투휘석, 투각섬석 등이 있습니다.

[slide #7]

이 것은 정장석 결정의 모습입니다. 이 광물은 유리, 도자기, 페인트 등을 만드는데 사용됩니다.

[slide #8]

이 것은 투휘석의 결정 사진입니다. 이 광물이 이와 같이 좋은 결정으로 산출되면 보석으로 이용됩니다.  이 밖에 유리 공업 및 요업에서 사용됩니다.

[slide #9]

이 것은 투각섬석 결정의 사진입니다. 우리는 이런 모양을 침상 또는 섬유상이라고 하는데, 이렇게 길게 자란 투각섬석은 석면이 됩니다. 석면의 위험성은 나중에 따로 자세히 얘기하기로 하겠습니다.

지금까지 보신 광물들은 결정들이 모두 제 모습이 잘 갖춰져 있습니다. 하지만 실제로 자연에서는 이렇게 제 모습을 갖는 경우가 오히려 드뭅니다. 왜냐하면 광물의 결정이 성장할 때 그 옆에 다른 결정이 같이 자라면서 서로 방해하기 때문입니다.  집 근처의 산이나 들에 암석이 있으면 주어서 자세히 살펴보시기 바랍니다.  아마도 암석이 입자들로 촘촘히 구성되어 있을 것입니다. 이 각각의 입자가 다 광물 결정인데, 이들 중 제 모습을 갖춘 결정은 거의 없을 것입니다.

[slide #10]

규산염 광물 이외에도 많은 광물들이 있습니다.  이들을 함께 묶어 비규산염광물이라고 하는데, 이들 중 많은 수가 우리 주변에 흔히 발견됩니다.

비규산염 광물에는 산화광물, 수산화광물, 황산염광물, 탄산염광물, 인산염광물, 할로겐광물, 황화광물, 원소광물 등이 있습니다. 이들 광물의 구분은 이미 앞에서 말씀드렸듯이 결합을 이루고 있는 성분에 따라 하는데요, 특히 음이온 성분에 따라 합니다.

[slide #11]

예를 들면 탄산염 광물은 모두 탄산기 CO32-를 갖고 있습니다. 이 음이온과 금속 양이온이 결합하여 광물을 만든 것이지요.  탄산염 광물의 대표적인 광물인 방해석은 그 화학식이 CaCO3인데요, CO32-가 Ca2+와 결합한 광물입니다. 다른 광물들도 어떤 음이온들과 결합하고 있는지 살펴보시기 바랍니다.

이 강의를 통해 광물들에 대해 자세히 소개할 시간은 없습니다. 그렇게 하자면 아마도 일년을 꼬박 써도 모자랄 것입니다.  이 강의의 목표는 여러분에게 광물은 무엇이고, 어떤 종류가 있으며, 어떻게 이용하고 그에 따라 어떠한 환경 문제가 있을 수 있는지를 이해시키는 것입니다.

지금까지 광물의 정의와 생성, 종류 그리고 그 이용에 대해 알아봤습니다.  다음 시간에는 각 광물의 종류별로 대표적인 광물의 결정들을 살펴보도록 하겠습니다.

안녕히 계십시오.

[끝]

심화 토론:

가정에서 광물로 또는 광물에서 추출된 성분으로 만들어진 물건을 찾아 그 목록을 만들고, 그것들이 어떤 광물로 만들어졌는지 조사합시다. 조사한 광물들 중 수입된 것의 비중은 얼마나 됩니까?  만일 이 광물들의 수입이 더 이상 불가능해지면 어떤 어려움이 있을까요?