금홍석
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1. 개요
금홍석은 고온 고압의 변성암과 화성암에서 흔히 발견되는 부성분 광물로, 이산화 티타늄(TiO₂)의 가장 안정적인 다형체이다. 주로 페그마타이트, 스카른, 화강암 그라이젠 등에서 거대한 결정 형태로 발견되며, 석영을 관통하는 침상 결정으로 나타나기도 한다. 금홍석은 내화물 제조, 안료, 티타늄 금속 생산에 사용되며, 특히 미세 분말화된 형태는 페인트, 플라스틱, 종이, 선크림 등에서 흰색 안료로 활용된다. 또한, 보석 내의 금홍석 침은 별자리 현상을 유발하여 가치를 높이며, 용접 전극 피복재나 ZTR 지수에도 사용된다. 금홍석 그룹에는 금홍석 외에 연망간광, 석석 등이 포함된다.
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| 금홍석 | |
|---|---|
| 일반 정보 | |
 | |
| 분류 | 산화 광물 |
| 화학식 | TiO2 |
| 화학 기호 | Rt |
| 스트룬츠 분류 | 4.DB.05 |
| 결정계 | 정방정계 |
| 공간군 | P42/mnm |
| 격자 상수 | a = 4.5937 Å, c = 2.9587 Å; Z = 2 |
| 색상 | 갈색, 적갈색, 핏빛 붉은색, 붉은색, 갈색을 띤 노란색, 옅은 노란색, 노란색, 옅은 파란색, 보라색, 드물게 풀색, 회색을 띤 검은색; Nb–Ta 함량이 높으면 검은색 |
| 결정형 | 침상에서 기둥 모양 결정, [001]에 평행하게 길어지고 줄무늬가 있음 |
| 쌍정 | {011} 또는 {031}에서 흔함; 두 개, 여섯 개 또는 여덟 개의 개체로 접촉 쌍정을 이루거나, 순환, 다합성 쌍정을 이룸 |
| 쪼개짐 | {110} 양호, {100} 보통, {092} 및 {011}에서 분리 |
| 깨짐 | 불규칙하거나 아패각상 |
| 모스 굳기계 | 6.0–6.5 |
| 광택 | 금강 광택에서 금속 광택 |
| 굴절률 | nω = 2.613, nε = 2.909 (589 nm) |
| 광학적 성질 | 일축성 (+) |
| 복굴절 | 0.296 (589 nm) |
| 다색성 | 약하거나 뚜렷한 갈색을 띤 붉은색-녹색-노란색 |
| 분산 | 강함 |
| 기타 특징 | 강한 이방성 |
| 조흔색 | 밝은 붉은색에서 짙은 붉은색 |
| 비중 | 4.23, Nb–Ta 함량에 따라 증가 |
| 용융점 | 알칼리 탄산염에서 용융 가능 |
| 용해도 | 산에 녹지 않음 |
| 투명도 | 불투명, 얇은 조각에서는 투명 |
| 불순물 | Fe, Nb, Ta |
| 어원 | |
| 어원 | 라틴어 "rutilus" (붉은색)에서 유래 |
2. 산출
금홍석은 주로 고온 고압 환경의 변성암과 화성암에서 발견되는 부성분 광물이다. 1차 금홍석에서 기원한 사광상에서도 아나타제가 발견된다.
2. 1. 변성암 환경
열역학적으로 금홍석은 모든 온도에서 TiO2의 가장 안정적인 다형체이며, 아나타제 또는 브루카이트의 준안정상보다 낮은 총 열역학적 자유 에너지를 나타낸다.[7] 결과적으로, 준안정 TiO2 다형체가 금홍석으로 변환되는 것은 비가역적이다. 세 가지 주요 다형체 중 반 데르 발스 표면 분자 부피가 가장 작기 때문에, 주로 에클로사이트를 포함한 대부분의 고압 변성암에서 주요 티타늄 함유 상으로 존재한다.금홍석은 일부 변질된 화성암과 특정 편마암 및 편암에서도 발견된다.
2. 2. 화성암 환경
금홍석은 심성암에서 흔히 발견되는 부성분 광물이며, 킴벌라이트와 람프로아이트와 같이 깊은 맨틀에서 기원하는 화산암에서도 가끔 발견된다. 자생 변질 작용의 결과로 화성암에서 아나타제와 브루카이트가 발견되기도 한다.[7] 페그마타이트, 스카른, 화강암 그라이젠에서 거대한 결정 형태로 발견되는 경우가 많다. 석영 내에 침상 결정 형태로 포함되어 fléches d'amour|사랑의 화살프랑스어이라 불리기도 한다.2. 3. 주요 산지
2005년 서아프리카의 시에라리온은 전 세계 금홍석 생산량의 23%를 차지했으며, 2008년에는 약 30%까지 증가했다.[7]3. 결정 구조
금홍석은 정방정계 단위 세포를 가지며, 단위 세포 매개변수는 ''a'' = ''b'' = 4.584 Å, ''c'' = 2.953 Å이다.[8] 티타늄 양이온은 6개의 산소 원자로 이루어진 팔면체에 둘러싸여 배위수 6을 가지며, 산소 음이온은 3개의 티타늄 원자와 결합하여 삼각 평면 배위수 3을 갖는다. 금홍석은 팔면체를 순차적으로 볼 때 나선 축을 나타낸다.[9]
환원 조건에서 산소 공극이 발생할 수 있으며, 이는 Ti3+ 중심과 결합된다.[10] 수소는 이러한 틈으로 들어가 개별 공극 점유자(수소 이온으로 쌍을 이룸)로 존재하거나 인접한 산소와 수산화물 그룹을 생성할 수 있다.[10]
3. 1. 결정 습성
금홍석 결정은 일반적으로 c축, 즉 [001] 방향을 따라 우선적으로 배열된 각주상 또는 침상 성장 습성을 나타낸다. 이러한 성장 습성은 금홍석의 {110} 면이 가장 낮은 표면 자유 에너지를 가지므로 열역학적으로 가장 안정하기 때문에 선호된다.[8] 금홍석의 c축 방향 성장은 나노로드, 나노와이어 및 이상 입자 성장 현상에서 뚜렷하게 나타난다.4. 응용
해변 모래에서 충분한 양으로 발견되는 금홍석은 중광물과 광상의 중요한 구성 성분이다. 광부들은 금홍석, 지르콘, 일메나이트와 같은 귀중한 광물을 추출하고 분리한다. 금홍석은 내화물 제조 및 티타늄 금속 생산에 사용된다.
작은 금홍석 침이 보석에 존재하면 광학 현상인 별자리 현상을 유발한다. "별" 보석으로 알려진 별 사파이어, 별 루비 등은 일반 보석보다 더 가치가 높다.
4. 1. 안료
미세하게 분말화된 금홍석은 밝은 흰색 안료이며 페인트, 플라스틱, 종이, 식품 및 기타 밝은 흰색을 필요로 하는 곳에 사용된다. 이산화 티타늄 안료는 전 세계적으로 티타늄의 가장 큰 단일 사용처이다. 금홍석의 나노입자는 가시광선에는 투명하지만 자외선을 흡수하는 데 매우 효과적이어서 (선크림) 선크림 등에 사용된다. 나노 크기 금홍석 입자의 UV 흡수는 벌크 금홍석에 비해 청색 편이되어 고에너지 UV 광선이 나노 입자에 의해 흡수된다.4. 2. 자외선 차단
금홍석 나노입자는 가시광선에는 투명하지만 자외선을 효과적으로 흡수하여 선크림에 사용된다. 나노 크기 금홍석 입자의 자외선 흡수는 벌크 금홍석에 비해 청색 편이되어, 고에너지 자외선이 나노 입자에 의해 흡수된다.4. 3. 보석
금홍석은 굴절률이 2.62-2.90으로 매우 높아 다이아몬드를 능가하지만, 천연 금홍석은 결정이 너무 작거나 투명하지 않아 보석으로 가공되는 경우는 드물다.석영 안에 금홍석의 침상 결정이 내포된 경우는 "침수정" 등으로 불리며 장식품 등으로 이용된다.
인공 금홍석은 1948년부터 생산되기 시작했다. 1950년대 중반까지는 무색 투명한 인공 금홍석이 "Titania"(티타니아), 레인보우 다이아몬드라는 이름으로 다이아몬드 대체품으로 활발하게 생산되었다. 그러나 모스 경도가 낮고, 티탄산 스트론튬과 같은 다른 종류의 다이아몬드 이미테이션 제조법이 발견되면서 곧 쇠퇴했다.
4. 4. 기타 응용
금홍석은 용접 전극 피복재로 널리 사용되며, 심하게 풍화된 퇴적물을 분류하는 ZTR 지수의 일부로도 사용된다.[11]또한, 금홍석은 넓은 띠 간격을 갖는 반도체로서, 최근 수십 년 동안 광촉매 및 자성 반도체 응용을 위한 기능성 산화물로의 적용을 목표로 한 중요한 연구 대상이 되어 왔다.[11]
5. 합성 금홍석
합성 금홍석은 1948년에 처음 생산되었으며 다양한 이름으로 판매된다.[11] 합성 금홍석은 일메나이트 티타늄 광석으로부터 베처 공정을 통해 생산될 수 있다. 매우 순수한 합성 금홍석은 큰 덩어리일 경우 약간 노란색을 띠며 투명하고 거의 무색이다. 도핑을 통해 다양한 색상으로 만들 수 있다. 높은 굴절률은 금강 광택과 강한 굴절을 제공하여 다이아몬드와 유사한 외관을 나타낸다. 거의 무색의 다이아몬드 대체재는 이 산화물의 구식 화학명인 "티타니아"로 판매되기도 한다. 그러나 금홍석은 모스 굳기 척도에서 약 6 정도로 경도가 높지 않아 보석에는 드물게 사용된다.
이산화 티타늄의 광촉매 활성에 대한 연구 관심이 증가함에 따라, 분말 및 박막 형태의 금홍석 TiO2는 무기 전구체(일반적으로 TiCl4) 또는 유기 금속 전구체(일반적으로 티타늄 이소프로폭사이드와 같은 알콕사이드, TTIP라고도 함)를 사용하여 용액 기반 경로를 통해 실험실 조건에서 자주 제작된다. 합성 조건에 따라 첫 번째로 결정화되는 상은 준안정 아나타제 상일 수 있으며, 열 처리를 통해 평형 금홍석 상으로 변환될 수 있다. 금홍석의 물리적 특성은 종종 도펀트를 사용하여 개선된 광 생성 전하 캐리어 분리, 변경된 전자 밴드 구조 및 개선된 표면 반응성을 통해 향상된 광촉매 활성을 부여하도록 수정된다.
6. 금홍석 그룹
| 광물명 | 화학식 |
|---|---|
| 금홍석 (Rutile) | TiO2 |
| 연망간광 (Pyrolusite) | MnO2 |
| 아르구트석 (Argutite) | GeO2 |
| 석석 (Cassiterite) | SnO2 |
| 파라텔루르석 (Paratellurite) | TeO2 |
| 플랫너석 (Plattnerite) | PbO2 |
| 스티쇼바이트 (Stishovite) | SiO2 |
참조
[1]
논문
IMA–CNMNC approved mineral symbols
2021
[2]
간행물
Handbook of Mineralogy
http://rruff.geo.ari[...]
[3]
웹사이트
Webmineral data
http://webmineral.co[...]
[4]
웹사이트
Mindat.org
http://www.mindat.or[...]
[5]
서적
Manual of Mineralogy
John Wiley and Sons
[6]
서적
Minerales y Minas de España. Vol. IV. Óxidos e hidróxidos
Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas de Madrid. Fundación Gómez Pardo
[7]
논문
Ab initio study of phase stability in doped TiO2
[8]
논문
Abnormal grain growth of rutile TiO2 induced by ZrSiO4
https://hal.science/[...]
[9]
웹사이트
"Rutile Structure"
http://www.uwgb.edu/[...]
Steven Dutch, Natural and Applied Sciences, University of Wisconsin – Green Bay
[10]
논문
Structure, Energetics, and Spectra for the Oxygen Vacancy in Rutile: Prominence of the Ti–HO–Ti Bond
https://resolver.cal[...]
2021
[11]
논문
Magnetism in titanium dioxide polymorphs
https://arxiv.org/ab[...]
[12]
논문
The surface science of titanium dioxide
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