황철석

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1. 개요
2. 용도
3. 문제점 및 위험성
- 3.1. 환경 오염
- 3.2. 건축 자재 문제
4. 결정학적 특징 및 종류
5. 산출 및 분포
6. 문화적 의미
참조

1. 개요

황철석은 입방 결정계에 속하는 황화물 광물로, 16~17세기 화약무기의 점화원으로 사용되었고, 고대부터 황산철 제조에 사용되었다. 현재는 황산화물 생산, 리튬 금속 전지 음극 재료, 반도체 재료, 결정 라디오 검파기, 태양 전지 재료 등으로 활용된다. 황철석은 환경에 노출되면 산화되어 산성 광산 배수와 같은 문제를 일으키며, 건축 자재로 사용될 경우 콘크리트 열화를 유발할 수 있다. 결정 형태와 유사 광물과의 구별, 산출 및 분포, 문화적 의미에 대한 정보도 제공된다.

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황철석
기본 정보
황철광, 안카시, 페루
광물 분류	황화 광물
화학식	FeS₂
몰 질량	119.98 g/mol
결정계	등축정계
결정형	입방체, 면에 줄무늬가 있을 수 있음, 또한 종종 팔면체 및 오각십이면체. 종종 서로 겹쳐져 있음, 덩어리, 방사형, 입상, 구상 및 종유석 모양.
쌍정	관입 및 접촉 쌍정
쪼개짐	{001}에서 불분명함; {011} 및 {111}에서 분리됨
파단	매우 고르지 않음, 때로는 조개껍질 모양
굳기	6–6.5
광택	금속성, 번쩍임
조흔색	녹흑색에서 흑갈색
비중	4.95–5.10
밀도	4.8–5 g/cm³
용해도	물에 불용성
투명도	불투명
기타	상자성
명칭
영어	Pyrite, Fool's Gold
한국어	황철석
그리스어	(pyritēs lithos)
그리스어 (로마자 표기)	pyritēs lithos
그리스어 (어원)	(pyr, 불)
이름의 유래	그리스어에서 불을 의미하는 "pyr"에서 유래. 이는 황철석을 두드리면 불꽃이 튀는 데서 비롯됨.
추가 정보
역사	1550년경부터 알려짐.
별칭	'바보 금'이라고도 불림.
발견	해저 열수 분출공에서 발견된 비늘발고둥의 갑각에서 발견됨.
광상	칼린 트렌드 금 광상에서 금을 함유한 비소 함유 황철광과 마르카사이트, 그리고 유비철광이 발견됨.
일본어 정보
일본어 광물명	황철광 pyrite
일본어 분류	유화광물
일본어 색	황동색
일본어 조성	FeS₂
일본어 경도	6 - 6.5
일본어 비중	5.0
일본어 결정계	등축정계
일본어 광택	금속 광택
일본어 조흔색	녹흑색
일본어 쪼개짐	없음
일본어 형광	없음
일본어 단구	패각상
한국어 정보
한국어 이름	황철석
한국어 화학식	FeS₂
한국어 질량	119.98
한국어 결정상	입방정, 면에 줄무늬가 있을 수 있지만, 팔면체와 오각십이면체도 자주 나타남. 종종 서로 겹쳐져 있으며, 괴상, 방사상, 입상, 구상 및 종유석 모양으로 나타남.
한국어 결정계	등축정계
한국어 경도	6 ~ 6.5
한국어 광택	금속성
한국어 조흔색	녹흑색에서 흑갈색
한국어 밀도	4.8 ~ 5

2. 용도

황철석은 다양한 용도로 활용되어 왔으며, 시대에 따라 그 중요성이 변화해 왔다.

가열하면 이산화황 가스가 발생하고, 황을 완전히 제거하기 어렵기 때문에 제철 재료로는 적합하지 않다. 또한, 지하수와 반응하여 황산을 생성하기 때문에, 인근 하천의 pH 저하 및 철 산화에 따른 침전으로 적색 탁수가 발생하여 대규모 오염을 일으키는 경우가 있다(마츠오 광산).

중국은 전 세계 구운 황철석 수입 시장의 65%를 차지하는 가장 큰 시장이며, 2007년부터 2016년까지 연평균 성장률(CAGR)이 +27.8%로 빠르게 성장하고 있다.^[29]

화석 중 일부는 황철석으로 치환된 것이 있으며, 암모나이트 황철석은 액세서리로 사용되기도 한다. 일리노이주에서 산출되는 파이라이트 썬(파이라이트 달러)은 한때 성게류 화석이 황철석화된 것으로 생각되었으나, 현재는 부정되고 "가짜 화석"으로 취급된다. 희귀한 형태 때문에 수집가들의 대상이 되기도 한다. 생성 원인에 대해서는 스케일리풋과 같은 황철석 골격 생물 화석이라는 설 등 다양한 가설이 있지만, 아직 정설은 없다.^[65]

2. 1. 전통적 용도

16세기와 17세기에 황철석은 초기 화약무기, 특히 휠록의 점화원으로 잠시 사용되었다. 황철석을 원형 줄에 대고 불꽃을 일으켜 총을 발사했다.^[16]

남호주의 카우르나족은 전통적인 불 피우는 방법으로 황철석을 부싯돌, 유칼립투스 속 나무껍질로 만든 부싯깃과 함께 사용했다.^[17]

고대부터 황철석은 '감철'(황산철(II)) 제조에 사용되었다. 황철석을 쌓아 풍화시키는 방법을 통해 산성 침출수를 얻은 다음, 이를 철과 함께 끓여 황산철을 생산했다. 15세기에는 이러한 침출 방법이 황을 태워 황산을 얻는 방법을 대체하기 시작했다.^[18]

황철석은 마카사이트 보석을 만드는 데 사용된다. 작은 황철석을 다면체로 잘라 은에 세팅한 마카사이트 보석은 고대부터 만들어졌으며 빅토리아 시대에 인기가 있었다.^[27] 여기서 "마카사이트"는 황철석을 포함한 모든 황화철을 가리켰으며, 보석 제작에 적합하지 않은 마카사이트를 가리키는 것이 아니었다. 따라서 마카사이트 보석에는 실제로 마카사이트 광물이 들어 있지 않다. 양질의 결정으로 나타나는 황철석 표본은 장식에 사용되며, 광물 수집가들에게도 매우 인기가 있다.^[28]

쇠붙이로 두드리면 불꽃이 튀는 성질을 이용하여, 휠록식 총의 부싯돌로 이용되었다.

2. 2. 근현대적 용도

황철석은 펄프 및 제지 산업(Pulp and paper industry)과 황산 제조 등에 사용되는 황산화물(sulfur dioxide) 생산에 상업적으로 이용된다. 황철석을 열분해하면 FeS(

에너자이저(Energizer) 브랜드의 충전 불가능한 리튬 금속 전지(Lithium metal battery)의 음극(cathode) 재료로 사용되는 것도 황철석의 새로운 상업적 용도이다.^[20]

20세기 초, 황철석은 라디오(radio) 수신기의 고양이 수염 검파기(Cat's-whisker detector)로 사용되었으며, 현재도 결정 라디오(crystal radio) 애호가들에게 사용되고 있다. 진공관(vacuum tube)이 널리 사용되기 전까지 결정 검파기는 가장 민감하고 신뢰할 수 있는 검파기(라디오)(detector (radio))였다.^[23]^[24]

과거에는 황산의 원료로 채굴되었지만, 현재는 석유에서 추출한 황으로부터 황산을 제조하는 방법이 주류가 되어 황철석을 원료로 사용하는 경우는 줄어들었다.

갈레나 등과 함께 반도체 성질을 가지고 있어, 검파기로 수정 라디오 등에 사용된 적이 있다. 최근에는 고성능 박막 태양전지의 재료로서의 이용이 주목받고 있다.

2. 3. 연구 및 개발 중인 용도

황철석은 밴드갭이 0.95 전자볼트(eV)인 반도체 재료로, 저렴하고 독성이 없어 박막 태양 전지 개발에 활용되고 있다.^[25]^[21]^[22] 2020년 7월에는 전압 유도를 통해 반자성체에서 강자성체로 변환되는 특성이 발견되어, 자기 데이터 저장 장치에 응용될 가능성이 제기되었다.^[30]^[31]

액상 박리법을 통해 2차원 나노시트로 제작된 황철석은 리튬 이온 배터리의 음극으로 사용 시 높은 용량을 나타내는 연구 결과가 보고되었다.^[32]^[33]

일본에서는 황철석이 고성능 박막 태양전지 재료로서 주목받고 있다. 차세대 CIS계 태양전지로서 실용화를 위한 연구가 진행 중이며, 특히 열과 빛에 의해 자가 회복하는 성질이 우주선 피폭에 의한 손상도 자가 회복하여 수명을 100년에서 400년까지 연장하는 것이 확인되어, 자가 회복 강화형 태양전지가 될 수 있다고 보고되었다.

3. 문제점 및 위험성

3. 1. 환경 오염

산성 광산 배수(Acid Mine Drainage, AMD)는 황철석이 대기 중 산소 및 물과 반응하여 산화될 때 발생한다. 이 과정에서 황산과 2가 철 이온(Fe²⁺)이 생성되어 주변 환경을 산성화시킨다.^[46] 이는 토양 및 수질 오염을 유발하며, 심각한 환경 문제를 야기할 수 있다. 예를 들어, 2015년 골드 킹 광산 폐수 유출 사고가 이에 해당한다.^[46]

황철석 산화는 충분히 발열 반응이어서, 황 함량이 높은 석탄층의 지하 탄광에서 가끔 자연 발화라는 심각한 문제가 발생하기도 했다.^[47] 이를 해결하기 위해 채굴된 지역을 밀폐하여 산소를 차단하는 방법이 사용된다.^[48]

현대 탄광에서는 석회석 분진을 살포하여 분진 폭발의 위험을 줄이고 있다. 이는 황철석 산화로 방출되는 산을 중화하는 효과가 있지만, 장기적으로는 산화가 계속되어 낙반으로 이어질 수 있다.^[49]

과거 한국에서도 황철석을 채굴하던 광산에서 황산 생성으로 인한 환경 오염 문제가 발생한 사례가 있다. 예를 들어, 오카야마현 미사키정(구 사쿠하라정)의 사쿠하라 광산에서 황산을 채굴하였으나, 현재는 석유에서 추출한 황으로 황산을 제조하는 방법이 주류가 되었다. 그 외에도 다음과 같은 광산이 있다.

사사야 광산(미야기현 시바타군 가와사키정)
타로 광산(이와테현) - 인산비료 제조에 필요한 황산의 원료 확보를 위해 개발되었다.
마쓰오 광산(이와테군 하치만타이시)

3. 2. 건축 자재 문제

황철석을 함유한 건축용 석재는 황철석이 산화되면서 갈색으로 변색되는 경향이 있다. 마카사이트가 존재할 경우 문제는 더 심각해진다.^[50] 골재에 황철석이 포함된 콘크리트는 황철석 산화로 인해 심각한 열화를 겪을 수 있다.^[51]

2009년 초, 허리케인 카트리나 이후 미국에 수입된 중국산 건식 벽체에서 발생한 문제는 황철석 산화 및 미생물 황산염 환원으로 인한 황화 수소(H₂S) 방출이 원인이었다. 이 문제에는 악취와 구리 배선의 부식이 포함된다.^[52]

미국, 캐나다,^[53] 아일랜드^[54]^[55]^[56]에서는 바닥 채움재로 사용된 황철석 오염으로 인해 건물에 큰 구조적 손상이 발생했다. 황산 이온이나 황산에 노출된 콘크리트는 황산염 공격으로 인해 열화된다. 에트린가이트(콘크리트 기공 내부에 큰 결정화 압력을 가하는 작은 바늘 모양의 결정) 및 석고와 같은 팽창성 광물이 형성되면 콘크리트 매트릭스 내부에 내부 인장력이 발생한다. 이는 경화된 시멘트 페이스트를 파괴하고, 콘크리트에 균열과 틈을 만들며, 결국 구조물 파괴로 이어질 수 있다. 건축 골재에 대한 표준화된 시험^[57]은 재료에 황철석이나 마카사이트가 없는지 확인한다.

4. 결정학적 특징 및 종류

무기화학적 관점에서 황철석과 백철석은 Fe²⁺[S₂]²⁻로 설명될 수 있다. 황철석의 황 원자는 S-S 결합을 가진 쌍으로 존재하며, 다이설파이드 [^–S–S^–] 단위는 이황화수소(H₂S₂)에서 유도된 것으로 볼 수 있다. 따라서 황철석은 이황화철이 아닌 철 다이설파이드라고 부르는 것이 더 적절하다. 반면, 몰리브덴광(MoS₂)은 분리된 황화물 S²⁻ 중심을 가지며, 몰리브덴의 산화 상태는 Mo⁴⁺이다. 비소철석(FeAsS)은 황철석이 [S₂]^2– 단위를 갖는 반면, 비소철석은 [AsS]^3– 단위를 갖는다.^[34]

황철석 구조는 전이 금속 ''M''과 칼코겐 ''X'' (=O, S, Se, Te)의 다른 ''MX''₂ 화합물에서도 볼 수 있다. 이포니사이드 중에서 ''X''가 P, As, Sb 등인 것도 황철석 구조를 채택한다.^[37] 이 물질은 반도체이며, Fe 이온은 저스핀 2가 상태로 Van Vleck 상자성을 나타낸다.^[38] 황철석을 칼륨으로 환원시키면 칼륨 디티오페레이트(KFeS₂)가 생성되며, 3가 철 이온과 분리된 황화물(S^2-) 중심을 특징으로 한다.

극성은 고차 마델룽 상수를 기반으로 계산할 수 있으며, 일반화된 보른-하버 순환을 사용하여 격자 에너지 계산에 포함해야 한다. 이것은 황 쌍의 공유 결합이 순수 이온적 처리로는 불충분하게 설명된다는 사실을 반영한다.^[41] 비소철석은 S-S 쌍 대신 이종원자 As-S 쌍을 가진 관련 구조를 가지고 있다. 마카사이트(Marcasite)도 동종원자 음이온 쌍을 가지고 있지만, 금속과 이원자 음이온의 배열은 황철석과 다르다. 황동석은 이원자 음이온 쌍을 포함하지 않고 단일 S²⁻ 황화물 음이온을 포함한다.

황철석은 철과 황으로 이루어져 있으며, 화학 조성은 FeS₂이다. 이상적인 질량비는 황 53.4%, 철 46.6%이다. 등축정계에 속하며, 육면체, 팔면체, 오각십이면체의 결정형을 보인다.^[63]

영명 "파이라이트(Pyrite)"는 그리스어로 "불"을 의미하는 "pyr"에서 유래하는데, 이는 황철석을 망치 등으로 두드리면 불꽃이 튀기 때문이다.^[63] 색깔은 놋쇠색이며 금속 광택을 띤다. 조흔색은 녹흑색으로, 황동석과 외관은 비슷하지만 조흔색으로 구분할 수 있다. 밝은 황색 색조 때문에 금으로 오인되는 경우가 많아 "바보들의 금"이라고도 불린다.^[64]

모스 경도는 6~6.5, 비중은 4.95~5.10이다. 철보다 단단하며, 황화광물 중에서는 단단한 편이다. 하지만 습기에 약하며, 매우 잘 부서진다. 풍화 등의 원인으로 표면이 산화 분해되어 갈철광 등으로 변하기 쉽다. 특히 황철석의 결정 형태를 그대로 유지한 채 갈철광으로 변한 가상은 "무석(武石)" 또는 "http://sapporochitan.com/?act=bukken&id=704 마스이시(升石)"라고 불린다.

4. 1. 결정 구조

황철석(FeS₂)은 입방이며, 공간군 ''Pa'' (Strukturbericht 표기법 C2)에 속한다. 결정학적 황철석 구조의 원형 화합물이며, X선 회절을 통해 해결된 최초의 결정 구조 중 하나이다.^[35] 열역학적 표준 조건에서 화학량론적 황철석 FeS₂의 격자 상수

a

는 541.87 pm이다.^[36] 단위 셀은 Fe 면심입방 부격자로 구성되며, 그 안에 S₂ 이온이 포함되어 있다. (하지만 면에 있는 철 원자는 모서리에 있는 철 원자와 단순한 병진으로는 동등하지 않다.)^[37]

Fe 원자는 6개의 S 원자와 결합하여 왜곡된 팔면체를 형성한다. S 원자는 사면체이며, 3개의 Fe 중심과 다른 하나의 S 원자와 결합되어 있다. Fe와 S 위치의 자리 대칭은 각각 점군 ''C''_3''i''와 ''C''₃에 의해 설명된다. S 격자점에서 중심 대칭이 없다는 점은 황철석의 결정학적 및 물리적 특성에 중요한 영향을 미친다. 이러한 영향은 황 격자점에서 작용하는 결정 전기장으로 인해 황철석 격자에서 S 이온의 극성이 발생하기 때문이다.^[40]

황 원자는 S₂²⁻로 설명되는 쌍으로 존재한다.^[39] 고전적인 무기화학 관점에서 각 원자에 공식적인 산화 상태를 할당하는 경우, 황철석은 Fe²⁺[S₂]²⁻로 가장 잘 설명될 수 있다. 이러한 다이설파이드 [^–S–S^–] 단위는 이황화수소(H₂S₂)에서 유도된 것으로 볼 수 있다.

4. 2. 결정 형태

황철석은 보통 정육면체 결정을 이루며, 때로는 모여서 산딸기 모양의 덩어리인 프람보이드를 형성하기도 한다. 그러나 특정 조건 하에서는 연결망 모양의 필라멘트 또는 T자 모양의 결정을 형성할 수 있다.^[42] 황철석은 또한 정다면체인 십이면체와 거의 같은 모양, 즉 피리토헤드론을 형성할 수 있으며, 이는 기원전 5세기 초 유럽에서 발견된 인공 기하학적 모형에 대한 설명을 제시한다.^[43]

4. 3. 유사 광물과의 구별

황철석은 경도, 취성 및 결정 형태로 자연금과 구별할 수 있다. 황철석의 파면은 매우 불규칙적이며, 때로는 패각상이기도 한데, 이는 특정 평면을 따라 쪼개지지 않기 때문이다. 자연 금괴 또는 금가루는 부서지지 않고 연성 방식으로 변형된다. 황철석은 취성이지만 금은 전성이 있다.

천연 금은 불완정질(잘 정의된 면이 없는 불규칙적인 모양)인 경향이 있는 반면, 황철석은 입방체 또는 다면체 결정으로 나타나며 잘 발달되고 날카로운 면을 가지고 있어 쉽게 인식할 수 있다. 잘 결정화된 황철석 결정은 완정질(즉, 깨끗한 면을 가짐)이다. 황철석은 종종 표면에서 볼 수 있는 줄무늬로 구별할 수 있다. 황동석(Chalcopyrite)은 젖었을 때 녹색을 띤 더 밝은 노란색이며 더 무르다(모스 굳기계 3.5~4).^[45] 비철석(FeAsS)은 은백색이며 젖었을 때 노란색으로 변하지 않는다.

5. 산출 및 분포

황철석은 황화물 광물 중 가장 흔하며 화성암, 변성암, 퇴적암에 널리 분포한다. 화성암에서는 일반적인 부성분 광물이며, 원래 마그마의 불혼합성 황화물 상에서 기원한 더 큰 덩어리로 산출되기도 한다. 접촉 변성 작용의 결과로 변성암에서 발견되기도 한다. 또한 고온의 열수 광물로 생성되지만, 때때로 저온에서도 생성된다.^[2]

황철석은 원래 퇴적물에 존재하는 일차 광물과 다이아제네시스 동안 침전된 이차 광물 모두로 산출된다.^[2] 황철석과 방철석은 환원 환경에서 형성된 흑색 셰일 및 기타 퇴적암에서 화석을 대체한 가성형으로 흔히 산출된다.^[58] 황철석은 셰일에서 부성분 광물로 흔하며, 무산소 해수에서 침전되어 형성되며, 석탄층에는 종종 상당량의 황철석이 포함되어 있다.^[59]

주목할 만한 매장지로는 미국 버지니아주에서 렌즈 모양의 덩어리로 발견되며, 다른 많은 지역에서 소량으로 발견된다. 스페인의 리오 틴토(Rio Tinto)와 이베리아 반도의 다른 지역에서 대규모 광상이 채굴된다.^[60]

6. 문화적 의미

태국(특히 남부 지역)에서는 황철석을 '카오 톡 프라 루앙'(ข้าวตอกพระร่วง), '카오 콘 밧 프라 루앙'(ข้าวก้นบาตรพระร่วง), '펫 나 탕'(เพชรหน้าทั่ง), '힌 나 탕'(หินหน้าทั่ง) 등으로 부르며, 악령, 흑마술, 악귀를 막는 신성한 물건으로 여긴다.^[61]^[62]

일본에서는 황철석을 망치 등으로 두드리면 불꽃이 튀는 성질 때문에 그리스어로 "불"을 의미하는 "pyr"에서 유래한 "파이라이트(Pyrite)"라는 이름이 붙여졌다.^[63]

참조

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