케로겐

3. 조성

케로겐은 퇴적암에서 발견되는 다양한 유기 화합물의 복잡한 혼합물이다.^[12] 단일 화학식으로 표현하기 어려우며, 화학 조성은 퇴적층마다, 심지어 같은 퇴적층 내에서도 큰 차이를 보인다. 예를 들어 북아메리카 서부 그린 리버 층 오일 셰일에서 추출한 케로겐은 탄소 215개, 수소 330개, 산소 12개, 질소 5개, 황 1개의 비율(C:H:O:N:S = 215:330:12:5:1)로 구성되어 있다.^[13]

케로겐은 분자량이 매우 커서 일반적인 유기 용매에 녹지 않는다. 용해되는 부분은 역청이라고 한다. 지구 지각 내에서 특정 온도 조건(''오일 윈도우''는 약 50°C~150°C, ''가스 윈도우''는 약 150°C~200°C, 모암이 가열되는 속도에 따라 달라짐)에 도달하면, 일부 케로겐은 원유나 천연 가스 같은 탄화수소(화석 연료)를 방출한다. 이러한 케로겐이 유기물이 풍부한 셰일과 같은 암석에 많이 존재하면 근원암이 될 수 있다. 탄화수소를 생성할 만큼 충분히 가열되지 않은 케로겐이 풍부한 셰일은 오일 셰일을 형성한다.

케로겐의 화학 조성은 고체 상태 분광법으로 분석할 수 있다. 핵자기 공명 분광법(NMR), 라만 분광법, 적외선 분광법, X선 흡수 근접 가장자리 구조(XANES) 분광법 등이 사용된다. 이러한 분석을 통해 케로겐 내 다양한 원자들의 결합 상태를 파악할 수 있다.^{[14][15][22][24][25]}

4. 미세 구조

열적 성숙 과정에서 케로겐의 미세 구조는 변화한다. 주사 전자 현미경(SEM) 이미징 결과, 열적으로 성숙된 케로겐은 풍부한 내부 기공 네트워크를 갖는 것으로 나타났다.^[9][26] 가스 흡착 분석 결과, 열적 성숙 동안 케로겐의 내부 비표면적이 한 자릿수(약 40m²/g~400m²/g) 증가한다.^[27][28] X선 및 중성자 회절 연구 결과, 열적 성숙 동안 탄소 원자 간 간격에 변화가 생긴다. 공유 결합된 탄소 간 탄소-탄소 거리는 단축(주로 지방족 결합에서 주로 방향족 결합으로 전환되는 것과 관련)되고, 더 멀리 떨어진 탄소 간 탄소-탄소 거리는 연장(케로겐에 존재하는 기공의 형성과 관련)되는 것이 밝혀졌다.^[29] 이러한 변화는 열적 성숙 동안 케로겐 분자 일부가 균열되면서 남겨진 케로겐에 존재하는 기공 형성에 기인한다.

5. 물리적 특성

케로겐의 골격 밀도는 열적 성숙도가 낮을 때는 약 1.1g/ml에서 열적 성숙도가 높을 때는 1.7g/ml로 증가한다.^[30][31][32] 이러한 밀도 변화는 열적 성숙도가 증가함에 따라 탄소의 구조가 주로 지방족(왁스와 유사, 밀도 1g/ml 미만)에서 주로 방향족(흑연과 유사, 밀도 2g/ml 초과)으로 변화하기 때문이다.

6. 공간적 이질성

케로겐은 마이크론 길이 척도에서 공간적 이질성을 보인다. 서로 다른 기원에서 생성된 개별 케로겐 입자는 다른 마세랄로 지정된다. 이러한 시작 물질의 차이는 서로 다른 케로겐 입자 간의 조성 변화를 초래하여, 마이크론 길이 척도에서 케로겐 조성의 공간적 이질성을 유발한다. 케로겐 입자 간의 이질성은 또한 서로 다른 입자를 둘러싼 광물의 특성으로 인해 열분해 반응의 국소적 촉매 작용이 변화하기 때문에 발생할 수도 있다. 원자력 현미경과 적외선 분광법(AFM-IR)을 결합하고 유기 암석학과의 상관 관계를 통해 수행된 측정은 나노 규모에서 열 성숙도에 따른 개별 케로겐 마세랄의 화학적 조성 및 기계적 특성의 변화를 분석했다.^[33] 이러한 결과는 모든 마세랄이 열 성숙 동안 산소 함량이 감소하고 방향족성이 증가(지방족성 감소)하지만, 일부 마세랄은 큰 변화를 겪는 반면 다른 마세랄은 비교적 작은 변화를 겪는다는 것을 나타낸다. 또한, 방향족 탄소가 더 풍부한 마세랄은 지방족 탄소가 더 풍부한 마세랄보다 기계적으로 더 단단하다. 이는 고도로 방향족 형태의 탄소(예: 흑연)가 고도로 지방족 형태의 탄소(예: 왁스)보다 더 단단하기 때문에 예상되는 결과이다.

7. 종류

케로겐은 수소 대 탄소(H/C) 비율과 산소 대 탄소(O/C) 비율에 따라 여러 유형으로 분류된다. (반 크레벨렌 다이어그램)^[34] 유기 석유학에서 케로겐의 구성 요소는 현미경 검사를 통해 식별하고 마세랄로 분류한다.

8. 케로겐 순환

9. 지구 외 케로겐

탄소질 콘드라이트 운석에는 케로겐 유사 성분이 포함되어 있다.^[40] 이러한 물질은 지구형 행성을 형성한 것으로 여겨진다.^[40] 케로겐성 물질은 또한 별 주변의 성간 구름과 먼지에서도 감지되었다.^[41][61]

큐리오시티 로버는 개선된 드릴링 기술을 사용하여 화성의 게일 크레이터에 있는 이암 샘플에서 케로겐과 유사한 유기 퇴적물을 감지했다. 벤젠과 프로판의 존재 또한 탄화수소가 파생되는 케로겐 유사 물질의 존재 가능성을 나타낸다.^{[42][43][44][45][46][47][48][49][50]}

참조

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