아라고나이트

1. 개요

아라고나이트는 화학식이 CaCO3인 탄산칼슘 광물로, 방해석과 동질이상 관계에 있다. 스페인의 몰리나 데 아라곤이 모식지이며, 전 세계 여러 지역에서 산출된다. 비중은 2.9, 모스 굳기는 4이며, 육각 기둥 모양의 쌍정을 이루는 특징이 있다. 고압 환경이나 마그네슘 이온, 황산 이온 등이 존재할 경우 생성될 수 있으며, 생물학적 이용 및 수족관 환경 조성, 오염 물질 제거 등에 활용된다. 아라고나이트 그룹은 아라고나이트, 스트론튬석, 위더라이트, 백연광 등을 포함한다.

2. 산출지

아라고나이트의 모식지는 스페인 카스티야-라 만차 자치 지방 과달라하라 주의 몰리나 데 아라곤으로, 1797년에 이 지명을 따서 명명되었다. 이 지역에서 아라고나이트는 트라이아스기 Keuper 상의 석고와 마르 내부의 순환 쌍정으로 발견된다. 이러한 유형의 아라고나이트 매장지는 스페인에서 매우 흔하며, 프랑스에도 일부 존재한다.

슬로바키아에는 아라고나이트 동굴인 오흐틴스카 아라고나이트 동굴이 있다.

미국에서는 칼스배드 동굴과 기타 동굴에서 종유석과 "동굴 꽃" (안소다이트) 형태로 아라고나이트가 발견된다. 1900년대 초 몇 년 동안, 아라고나이트는 유타 주 아라고나이트 (현재는 유령 도시)에서 채굴되었다.

바하마의 해저에서는 거대한 사구 아라고나이트 모래 매장지가 발견된다.

종유동에서는 산호 모양의 종유석이 되기도 하며, "산호철"(Flos Ferri)이라고 불린다.

3. 물리적 성질

아라고나이트는 비중이 2.9이고, 모스 경도는 4이다. 벽개는 한 방향으로 나타나며, 육각 기둥 모양의 3연 쌍정이 되기 쉽다. 화학 조성은 방해석과 같지만, 다른 결정 구조를 가지는 동질이상이다. 상온 상압에서는 방해석이 더 안정하다. 따라서 원래 아라고나이트로 생성된 결정이 오랜 시간이 지나면 아라고나이트 가상정의 방해석이 되기도 한다. 공기 중에서 가열하면 방해석으로 상전이한다. 방해석보다 비중이 크기 때문에, 고압에서는 방해석보다 안정적이다. 또한 상압에서도 마그네슘 이온이나 황산 이온 등이 있으면 생성될 수 있다. 방해석은 마그네슘처럼 칼슘보다 이온 반지름이 작은 물질을 불순물로 포함하기 쉽지만, 아라고나이트는 스트론튬과 같이 칼슘보다 이온 반지름이 큰 물질을 포함하는 경향이 있다. 아라고나이트는 3000bar 미만의 압력 및 모든 온도에서 열역학적으로 불안정한 탄산 칼슘의 상이지만, 주변 온도에서 지표면 환경에서 자주 형성된다. 아라고나이트 내부의 약한 반 데르 발스 힘은 이 광물의 결정학적 및 탄성적 특성에 중요한 영향을 미친다. 깁스 자유 에너지로 측정한 아라고나이트와 방해석의 안정성 차이는 작으며, 입자 크기 및 불순물의 영향이 중요할 수 있다. 방해석이 안정적인 다형체여야 하는 온도 및 압력에서 아라고나이트가 형성되는 것은 덜 안정적인 상이 먼저 형성되는 오스트발트의 단계 규칙의 예시일 수 있다. 마그네슘 이온은 아라고나이트 형성을 선호하여 방해석 형성을 억제할 수 있다. 일단 형성된 아라고나이트는 10⁷~10⁸년 정도의 시간이 지나면 방해석으로 변하는 경향이 있다.

μ-CaCO₃라고도 알려진 광물 바테라이트는 지구 표면의 일반적인 주변 조건에서 또 다른 탄산 칼슘 상이며, 아라고나이트보다 훨씬 더 쉽게 분해된다.

4. 생성 과정

아라고나이트는 고압의 다형체 탄산 칼슘이다. 따라서 섭입대에서 형성된 것과 같은 고압 변성암에서 발생한다.

아라고나이트는 거의 모든 연체동물 껍질에서 자연적으로 형성되며, 따뜻하고 차가운 물 산호 (Scleractinia)의 석회질 내골격으로도 형성된다. 여러 관벌레는 아라고나이트 관을 가지고 있다. 연체동물 껍질에서 광물 침착은 생물학적으로 강하게 통제되기 때문에, 일부 결정 형태는 무기 아라고나이트와 뚜렷하게 다르다. 일부 연체동물에서는 껍질 전체가 아라고나이트로 구성되어 있으며, 다른 연체동물에서는 아라고나이트가 이중 광물 껍질(아라고나이트 + 방해석)의 개별 부분만 형성한다. 멸종된 일부 암모나이트의 아라고나이트 화석 껍질의 진주층은 무지개빛 물질인 암몰라이트를 형성한다.

아라고나이트는 Celtis occidentalis의 내과피에서도 자연적으로 형성된다. 일부 석회질 해면의 골격은 아라고나이트로 만들어진다.

아라고나이트는 해양 시멘트(퇴적물) 또는 자유 결정(수주)이라고 하는 무기 침전물에서도 형성된다. 동굴에서 아라고나이트의 무기 침전은 동굴 생성물 형태로 발생할 수 있다. 아라고나이트는 마그네슘이 풍부한 공극 용액이 방해석 성장을 억제하고 아라고나이트 침전을 촉진하는 사문암에서 흔히 발견된다.

아라고나이트는 지구 표면 근처의 저압에서 준안정상태이며, 따라서 화석에서 방해석으로 흔히 대체된다. 석탄기보다 오래된 아라고나이트는 본질적으로 알려져 있지 않다.

아라고나이트는 60°C 이상의 온도에서 염화 칼슘 용액을 탄산 나트륨 용액에 첨가하거나, 실온에서 물-에탄올 혼합물에 첨가하여 합성할 수 있다.

5. 생물학적 이용

군부착생물은 아라고나이트를 섭취하여 눈을 만드는 최초의 동물로 밝혀졌다.

6. 이용

수족관에서 아라고나이트는 산호초 환경을 재현하는 데 필수적인 것으로 간주된다. 아라고나이트는 많은 해양 생물에게 필요한 물질을 제공하며, 물의 pH를 자연 수준에 가깝게 유지하여 생물 기원 탄산 칼슘의 용해를 방지한다.

아라고나이트는 오염된 폐수에서 아연, 코발트, 납과 같은 오염 물질을 제거하는 데 성공적으로 시험되었다.

7. 아라고나이트 그룹