규산염
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1. 개요
규산염은 규소와 산소의 결합으로 이루어진 화합물로, 규소 원자가 사면체 구조를 이루며 산소 원자와 공유 결합을 한다. 규산염은 음이온의 연결 방식에 따라 네소규산염, 소로규산염, 사이클로규산염, 이노규산염, 필로규산염, 텍토규산염 등으로 분류되며, 광물학에서 규산염 광물은 이러한 구조적 특징에 따라 분류된다. 규산염 광물은 지구 지각과 맨틀의 주요 구성 성분이며, 화성암, 변성암, 퇴적암 등 다양한 암석을 형성한다. 또한, 규산염은 시멘트, 유리 등 산업 전반에 걸쳐 널리 사용되며, 생물체에서도 중요한 역할을 한다.
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| 규산염 | |
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| 규산염 | |
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| 화학식 | () |
| 관련 이온 | () () (, ) |
| 일본어 표기 | ケイ酸塩 (케이산엔) |
| 영어 표기 | silicate |
| 관련 물질 | 소마스석 |
2. 규산염의 구조
대부분의 규산염에서 규소(Si) 원자는 사면체 중심에 위치하며, 네 꼭짓점에는 공유 결합으로 연결된 네 개의 산소(O) 원자가 옥텟 규칙에 따라 자리 잡고 있다.[1] 이 Si-O-M-O-Si (M은 양이온) 연결은 강하고 단단하며, 이러한 특성은 암석 같은 규산염에서 나타난다. 규산염은 규산염 음이온의 길이와 가교 결합에 따라 분류할 수 있다.
4배위 규산 이온에서 규소 원자는 4개의 산소 원자에 둘러싸인 사면체 구조를 취하며, 이 사면체가 1개부터 무한개까지 연결된 다양한 종류가 있다. 대표적인 예시로 오르토규산 이온(SiO₄⁴⁻), 피로규산 이온(Si₂O₇⁶⁻)이 있다. 또한 고리형 규산 이온으로는 Si₃O₉⁶⁻와 Si₆O₁₈¹²⁻가 알려져 있다.[11]
1차원 사슬형, 1차원 이중 사슬형, 2차원 시트형, 3차원 망상형등 다양한 구조가 존재한다.
2차원 시트형 및 3차원 망상형 폴리규산 이온의 일부 규소 원자는 알루미늄, 붕소, 인, 그리고 티탄 등의 전이 금속으로 치환된 것이 있다. 이들은 화학적으로는 알루미노규산 이온이나 붕규산 이온이라고 불러야 하지만, 규산 이온의 일종으로 취급되는 경우가 많다. 특히 알루미노규산염은 매우 많은 종류가 알려져 있다.[11]
2. 1. 독립형 규산염 (네소규산염)
규산염 사면체가 독립적으로 존재하며, 다른 사면체와 산소 원자를 공유하지 않는다. 이러한 구조를 가진 규산염을 독립형 규산염 또는 네소규산염이라고 한다. 독립형 규산염 음이온은 화학식 을 갖는다.[1] 대표적인 광물로는 감람석()이 있다.[1]광물학에서 네소규산염 광물(사면체 단체)은 구조를 가지며, 감람석류, 자수정류 등이 이에 속한다.[12]
2. 2. 이중 규산염 (소로규산염)
규산염 사면체 두 개가 산소 원자 하나를 공유하며 연결된 구조이다. 베수비아나이트, 녹렴석 등이 이 그룹에 속한다.[12]2. 3. 고리형 규산염 (사이클로규산염)
규산염 사면체가 고리 모양으로 연결된 구조이다. 녹주석, 전기석류 등이 대표적인 예시이다.[12] 고리형 규산 이온으로는 Si₃O₉⁶⁻와 Si₆O₁₈¹²⁻가 알려져 있다.[11]2. 4. 사슬형 규산염 (이노규산염)
규산염 사면체들이 사슬 모양으로 연결된 구조를 이노규산염이라고 한다. 단사슬 규산염은 휘석류가 대표적이며, 각 사면체가 두 개의 산소 원자를 공유한다.[1] 1차원 사슬형 구조는 (pyroxene)형 (SiO₃²⁻)n으로 표현될 수 있는데, 각 SiO₄ 사면체는 2개의 산소 원자를 이웃하는 SiO₄ 사면체와 공유하고, 형식적으로는 나머지 2개의 산소가 음이온이 된다.[11]
이중 사슬 규산염은 각섬석류가 대표적이며, 사면체가 (항상은 아니지만 대부분) 각각 두 개 또는 세 개의 산소 원자를 공유하여 이중 사슬을 형성한다. 1차원 이중 사슬형은 (amphybole)형 (Si₄O₁₁⁶⁻)n으로 표현된다.[11]
광물학에서 이노규산염 광물은 음이온 부분의 구조에 따라 다음과 같이 분류된다.[12]
2. 5. 판상 규산염 (필로규산염)
판상 규산염은 층상 규산염이라고도 불리며, 규산염 사면체가 2차원 평면으로 넓게 연결된 구조를 가진다. 각 사면체는 3개의 산소 원자를 공유하며 서로 연결되어 판 형태를 이룬다.[1] 이러한 구조로 인해 판상 규산염 광물은 얇게 쪼개지는 성질(벽개)을 가진다. 운모가 대표적인 예시이며, 백운모와 흑운모는 매우 약한 층을 가지고 있어 얇은 판으로 쉽게 벗겨진다.[1]
광물학에서 필로규산염 광물(층상)은 [Si2nO5n]2n- 구조를 가지며, 운모류와 점토광물 등이 이 그룹에 속한다.[12]
2. 6. 망상형 규산염 (텍토규산염)
망상형 규산염(텍토규산염)에서는 각 사면체가 4개의 산소 원자를 모두 이웃과 공유 결합하여 3차원 구조를 형성한다.[1] 석영과 장석이 이 그룹에 속한다.각 SiO₄ 사면체는 4개의 산소 원자를 이웃하는 SiO₄ 사면체와 공유한다. 이 구조가 100%이면 화학식 SiO₂의 이산화 규소가 되지만, 일부 SiO₂가 다른 금속 산화물로 치환된 (M(I)₂O)₂ₓ(SiO₂)₁₋ₓ 또는 (M(II)O)₂ₓ(SiO₂)₁₋ₓ와 같은 조성의 화합물에서는 규소 원자가 제거된 결함 부분이 음이온이 된 (SiO₂(₁₋ₓ))O₂ₓ⁴ˣ⁻와 같은 폴리이온으로 생각할 수 있다. 하지만 금속 M이 이온이라기보다는 산소 원자와 공유 결합하여 폴리규산 이온의 일부가 되는 것으로 보는 것이 더 적절한 구조인 경우도 있다.[11]
3차원 망상형 폴리규산 이온의 일부 규소 원자는 알루미늄, 붕소, 인, 그리고 티탄 등의 전이 금속으로 치환될 수 있다. 이들은 화학적으로는 알루미노규산 이온이나 붕규산 이온이라고 불러야 하지만, 규산 이온의 일종으로 취급되는 경우가 많다. 특히 알루미노규산염은 매우 많은 종류가 알려져 있다. 비정질의 3차원 망상형 규산염은 규산 유리로 알려져 있다.[11]
광물학에서 텍토규산염 광물(
텍토규산염 광물은 알루미늄 등 원자가가 작은 원자로 규소가 치환되어 전체적으로 음전하를 띠는 경우에만 양이온을 포함한다. 이러한 치환은 다른 규산염에서도 일어난다.[12]
2. 7. 비사면체형 규산염
대부분의 규산염에서 규소 원자는 사면체 배열을 이루지만, 더 높은 배위수를 가질 수도 있다. 예를 들어, 육불화규산염(SiF₆²⁻) 음이온에서 규소 원자는 여섯 개의 플루오린(fluorine) 원자에 둘러싸여 팔면체(octahedron) 배열을 이룬다.[2] 타우마사이트(thaumasite)에서 발견되는 육수산화규산염 음이온(Si(OH)₆²⁻)에서도 이러한 구조를 볼 수 있는데, 타우마사이트는 자연에서는 드물게 발견되지만, 황산염 공격(sulfate attack)을 심하게 받은 시멘트(cement)와 콘크리트(concrete) 구조물에서 인공적으로 형성되기도 한다.[3][4][5][6]매우 높은 압력에서는 SiO₂조차도 스티쇼바이트(stishovite) 광물에서 6배위 팔면체 기하학을 채택하는데, 스티쇼바이트는 지구 맨틀 하부(lower mantle)에서 발견되는 실리카(silica)의 고밀도 다형체이며, 운석(meteorite) 충돌 시 충격으로도 형성된다.
3. 규산염의 화학적 성질
고체 규산염은 일반적으로 안정적이며 잘 알려져 있다.
오르토규산나트륨, 메타규산나트륨과 같이 알칼리 양이온과 작거나 사슬 모양의 음이온을 포함하는 규산염은 물에 잘 녹는다. 이들은 용액에서 결정화될 때 여러 가지 고체 수화물을 형성한다. 규산나트륨 및 그 혼합물은 물유리(waterglass)로 알려져 있으며 중요한 산업용 및 가정용 화학 물질이다. 비알칼리 양이온의 규산염 또는 판상 및 삼차원 중합체 음이온을 가진 규산염은 일반적으로 정상적인 조건에서 물에 대한 용해도가 매우 낮다.
규산염은 일반적으로 화학적으로 불활성이지만, 다음과 같은 반응을 할 수 있다.
- 산화칼슘과 물로 처리하면 포틀랜드 시멘트를 형성한다.
- 카테콜은 오쏘규산염(SiO₄⁴⁻), 메타규산염(SiO₂³⁻) 및 피로규산염(Si₂O₆⁷⁻)과 같은 이온 구조를 가진 규산염의 구성 요소인 SiO₂를 배위를 통해 비스- 및 트리스(카테콜레이트)규산염 이온을 형성하여 해중합할 수 있다.[8]
- 용액 속 규산 음이온은 몰리브덴산염 음이온과 반응하여 노란색 규산몰리브덴산염 착물을 생성한다. 단량체인 오쏘규산염은 75초 만에 완전히 반응하고, 이량체인 피로규산염은 10분이 걸리며, 더 높은 올리고머는 훨씬 더 오랜 시간이 걸린다.[7]
수용성 규산염의 특성은 생체 광물화와 산업적으로 중요한 촉매인 제올라이트와 같은 알루미늄규산염의 합성을 이해하는 데 중요하다.[9] 알루민산염 음이온과 함께, 수용성 규산염 음이온은 지오폴리머의 중합 메커니즘에서도 주요 역할을 한다. 지오폴리머는 비정질 알루미늄규산염으로, 일반 포틀랜드 시멘트보다 생산에 필요한 에너지가 적다.
4. 규산염 광물
광물학에서 '''규산염 광물'''[12]은 음이온 부분의 구조에 따라 다음과 같은 그룹으로 분류된다.
- '''네소규산염 광물'''(사면체 단체) — [SiO4]4-, 감람석류, 자수정류 등.
- '''소로규산염 광물'''(사면체 2량체) — [Si2O7]6-, 베수비아나이트, 녹렴석류 등.
- '''사이클로규산염 광물'''(환상) — [SinO3n]2n-, 녹주석, 전기석류 등.
- '''이노규산염 광물'''(단쇄상) — [SinO3n]2n-, 휘석류 등.
- '''이노규산염 광물'''(2본 쇄상) — [Si4nO11n]6n-, 각섬석류 등.
- '''필로규산염 광물'''(층상) — [Si2nO5n]2n-, 운모류와 점토광물 등.
- '''텍토규산염 광물'''(3차원 망상) — [AlxSiyO2(x+y)]x-, 석영, 장석류, 제올라이트류 등.
텍토규산염 광물은 알루미늄 등 원자가가 작은 원자로 규소가 치환되어 전체적으로 음전하를 띠는 경우에만 양이온을 포함한다. 이러한 치환은 다른 규산염에서도 일어난다.
몇몇 희귀한 광물에서는 결정 구조 내에 여러 종류의 음이온이 공존하거나 위에 언급된 종류의 중간 구조를 가진 복잡한 음이온을 포함하고 있다.
5. 규산염 암석
지질학 및 천문학에서 규산염은 암석의 한 종류이며, 규산염 광물을 주성분으로 하는 것을 말한다. 화성암, 변성암, 퇴적암의 대부분이 규산염 광물로 구성되어 있다. 지구의 맨틀과 지각은 주로 규산염으로 구성되어 있으며, 다른 지구형 행성들도 마찬가지이다.
지구에서는 지각의 형성, 그리고 부분적인 용융, 결정화, 분별결정작용, 변성작용, 풍화작용, 다져짐 작용 등의 과정을 통해 다양한 규산염 광물이 생성되어 왔다. 지표 부근에서는 생물도 규산염 생성에 기여하고 있다. 플랑크톤의 일종인 규조류는 규산염으로 된 껍질을 만든다. 심해의 퇴적물은 주로 규조류의 껍질로 구성되어 있다.
참조
[1]
서적
Chemistry of the Elements
Butterworth-Heinemann
[2]
서적
The thaumasite form of sulfate attack in concretes containing a source of carbonate ions—A microstructural overview
https://www.concrete[...]
American Concrete Institute
1995
[3]
학술지
The occurrence of thaumasite in modern construction – A review
https://www.scienced[...]
2002-06-01
[4]
학술지
The thaumasite form of sulfate attack in the UK
https://www.scienced[...]
2003-12-01
[5]
학술지
Contribution of construction activity to aggressive ground conditions causing the thaumasite form of sulfate attack to concrete in pyritic ground
https://www.scienced[...]
2003-12-01
[6]
학술지
The thaumasite form of sulfate attack-breaking the rules
https://www.scienced[...]
2004-10-01
[7]
학술지
The Reaction of Low Molecular Weight Silicic Acids with Molybdic Acid
[8]
학술지
Assembly of Silicate–Phenolic Network Coatings with Tunable Properties for Controlled Release of Small Molecules
https://onlinelibrar[...]
2024-11-14
[9]
학술지
The Structure of Silicate Anions in Aqueous Alkaline Solutions
[10]
서적
学術用語集 天文学編
http://sciterm.nii.a[...]
日本学術振興会
[11]
서적
無機化学 上
培風館
[12]
서적
学術用語集 地学編
http://sciterm.nii.a[...]
日本学術振興会
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