원자구조
원자구조를 이해하는 것은 화학원소들이 서로 어떻게 반응하여 새로운 결정구조를 만드는지 예측할 수 있습니다. 원자구조는 양성자와 중성자를 포함하고 전자로 둘러싸인 핵으로 정의됩니다.
핵(양성자와 중성자) :모든 원자의 중심에는 양성자와 중성자 두 종류가 있으며, 거의 모든 질량을 포함하는 조밀한 핵(nucleus)으로 구성됩니다. 양성자(proton)는 양의 전하를 띠지만 중성자(neutron)는 전기적으로 중성입니다. 동일한 원소의 원자는 다른 수의 중성자를 가질 수 있지만 양성자의 수는 변하지 않습니다. 예를 들어, 모든 탄소 원자는 6개의 양성자를 갖습니다.
전자 :핵 주위에는 전자(electron)라 불리는 움직이는 입자가 구름 상태로 나타나며, 각각은 질량이 매우 작아서 통상적으로 0으로 취급됩니다. 각 전자는 1의 음전하를 띕니다. 핵에 있는 양성자의 수는 어떤 원자의 핵을 둘러싼 동일한 수의 전자에 의하여 균형을 이룬 상태로써 원소는 전기적으로 중립입니다. 따라서 탄소 원자의 핵은 6개의 전자로 둘러싸여 있습니다.
원자 수 및 원자질량
원자핵의 양성자 수는 원자번호(atomic number)로 명명됩니다. 동일한 원소의 모든 원자는 동일한 양의 양성자를 가지므로 동일한 원자번호를 갖게 됩니다. 예를 들어 6개 양성자를 가진 모든 원자는 탄소 원자(원자번호 6)입니다. 원자번호와 원소는 원소의 거동에 대한 공통적인 특징을 보입니다. 이는 주기율표에서도 원자번호에 따라 원소순서로 배열된 것입니다. 탄소와 실리콘과 같이 주기율표의 동일한 수직열에 있는 원소는 화학적으로 유사하게 반응하는 성질을 갖고 있습니다.
원소의 원자질량(atomic mass)은 양성자와 중성자의 질량의 합입니다(전자는 질량이 너무 적기 때문에 이 합계에 영향을 주지 않습니다). 동일한 원소의 원자들은 항상 동일한 수의 양자를 가지고 있지만, 원자에 따라 중성자 수는 다를 수가 있으며, 중성자 수가 달라지면 원자질량도 달라집니다. 중성자 수가 다른 동일한 원소의 원자를 동위원소(isotopes)라고 합니다. 예를 들어, 탄소 원소의 동위 원소들은 모두 6개의 양성자를 가지고 있지만, 6, 7, 8개의 중성 자를 가질 수 있으며, 원자질량은 각각 12, 13, 14입니다.
자연계에서 원소는 동위원소의 혼합물로 존재하므로 평균 원자질량은 정수가 아닙니다. 예를 들어, 탄소의 원자질량은 12.011입니다. 이는 동위원소 탄소-12가 양적으로 압도적으로 많기 때문에 12에 가까운 수를 보입니다. 한 원소 내에 있는 여러 동위원소들의 상대적 존재량은 다른 동위원소들보다 어떤 동위원소의 존재량을 향상하는 과정들에 의해 결정됩니다. 예를 들어, 무기탄소 화합물로부터 유기탄소 화합물을 생성하는 광합성작용과 같은 화학반응은 탄소-12를 선호합니다.
화학반응
원자구조는 다른 원자와의 화학반응을 결정합니다. 화학반응 (chemical reaction)을 통해 둘 이상 원소의 원자들이 일정한 비율로 상호작용하는 것을 말하며, 그 결과 화합물이 만들어집니다. 예를 들어, 2개의 수소 원자가 하나의 산소 원자와 결합하게 되면, 새로운 화합물인 물(H₂O)이 생성됩니다. 이러한 화합물의 특성은 구성원소의 특성과 완전히 다를 수 있습니다. 예를 들어, 금속인 나트륨 원자가 유해한 가스인 염소 원자와 결합하게 되면 염화나트륨 화합물이 만들어지며, 이는 식염으로 알려져 있습니다. 이 화합물은 NaCl 화학식으로 표기되며, 기호 Na는 나트륨 원소를 나타내고 기호 Cl은 염소 원소를 나타냅니다. (모든 화학원소에는 기호가 지정되어 있으며, 화학기호와 방정식을 작성하는 약어로 사용됩니다.)
광물과 같은 화합물은 반응하는 원자들 사이의 전자공유 (electron sharing)나 반응하는 원자들 사이의 전자이동(electron transfer)에 의한 결합으로 형성됩니다. 지각에서 가장 풍부한 원소인 탄소와 실리콘은 전자공유에 의한 화합물을 구성하는 경향이 있습니다. 다이아몬드는 단지 전자를 공유하는 탄소 원자로 구성된 화합물입니다.
염화나트륨은 나트륨과 염소 원자 사이의 반응에서 전자가 서로 이동하게 됩니다. 나트륨 원자는 하나의 전자를 잃는 반면 염소 원자는 그 잃어버린 전자를 얻게 됩니다. 하나 이상 전 자의 손실 또는 증가로 인하여 양전하 또는 음전하를 띤 원자 또는 원자군을 이온(ion)이라고 합니다. 염소 원자가 음전하를 띠는 전자 하나를 얻으면 음이온 Cl⁻이 됩니다. 한편 나트륨 원자가 전자 하나를 잃으면 양이온으로 되어 나트륨 이온인 Na⁺가 생성됩니다. Na의 양전하가 Cl의 음전하와 정확히 균형을 이루기 때문에 화합물 NaCl 자체는 전기적으로 중성을 유지하게 됩니다. 양으로 하전 된 이온은 양이온(cation)이라 하며, 음으로 하전 된 이온은 음이온(anion)이라 합니다.
화학결합
화합물이 전자공유나 전자이동에 의하여 형성될 때, 화합물을 구성하는 이온 또는 원자는 음으로 하전 된 전자와 양으로 하전 된 양성자 사이의 정전기적 인력에 의해 결합됩니다. 공유된 전자들 사이 또는 획득된 전자와 손실된 전자 사이의 인력 또는 화학 결합(chemical bond)은 강할 수도 있고 약할 수도 있습니다. 강한 결합은 물질이 원소로 분해되거나 다른 물질로 분해되는 것을 막아줍니다. 강한 결합은 역시 광물을 단단하게 만들고, 깨지거나 분리되지 않도록 합니다. 대부분의 조암광물은 이온결합과 공유결합이라는 두 가지 유형의 결합 형태를 보입니다.
이온결합 :화학결합의 가장 단순한 형태가 이온결합(ionic bond)입니다. 이러한 결합은 전자가 이동될 때 염화나트륨의 Na⁺와 Cl⁻ 같은 반대 전하를 갖는 이온들 사이의 정전기적 인력에 의하여 형성됩니다. 이러한 인력은 나일론이나 실크천이 신체에 붙게 되는 정전기와 같은 성질을 띠고 있습니다. 이온결합의 강도는 이온 간의 거리가 증가함에 따라 크게 감소하며, 이온의 전 하가 증가함에 따라 증가합니다. 이온결합은 광물구조에서 우세한 화학결합 형태입니다. 모든 광물 중 약 90%가 기본적으로 이온결합의 화합물입니다.
공유결합 :전자를 쉽게 얻지도 잃지도 않아서 이온을 형성하기보다는 전자를 공유하여 화합물을 형성하는 원소는 공유결합 (covalent bonds)에 의하여 결속됩니다. 이 결합은 일반적으로 이온 결합보다 강합니다. 공유결합의 결정구조를 갖는 광물로는 단일 원소인 탄소로 이루어진 다이아몬드가 있습니다. 각 탄소 원자는 자신이 갖고 있는 4개의 전자를 다른 탄소 원자와 공유할 수 있으며, 아울러 다른 탄소 원자가 갖고 있는 전자들을 공유함으로써 또 다른 4개의 전자를 얻을 수 있습니다. 다이아몬드에서 모든 탄소 원자는 4개의 면으로 된 피라미드 형태(4면체, Cetrahedron)로 배열된 4개의 다른 탄소 원자들로 둘러싸여 있으며, 각 면은 삼각형입니다. 이러한 배열 형태에서 각 탄소 원자는 인접한 4개의 탄소 원자들과 각각 하나의 전자를 공유함으로써 매우 안정된 배열을 이루게 됩니다.
금속결합 :전자를 손실하는 경향이 강한 금속 원소의 원자는 양이온으로 함께 묶이고, 자유롭게 이동하는 전자(자유전자)는 양이온 사이에서 공유되고 분산됩니다. 이러한 자유 전자의 공유는 금속결합(metallic bond)이라고 부르는 일종의 공유결합을 형성합니다. 금속결합은 소수의 광물들에서 발견되며, 그중에는 금속 구리와 일부 황화광물들이 있습니다.
일부 광물의 화학결합은 순수한 이온결합과 순수한 공유결합 사이의 중간에 해당하는데, 그 이유는 일부 전자는 교환되고 다른 전자는 공유되기 때문입니다.