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소달라이트

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1. 개요

소달라이트는 1811년 그린란드에서 처음 발견된 광물로, 입방 광물이며, 알루미노규산염 케이지 네트워크와 나트륨 이온, 염화물 이온으로 구성된다. 해크마나이트는 소달라이트의 일종으로, 햇빛에 노출되면 색이 변하는 색변색성을 나타낸다. 소달라이트는 가볍고 단단하며, 파란색을 띠는 경우가 많아 보석으로 사용되거나, 표면재나 상감재로 활용된다. 소달라이트는 제올라이트에 속하며, 다양한 음이온을 포함하는 컨테이너 재료로 사용되기도 한다. 소달라이트 그룹에는 남정석, 청금석, 노제안 등이 있다.

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소달라이트
광물 정보
소달라이트 원석
일반 정보
이름소달라이트 (sodalite)
종류테크토규산염 광물 (제올라이트 H2O 제외)
화학식Na8(Al6Si6O24)Cl2
결정계등축정계
공간군Poverline{4}3n
단위포a = 8.876(6) Å; Z = 1
색상짙은 로열 블루, 녹색, 노란색, 보라색, 흰색 줄무늬가 흔함
결정형괴상; 드물게 십이면체
쌍정{111}에서 흔히 발생하여 육각 기둥 모양을 이룸
쪼개짐{110}에서 불완전함
깨짐조개껍질 모양에서 고르지 않음
굳기5.5–6
광택무딘 유리 광택에서 기름 광택
굴절률n = 1.483 – 1.487
광학적 성질등방성
복굴절해당 없음
다색성해당 없음
조흔색흰색
비중2.27–2.33
용융쉽게 무색 유리로 용융; 나트륨 노란색 불꽃
용해도염산 및 질산에 용해됨
투명도투명에서 반투명
형광장파 및 단파 자외선 하에서 밝은 적등색 음극선 발광 및 형광, 황색 인광; 마젠타 색상에서 변색성을 나타낼 수 있음
식별 특징
특징쉽게 무색 유리로 용융
나트륨 노란색 불꽃
염산 및 질산에 용해됨
장파 및 단파 자외선 하에서 밝은 적등색 음극선 발광 및 형광, 황색 인광
마젠타 색상에서 변색성을 나타낼 수 있음
아종
학크마나이트 (Hackmanite)변색성; 보라색-빨간색 또는 녹색에서 흰색으로 퇴색

2. 구조

소달라이트의 구조는 1930년 라이너스 폴링에 의해 처음 연구되었다.[31][7] 소달라이트는 공간군 P4̅3n의 입방정계 광물로, 알루미노규산염 케이지 네트워크와 골격 내 Na+ 양이온 및 염화물 음이온으로 구성된다. 소량의 다른 양이온과 음이온이 포함될 수도 있다. 이 골격은 제올라이트 케이지 구조를 형성하며, 각 단위 세포는 두 개의 공동(cavity)을 가진다.

이러한 공동 구조는 아연 붕산염 Zn4O(BO2)6에서 발견되는 붕산염 케이지 (B24O48)24−,[8] 베릴로규산염 케이지 (Be12Si12O48)24−,[7] 및 Ca8(Al12O24)(WO4)2의 알루민산염 케이지 (Al24O48)24−[9] 유사하며, 유사 광물인 터그투파이트(Na4AlBeSi4O12Cl)와 거의 동일한 구조를 갖는다(하우인#소달라이트 그룹 참조). 각 공동은 하나의 염화 이온 주위에 형성되며, 단위 세포의 모서리와 중앙에 각각 위치한다. 각 공동은 키랄 사면체 대칭을 가지며, 두 염화물 위치 주변의 공동은 서로 거울상 관계이다. 각 염화 이온 주위에는 4개의 나트륨 이온이 가깝게 위치하고, 더 먼 거리에 4개가 더 있다. 또한 12개의 SiO4 사면체와 12개의 AlO4 사면체로 둘러싸여 있다. 규소(Si) 및 알루미늄(Al) 원자는 절단된 팔면체의 모서리에 위치하며, 이 팔면체 내부에는 염화물과 4개의 나트륨 원자가 존재한다.[8]산소(O) 원자는 SiO4 사면체와 AlO4 사면체 사이를 연결한다. 모든 산소 원자는 동일하지만, 절반은 다른 절반의 환경과 거울상 이성질체 관계에 있다. 규소 원자는 (0, 1/2, 1/4) 위치 및 이와 대칭적으로 동등한 위치에, 알루미늄 이온은 (1/2, 0, 1/4) 위치 및 이와 대칭적으로 동등한 위치에 존재한다. 단위 세포의 모서리 부근에 있는 3개의 규소 원자와 3개의 알루미늄 원자는 6원 고리 사면체를 형성하고, 단위 세포의 면에 있는 4개는 4원 고리 사면체를 형성한다. 6원 고리는 이온이 결정을 통해 확산될 수 있는 채널 역할을 할 수 있다.[11]

소달라이트 케이지 (절단 팔면체 구조). 빨간 선 부분에는 산소 원자가 하나씩 존재한다.


소달라이트의 결정 구조.


이 구조는 각 사면체의 3축이 단위 세포 면과 평행한 평면에 놓여 산소 원자의 절반이 면에 놓이는 이상적인 구조에서 약간 구겨진 형태이다. 온도가 올라가면 소달라이트 구조는 팽창하고 구겨짐이 풀리면서 이상적인 구조에 가까워진다. 염화물 이온이 황산염이나 아이오딘화물로 치환될 경우, 특정 온도에서 열팽창 계수의 불연속성이 나타날 수 있다. 이는 골격이 완전히 팽창하거나 양이온(자연 소달라이트의 나트륨)이 특정 좌표 (1/4, 1/4, 1/4) 등에 도달할 때 발생하는 상전이로 생각된다.[11] 이 경우 대칭성이 증가하여 공간군이 Pm3̅n으로 변하고, 공동은 키랄성을 잃고 황철광형 대칭을 갖게 된다.

자연 소달라이트는 주로 케이지 내에 염화물(Cl-) 음이온을 포함하지만, 황산염(SO42-), 황화물(S2-), 수산화물(OH-), 트리설퍼(S3-) 등 다른 음이온으로 치환될 수 있다. 소달라이트 그룹의 다른 광물들은 이러한 치환이 극단적으로 일어난 종단 성분 조성을 나타낸다. 또한, 나트륨(Na+)은 다른 알칼리 금속 원소로, 염화물은 다른 할로겐화물로 치환될 수 있으며, 이러한 다양한 조성의 소달라이트가 인공적으로 합성되었다.[11] 특징적인 파란색은 주로 케이지에 갇힌 S3- 및 S4 클러스터에서 비롯된다.[12]

전형적인 화학 조성은 Na4Al3(SiO4)3Cl이며, 모스 굳기는 5.5 ~ 6, 비중은 2.27 ~ 2.33이다. 청색 계열이 많지만, 회색, 노란색, 녹색, 분홍색 등 다양한 색상을 띨 수 있다.

소달라이트의 구성 성분인 나트륨과 염소는 다른 이온과 치환될 수 있다. 포함하는 이온의 종류에 따라 청금석 (라주라이트), 남방석 (하우인), 암방석 (노제안) 등이 형성된다. 라피스 라줄리에 다양한 광물이 섞여 있는 것은 이 때문이다. 아종으로는 자외선을 받으면 색이 변하는 해크마나이트가 있다.

소달라이트는 비록 세공 구조는 없지만, 3차원 망상 구조를 갖는 결정성 알루미노규산염이므로 제올라이트의 일종으로 분류된다. 국제제올라이트협회(IZA)는 소달라이트의 골격 구조에 '''SOD'''라는 코드를 부여했다.[24] 소달라이트의 결정 구조는 나트륨 이온을 포함하는 절단 팔면체 형태의 알루미노규산염 케이지(소달라이트 케이지)가 사각형 면을 공유하며 3차원적으로 연결된 형태이다.

인공 합성에서는 나트륨 대신 테트라메틸암모늄 이온 ((CH3)4N+)을 함유한 소달라이트도 얻을 수 있다.[25] 전하 밀도가 낮은 이온을 포함하기 때문에 알루미늄의 음전하를 보상하기 어려워져, 천연 소달라이트보다 알루미늄 함량이 적은 조성(Si/Al ≒ 5)을 갖는다. 소달라이트 케이지는 A형 제올라이트나 포자사이트와 같이 공업적으로 중요한 제올라이트 구조에도 공통적으로 나타나므로, 이들을 합성할 때 소달라이트가 종종 부산물로 생성되기도 한다.[26]

2. 1. 해크마나이트

아프가니스탄 코크샤 계곡의 해크마나이트 십이면체


'''해크마나이트'''는 색변색성을 나타내는 소달라이트의 일종이다.[14] 몽생틸레르 (퀘벡) 또는 일리마우삭(그린란드)에서 갓 채굴한 해크마나이트는 일반적으로 옅거나 짙은 보라색을 띠지만, 곧 회색 또는 녹색을 띤 흰색으로 변색된다. 반대로, 아프가니스탄미얀마에서 채취한 해크마나이트는 크림색 흰색으로 시작하여 햇빛에 노출되면 보라색에서 분홍색-빨간색으로 변한다. 어두운 환경에 일정 시간 방치하면 보라색이 다시 사라진다. 색변색성은 장파 또는 특히 단파 자외선을 사용하여 가속화된다.

3. 성질

볼리비아산 소달라이트-탄산염 페그마타이트 표본. 광택 처리된 암석 표면을 보여준다.


소달라이트는 나트륨 함량이 높아 이름이 붙여진 광물로, 가볍고 비교적 단단하지만 깨지기 쉬운 특성을 가진다. 광물학에서는 장석류로 분류되기도 한다. 가장 잘 알려진 색상은 파란색이지만, 회색, 노란색, 녹색, 분홍색 등 다양한 색을 띨 수 있으며, 종종 흰색 정맥이나 반점을 포함한다. 균일한 파란색을 띠는 소달라이트는 보석으로 가공되어 카보숑이나 구슬 형태로 만들어진다. 품질이 낮은 것은 표면재나 상감재 등 다양한 용도로 활용된다.

모스 굳기는 5.5에서 6 사이이며, 비중은 2.27에서 2.33 정도이다. 전형적인 화학 조성은 Na4Al3(SiO4)3Cl이다. 소달라이트는 6방향으로 약한 벽개를 보이는데, 이는 돌 내부에서 초기 균열 형태로 관찰될 수 있다.

소달라이트는 제올라이트의 일종으로 분류되기도 하는데, 이는 세공 구조는 없지만 3차원 망상 구조를 가진 결정성 알루미노규산염이기 때문이다. 골격 코드로 '''SOD''' ('''sod'''alite)가 부여되었다.[24] 결정 구조는 나트륨 이온을 포함하는 절단 팔면체 모양의 알루미노규산염 케이지(소달라이트 케이지)가 사각형 면을 공유하며 3차원적으로 연결된 형태이다. 소달라이트의 구성 성분인 나트륨염소는 다른 이온으로 치환될 수 있는데, 어떤 이온이 포함되느냐에 따라 청금석(라즈라이트), 남방석(아우인), 암방석(노제안) 등으로 분류되기도 한다. 라피스 라줄리에 다양한 광물이 섞여 있는 것도 이러한 이유 때문이다.

대부분의 소달라이트는 자외선 아래에서 주황색 형광을 나타내는 특징이 있다. 아종인 핵크마나이트는 자외선을 흡수하여 발광하며 색변환 현상을 보이기도 한다.[13]

소달라이트는 라줄라이트나 청금석과 외관이 유사하지만 몇 가지 차이점이 있다. 소달라이트에는 청금석에 흔히 포함되는 황철석이 거의 들어있지 않다. 또한, 소달라이트의 파란색은 울트라마린보다는 전통적인 로열 블루에 더 가까운 색조를 띤다. 결정적으로, 소달라이트는 줄무늬 색이 파란색이 아닌 흰색이라는 점에서 유사 광물들과 구별된다.

4. 산출지

소달라이트는 1811년 일리마우삭 복합체, 나르사크, 서 그린란드에서 처음 기술되었다.[2]

일반적으로 괴상 형태로 나타나는 소달라이트는 네펠린 시에나이트와 같은 심성 화성암의 맥을 채우는 형태로 발견된다. 이는 실리카가 부족한 환경에서 형성되는 다른 광물들, 즉 백류석, 칸크리나이트, 나트로라이트와 함께 산출되는 경우가 많다. 그 외에도 네펠린, 티탄 앤드라다이트, 에기린, 미사장석, 사니딘, 알바이트, 방해석, 형석, 앵커라이트, 중정석 등과 관련되어 있다.[4]

소달라이트로 조각된 하마상, 길이


고품질의 소달라이트가 대량으로 매장된 곳은 비교적 제한적이다. 주요 산지로는 캐나다의 밴크로프트, 온타리오 (프린세스 소달라이트 광산)와 몽생틸레르, 퀘벡, 그리고 미국의 리치필드, 메인과 마그넷 코브, 아칸소가 있다. 캐나다 골든, 브리티시컬럼비아 인근의 아이스 리버 복합체에서도 소달라이트가 산출된다.[15]

소규모 매장지는 남아메리카(브라질볼리비아), 포르투갈, 루마니아, 버마, 러시아 등에서도 발견된다. 소달라이트의 변종인 핵매나이트는 주로 몽생틸레르와 그린란드에서 발견된다.

자형(自形, idiomorphic)의 투명한 결정은 북부 나미비아이탈리아 베수비오 산의 용암에서 발견된다.

소달라이트가 풍부한 분출암을 ''소달라이타이트''(sodalitite)라 하며,[16] 이에 해당하는 관입암은 ''소달라이톨라이트''(sodalitolite)라고 부른다.[16]

5. 용도



균일한 파란색을 띠는 소달라이트는 보석으로 사용되며, 카보숑이나 구슬 형태로 가공된다. 품질이 낮은 재료는 주로 표면재나 상감 장식에 사용된다.

경도가 비교적 낮지만 저렴하기 때문에 라피스 라줄리의 대용품으로도 쓰인다. 이 경우 청색 계열의 소달라이트가 보석용 비즈나 카보션 컷으로 가공되어 활용된다.

6. 역사

소달라이트는 1811년 기준 산지인 서 그린란드 나르사크의 일리마우삭 복합체에서 처음으로 기술되었다.[2] 고대 카랄 문화의 사람들은 콜라오 고원 지대에서 소달라이트를 거래하기도 했다.[17]

7. 합성

소달라이트의 중간 기공 케이지 구조는 여러 종류의 음이온을 담는 컨테이너 재료로 유용하게 활용된다. 실제로 질산염,[18] 아이오딘화물,[19] 아이오딘산염,[20] 과망간산염,[21] 과염소산염,[22] 과레늄산염 등 다양한 음이온을 포함하는 소달라이트 구조 물질이 합성된 바 있다.

인공적인 합성 과정에서는 나트륨 대신 테트라메틸암모늄 이온((CH3)4N+)을 포함하는 소달라이트를 만들 수도 있다.[25] 이렇게 전하 밀도가 낮은 이온을 사용하면, 알루미늄(Al)의 음의 형식 전하를 보상하기 어려워져 천연 소달라이트보다 알루미늄 함량이 적은 조성(Si/Al ≒ 5)을 가지게 된다.

한편, 소달라이트 케이지 구조는 A형 제올라이트나 포자사이트와 같이 공업적으로 중요한 다른 제올라이트 구조에서도 공통적으로 발견된다. 이 때문에 결정화 조건이 비슷하여, 이러한 제올라이트를 합성하는 과정에서 소달라이트가 의도치 않은 부생성물로 함께 만들어지는 경우가 종종 있다.[26]

8. 소달라이트 그룹

소달라이트의 구성 성분인 나트륨염소는 다른 이온과 치환될 수 있다. 어떤 이온을 포함하느냐에 따라 다양한 광물이 존재하며, 이들을 소달라이트 그룹이라고 부른다. 대표적인 소달라이트 그룹 광물로는 청금석(라즈라이트), 남정석(아우인), 노제안(노제안) 등이 알려져 있다. 라피스 라줄리에 다양한 광물이 섞여 있는 것은 이러한 이유 때문이다.

소달라이트 그룹에 속하는 주요 광물과 그 화학 조성은 다음과 같다.

광물 이름 (영문명, 발음)화학식
남정석 (haüyne|아우인fra)(Na,Ca)4-8Al6Si6(O,S)24(SO4,Cl)1-2
청금석 (lazurite|라즈라이트eng)(Na,Ca)7-8(Al,Si)12(O,S)24[(SO4,Cl2,(OH)2)]
노제안 (nosean|노제안eng)Na8Al6Si6O24(SO4)・H2O
소달라이트 (sodalite|소다라이트eng)Na8Al6Si6O24Cl2


참조

[1] 논문 IMA–CNMNC approved mineral symbols 2021-06
[2] 웹사이트 Mindat with locations http://www.mindat.or[...]
[3] 웹사이트 Webmineral data http://www.webminera[...]
[4] 간행물 Handbook of Mineralogy http://rruff.geo.ari[...]
[5] 서적 Manual of Mineralogy 1985
[6] 서적 The Chinchorro culture: a comparative perspective, the archaeology of the earliest human mummification https://unesdoc.unes[...] UNESCO Publishing 2015
[7] 논문 The Structure of Sodalite and Helvite https://www.degruyte[...] 1930
[8] 논문 A new structural type of metaborate anion https://www.degruyte[...] 1961
[9] 논문 Revised crystal data for the aluminate sodalite https://www.tib.eu/d[...] 1979
[10] 논문 'C 8 phase': Supercubane, tetrahedral, BC-8 or carbon sodalite? 2012-09
[11] 논문 The crystal structures of sodalite-group minerals
[12] 논문 Spectroscopic and Crystal-Chemical Features of Sodalite-Group Minerals from Gem Lazurite Deposits 2020-11-23
[13] 서적 Rock Roles: Facts, Properties, and Lore of Gemstones Lulu.com 2011-03-25
[14] 논문 Hackmanite/Sodalite from Myanmar and Afghanistan https://www.gia.edu/[...]
[15] 웹사이트 Ice River deposit on Mindat http://www.mindat.or[...]
[16] 서적 Igneous Rocks — A Classification and Glossary of Terms Cambridge University Press 2002
[17] 서적 The Chinchorro culture: a comparative perspective, the archaeology of the earliest human mummification https://unesdoc.unes[...] UNESCO Publishing 2015
[18] 논문 Synthesis and crystal structure of nitrate enclathrated sodalite Na8[AlSiO4]6(NO3)2
[19] 논문 Iodine Immobilization by Sodalite Waste Form
[20] 논문 The properties of salt-filled sodalites. Part 4. Synthesis and heterogeneous reactions of iodate-enclathrated sodalite Na8[AlSiO4]6(IO3)2−x(OH·H2O)x; 0.7 < x < 1.3
[21] 논문 Synthesis and structures of M8[ALSiO4]6·(XO4)2, M = Na, Li, K; X = Cl, Mn Sodalites
[22] 논문 Hydrothermal synthesis, characterization and structure refinement of chlorate- and perchlorate-sodalite
[23] 웹사이트 Mindat with locations https://www.mindat.o[...]
[24] 웹사이트 Database of Zeolite Structures http://www.iza-struc[...] International Zeolite Association
[25] 논문 Synthese und Kristallstruktur von Tetramethylammonium-Sodalith
[26] 웹사이트 Verified Syntheses of Zeolitic Materials http://www.iza-onlin[...] Synthesis Commission of International Zeolite Associaion
[27] 웹사이트 Mindat with locations http://www.mindat.or[...]
[28] 웹사이트 Webmineral data http://www.webminera[...]
[29] 간행물 Handbook of Mineralogy http://rruff.geo.ari[...]
[30] 서적 Manual of Mineralogy 1985
[31] 논문 The Structure of Sodalite and Helvite https://www.degruyte[...] 1930



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