뷔스타이트

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1. 개요
2. 뷔스타이트 산화 환원 완충제
- 2.1. 자철석의 뷔스타이트 환원
- 2.2. 규산염 광물에 미치는 영향
3. 질소 고정에서의 역할
4. 역사적 이용
5. 관련 광물
6. 실험실 연구
참조

1. 개요

뷔스타이트는 암석 내 산화 정도를 나타내는 산화 환원 완충제로, 암석이 너무 환원되어 적철석이 존재하지 않는 지점을 의미한다. 자철석이 환원되면 뷔스타이트로 변환되며, 자연에서는 탄산염이 풍부한 스카른, 운석, 풀구라이트 등에서 드물게 발견된다. 뷔스타이트는 규산염 광물의 집합체를 결정하는 데 영향을 미치며, 하버-보슈 공정의 암모니아 생산을 위한 촉매로 사용된다. 또한 철기 시대의 단접 과정에서 중요한 역할을 했으며, 페리클라아제, 게사이트, 갈철석 등과 관련 광물을 형성한다.

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뷔스타이트
일반 정보
뷔스타이트
분류	산화물 광물
화학식	Fe O
IMA 기호	Wüs
결정계	정육면정계
공간군	Fm3m (no. 225)
모스 굳기	5–5.5
비중	5.7 g/cm³
벽개	{001} 완전함
쪼개짐	아패각상 내지 거침
색상	회백색 내지 황색 또는 갈색; 박편에서는 무색
용해도	묽은 HCl에 용해됨
기타 특징	페리클레이스와 고용체를 형성함
광학적 특성
굴절률	합성 결정에서 1.735–2.32
다색성	없음
식별
영어 이름
영어 이름	Wüstite
참고 문헌
참고 문헌	Schenck, Rudolf; Dingmann, Thomas (1927) Warr, L.N. (2021)

2. 뷔스타이트 산화 환원 완충제

지구 표면의 철 광물은 일반적으로 Fe³⁺ 상태의 적철석이나 Fe³⁺와 Fe²⁺가 혼합된 자철석으로 존재한다. 뷔스타이트는 암석 내의 산화 정도를 정의하는 산화 환원 완충제 역할을 한다.^[1]

2. 1. 자철석의 뷔스타이트 환원

지구 표면의 철 광물은 일반적으로 산화되어 Fe³⁺ 상태의 적철석을 형성하거나, 덜 산화적인 환경에서는 Fe³⁺와 Fe²⁺가 혼합된 자철석을 형성한다. 뷔스타이트는 암석 내 산화 정도를 정의하는 산화 환원 완충제 역할을 하며, 암석이 환원되어 Fe³⁺, 즉 적철석이 존재하지 않는 지점을 나타낸다.

암석의 산화 환원 상태가 더 환원되면 자철석 내 Fe³⁺ 이온이 Fe²⁺ 이온으로 변환되면서 뷔스타이트가 생성된다. 반응 예시는 다음과 같다.

:\underset{자철석}{FeO.Fe2O3} + \underset{흑연/다이아몬드}{C} -> {3FeO} + \underset{일산화탄소}{CO}

자철석(Fe₃O₄)은 FeO 1부분과 Fe₂O₃ 1부분으로 구성된 고용체이며, 시스템 내의 모든 Fe³⁺가 Fe²⁺로 변환될 때까지 철의 산화물 광물 조성이 뷔스타이트-자철석으로 유지되어 산소 푸가시티를 일정 수준으로 유지하는 ''산화 환원 완충제'' 역할을 한다. 이는 산화 환원 전위(E_h)의 완충을 고려할 때 물의 H⁺/OH⁻ 산-염기 시스템에서 pH를 완충하는 것과 비슷하다.

Fe³⁺가 소모되면, 시스템에서 산소를 제거하여 더 환원시켜야 하며, 뷔스타이트는 자생 철로 변환된다. 이때 암석의 산화물 광물 평형 조립은 뷔스타이트-자철석-철이 된다.

뷔스타이트-자철석 조성을 달성할 정도로 화학적으로 환원된 자연 시스템은 탄산염이 풍부한 스카른, 운석, 풀구라이트와 번개에 영향을 받은 암석, 그리고 다이아몬드나 흑연의 존재로 예시되는 환원된 탄소가 존재하는 맨틀을 포함하여 드물다.

2. 2. 규산염 광물에 미치는 영향

암석 내 Fe²⁺와 Fe³⁺의 비율은 암석의 규산염 광물 집합체를 부분적으로 결정한다. 주어진 화학 조성을 가진 암석 내에서 철은 전체 화학 조성과 해당 온도 및 압력에서 안정적인 광물 상에 따라 광물에 들어간다. 철은 Fe²⁺로 존재할 경우에만 휘석과 감람석과 같은 광물에 들어갈 수 있다. Fe³⁺는 파야라이트 감람석의 격자에 들어갈 수 없으므로, 두 개의 Fe³⁺ 이온마다 하나의 Fe²⁺가 사용되고 한 분자의 자철석이 생성된다.

화학적으로 환원된 암석에서는 철이 감람석에 들어가려는 성질 때문에 자철석이 없을 수 있으며, 규소가 사용할 수 있는 것보다 철이 과잉인 경우에만 뷔스타이트가 존재할 수 있다. 따라서 뷔스타이트는 모든 Fe³⁺를 제거하고 규산염 광물 밖에서 철을 유지해야 하는 필요성을 모두 충족하는, 심하게 화학적으로 환원된 규소 불포화 조성에서만 발견될 수 있다.

자연에서 탄산염암, 잠재적으로 탄산염암맥, 킴벌라이트, 탄산염을 함유한 멜리라이트 암석 및 기타 희귀 알칼리성 암석이 이러한 기준을 충족할 수 있다. 그러나 뷔스타이트는 이러한 암석 대부분에서 보고되지 않는데, 이는 자철석을 뷔스타이트로 전환하는 데 필요한 산화환원 상태가 매우 희귀하기 때문일 수 있다.

3. 질소 고정에서의 역할

전 세계 에너지 예산의 약 2~3%가 하버-보슈 공정을 통한 암모니아(NH3) 생산에 할당되며, 이는 뷔스타이트에서 파생된 촉매에 의존한다.^[1] 산업용 촉매는 고순도 자철광(Fe₃O₄)의 환원을 통해 얻는 미세하게 분쇄된 철 분말에서 파생된다.^[1] 분쇄된 철 금속은 연소(산화)되어 특정 입자 크기의 자철광 또는 뷔스타이트를 생성한다.^[1] 자철광(또는 뷔스타이트) 입자는 부분적으로 환원되어 그 과정에서 일부 산소가 제거된다.^[1] 결과적인 촉매 입자는 뷔스타이트 층으로 둘러싸인 자철광 코어와 다시 철 금속의 외부 층으로 둘러싸여 있다.^[1] 촉매는 환원 과정에서 부피의 대부분을 유지하여 다공성이 높고 표면적이 넓은 물질을 생성하여 촉매로서의 효율성을 향상시킨다.^[1]

4. 역사적 이용

뷔스타이트는 철기 시대에 단접 과정을 쉽게 만드는 데 중요한 역할을 했다. 고대에는 숯 풀무를 사용하는 대장장이 작업에서, 강철이나 철을 넣는 깊은 숯 구덩이가 산소가 거의 없는 매우 환원적인 환경을 만들어 금속 표면에 얇은 뷔스타이트 층을 형성했다. 용접 온도에서 철은 산소와 반응성이 매우 높아져 공기에 노출되면 불꽃이 튀고 두꺼운 슬래그 층을 형성하여 철이나 강철을 용접하기가 거의 불가능해진다.^[5]

이 문제를 해결하기 위해 고대 대장장이들은 뜨겁게 달궈진 금속에 소량의 모래를 뿌렸다. 모래 속의 이산화 규소는 뷔스타이트와 반응하여 파얄라이트를 형성하는데, 파얄라이트는 용접 온도 바로 아래에서 녹는 성질을 가지고 있다. 이는 금속을 산소로부터 보호하고 산화물과 불순물을 빼내어 용접이 가능한 깨끗한 표면을 만드는 효과적인 플럭스 역할을 했다. 고대인들은 이 과정의 원리를 정확히 알지 못했지만, 철을 용접하는 기술은 청동기 시대에서 현대 시대로 넘어가는 데 크게 기여했다.^[5]

5. 관련 광물

뷔스타이트는 페리클라아제(MgO)와 고용체를 형성하며, 이 과정에서 철은 마그네슘을 대체한다. 뷔스타이트가 산화되거나 수화(물과 반응)되면 게사이트와 갈철석이 생성된다. 아연, 알루미늄 및 다른 금속들도 뷔스타이트에서 철을 대체할 수 있다.

백운석 스카른 환경에서 뷔스타이트는 능철석(산화철(II)), 월라스토나이트, 엔스타타이트, 다이옵사이드, 마그네사이트와 같은 광물들과 함께 발견될 수 있다.

6. 실험실 연구

이타야 등은 자철광(Fe₃O₄)의 일산화 탄소(CO)-이산화 탄소(CO₂)-질소(N₂) 혼합 가스 계에서 환원법으로 뷔스타이트의 조성을 연구했다. 스기우라, 나카노 요시오 등은 수소(H₂)-수증기(H₂O) 혼합 가스 계에서 유사한 실험을 수행하여 뷔스타이트의 조성을 연구했다.

참조

_[1] 논문 IMA–CNMNC approved mineral symbols 2021
_[2] 논문 Gleichgewichtsuntersuchungen über die Reduktions-, Oxydations- und Kohlungsvorgänge beim Eisen III 1927
_[3] 논문 Reduction behavior of iron oxides in hydrogen and carbon monoxide atmospheres
_[4] 간행물 Ammonia
_[5] 서적 Iron and Steel in Ancient Times Det Kongelige Danske Videnskabernes Selskab 2005

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