나무의사 산림토양학 요약 _ 3 점토광물

1. 점토광물의 기본구조

1) 암석권

산소 46.7%, 규소 27.7%, 알루미늄 8.1%, 칼슘 3.7%, 나트륨 2.8%, 칼륨 2.1%, 마그네슘 2.1% (O Si Al Ca Na K Mg)
규산사면체층과 알루미나팔면체층이 결합하는 방식과 성질에 따라 결정질 규산염 점토광물은 카올리나이트군, 일라이트군, 몽모리오나이트군, 스멕타이트군으로 분류

2) 규소사면체 (SiO4)

-4가 음전하 ▶ Fe2+ 또는 Mg2+등 2가 양이온이 중화, 연결 Mg2SiO4, Fe2SiO4
전기적안정성과 이온배열효율성을 만족한다
전기적 중화 : SiO2 (O2- + Si4+)

3) 알루미늄팔면체

Al을 중앙으로 6개의 산소원자 (O2-) 또는 수산기(OH-)와 이온결합으로 둘러싼 형태

토양의 점토광물에서 가장 많이 차지하고 있는 원소는? (기출) SiO4
> 암석권을 구성하는 광물을 원소별 분석(토양의 구성원소도 비슷) > 산소46.7% 규소27.7% 알루미늄8.1% 칼슘3.6% …

 

2. 1차광물

1) 석영 (quartz) SiO2

석영과 장석은 1차광물 중에서도 가장 치밀한 구조의 규산염 광물

2) 운모

운모의 2:1 층상구조. 2차광물인 버미큘라이트(K+ 대신 Mg2+)에 비하여 상대적으로 결합이 강함

백운모(muscovite) KAl2(AlSi3O10)(OH)2 : 중심양이온은 모두 Al3+
흑운모(biotite) K(Mg,Fe)3(AlSi3O10)(OH)2 : Al3+대신 Fe2+나 Mg2+

3) 장석류 (feldepars)

정장석 (orthoclase) KAlSi3O8
사장석 (microcline) KAlSi3O8
조장석 (albite) NaAlSi3O8
- 4개의 규소사면체마다 1개꼴로 Si4+대신 Al3+로 치환됨. 이때 생성되는 음전하 중화를 위해 K,Na,Ca등 부가적인 양이온이 필요함. 석영에 비하여 안정하지도 못하고 풍화되기 쉬움

A 감람석, B 휘석, C 각섬석, D 운모, E 석영 및 장석 [그림출처 : 사이언스올]

4) 각섬석류 (amphiboles)

tremolite Ca2Mg5Si8O22(OH)2
-우리나라 토양에서 흔히 발견되며 많은 필수 무기영양소를 함유함

5) 휘석류 (pyroxenes)

-기본단위 Si2O6. 휘석류광물은 상당한 경질의 광물이거나 간단한 단일사슬로 쉽게 풍화됨
enstatite MgSiO3
diopside CaMg(Si2O6)
rhodonite MnSiO3

6) 감람석 (olivine) (Mg,Fe)2SiO4

-규소사면체의 -4음전하를 중화시키기위해 Fe2+, Mg2+와 결합 화성암의 주요광물. 결정구조가 단순. 광물들 중 가장 풍화하기 쉬움. 미량원소의 공급원

Q. 다음 중 2차 점토광물인 것은? (기출5회 78번)
①석영 ②장석 ③운모 ④방해석 ⑤각섬석

3. 2차광물

- 규소(Si)와 알루미늄(Al)이 주요 구성 성분인 규산염광물
- kaolinite, montmorillonite, vermiculite, illite, chlorite, 그 밖에 gibbsite, goethite 등과 같은 금속산화물 또는 수산화물 그리고 imogolite, allophane 등과 같은 비결정광물
- 기온이 높고 비가 많이 오는 기후환경 조건 광물의 풍화, 이온의 용탈이 심하므로 안정성이 가장 큰 철(Fe)과 알루미늄(Al)의 산화물들이 점토를 구성하는 주된 광물

2차광물

1) Kaolinite 카올리나이트

kaolinte, halloysite, 가수할로이사이트, 나트라이트(nacrite), 닥카이트(dickte)가 속함
규산4면체와 알루미나8면체가 1:1로 결합하여 하나의 결정단위를 이룸
7.2Å (0.7nm)의 간격을 두고 여러층이 겹쳐져서 이루어진 점토광물, 1:1형 점토광물 또는 2층형광물이라 함
결정단위간의 결합은 강한 수소결합(OH- + O2-_), 결정단위 사이 물분자 출입불가로 수축 팽창 불가
온난습윤하며 배수가 잘되는 지역에서 규소가 용해, 용탈되어 알루미늄의 비율이 상대적으로 높아져서 생성됨
우리나라 토양의 주된 점토광물이며 고령토의 원단어 카올링. 국내 도자기가 단단한 이유이다.
그러나 식물영양학적, 환경적으로 양분 흡착능력이 떨어진다

2) Smectite 스멕타이트

팽창성 2:1형 점토광물, 2개의 규소사면체층 사이에 1개의 알루미늄팔면체 층이 결합하여 단위구조를 만듬
알루미나팔면체의 Al3+이 Mg2+혹은 Fe2+로 동형치환된 것이 몽모리오나이트(montmorillonite)
규산사면체의 Si4+가 Al3+로 치환된 것을 베이델라이트(Beidellite)라 함
그 외 saponite, hectorite, sauconite 등
2개의 2:1cmddms 양쪽에 산소가 노출되어 있어서 수소결합이 불가능하며 산소의 음전하를 중화시키기 위해 층 사이에 끼어드는 양이온들에 의해 정전기적으로 연결된다.
결합력이 약해 물분자의 출입이 자유로우며 팽창과 수축이 심하게 발생하여 팽창형광물이라 함
결정단위 사이 거리가 9.6~21.4Å (1~2nm)정도로 수축팽창 함
이온의 흡착정도는 광물의 음전하량에 의하여 결정되지만, monmorillonite는 상대적으로 다른 광물에 비하여 표면노출이 심하여 이온흡착능력이 크다
벤토나이트는 몽모리오나이트를 주성분으로 하며, 방수재료 혹은 토양개량제 등으로 쓰인다.

3) Vermiculite 질석

2:1형 점토광물, 주로 Si4+가 Al3+로 동형치환되어 생성. 보수성이 좋고, CEC(양이온교환용량) 높음
운모와 유사한 2:1 층상구조, 운모와 다른점은 2:1층과 2:1층 사이 공간에 K+ 대신 Mg+등의 수화된 양이온이 있음
운모에 비하여 포개진 2:1층 사이의 결합이 상대적으로 약하므로 문분자가 흡수되고 일부 팽창이 가능한 광물임
vermiculilte의 팽창정도가 montmorillonite에 비하여 훨씬 작은데 버미큘라이트가 동형치환에 의한 음전하를 더 많이 가지고 또한 동형치환이 주로 2:1 단위층의 표면에 있는 규소사면체 층에 의해 일어나서 음전하가 표면쪽에 많이 분포하기 때문에 2:1층 사이 양이온에 의한 연결이 비교적 강하기 때문.
이 때 2:1층의 간격은 K+이 존재할 때에 비하여 늘어난다.

4) illite

버미큘라이트나 몽모리오나이트와 같이 2:1의 층상구조를 가지며, 2:1층 사이의 공간에 K+이 비교적 많이 함유되어 있어 습윤상태에서도 팽창이 불가능하며, 전체적인 광물의 안정성이 유지될 수 있다.
비팽창성 광물이며 결정단위 사이 간격은 10Å 임
K 이온이 상하 규산사면체층 사이 공간에 그 크기가 잘 들어맞기 때문에 다른 양이온과 달리 2:1층 사이에 강한 결합을 유도하고 팽창을 억제함 (O-K-O 결합)
illite는 가수운모라고도 불리는데, 이는 illite가 운모류 광물의 풍화과정에서 생성되었다고 볼 수도 있다.
illite는 K+함량이 많은 퇴적물이 저온조건 하에서 변성작용을 받을 때 형성되며, 이들 퇴적물에는 K+뿐만 아니라 팽창형 점토광물인 버미큘라이트나 몽모리오나이트의 함량이 많다.
이들 점토광물의 2:1층들 사이의 공간에 있는 양이온들이 K+에 의하여 치환되기 시작하고 이어 열과 압력이 가해지면서 2:1층들 사이 공간에 있던 물분자들이 제거되고, 비팽창형이 되어 illte 광물이 생성되는 것으로 볼 수 있다.
층간 K+가 풍화에 의하여 없어지면서 약간의 수축, 팽창가능하며 대부분의 K+가 제거되면 버미큘라이트(vermiculite)라는 팽창성 점토광물이 됨.

5) chlorite (녹니석)

대표적인 혼층형광물로서 이웃하는 2:1:1층과 수소결합하므로 2:1:1의 비팽창성 광물임 기저면의 간격은 약 1.4nm임
2:1층 사이에 brucite [Mg(OH)2]라는 양전하를 띄는 팔면체층을 가지고 있다.
brucite층은 팔면체의 중심 이온인 Mg2+대신 Al3+, Fe3+, Fe2+ 등이 치환되면서 양전하를 가짐. brucite 층은 결정의 음전하를 중화시키는 층 사이의 양이온역할을 한다.
smectite나 vermiculite와 같은 2:1형 구조에 brucite층이 첨가되므로 2:1:1형 광물이라고 할 수 있다.
2개씩의 사면체층과 팔면체층이 결합된 구조로 볼 수 있으므로 2:2형 광물이라고도 함
퇴적암에서 흔히 발견되며, 결정화 과정을 통하여 brucite 팔면체층이 생성된 후 몽모리오나이트나 버미큘라이트와 같은 팽창형 광물의 2:1층 사이 공간에 축적되어 형성
또는 현무암 중의 철,마그네슘 광물이나 흑운모의 변형에 의하여 형성되기도 함
이렇게 생성된 chlorite는 Mg을 많이 포함하는 팔면체층을 가지며, 암석이 풍화됨에 따라 토양 점토광물이 된다.

다음 중 2:1형 광물이 아닌 것은?
1일라이트 2버미큘라이트 3몽모리오나이트 4할로이사이트 5스멕타이트

4. 금속산화물

황색,갈색 또는 적색을 띄는데 철산화물의 색 때문. 고온다습한 열대 또는 아열대에서 규산염점토광물을 분해하여 대부분의 규산이 용탈됨. 용해도가 낮은 Fe2O3, Al2O3, Fe(OH)3, Al(OH)3등이 남음 (양이온흡착능력이 떨어짐)
금속산화물들은 규산염광물들과는 달리 결정내에서 동형치환현상이 일어나지 않으며, 영구음전하를 가질 수 없다.
대신 결정의 외부 표면에서 일어나는 수소이온의 해리와 결합, 즉 양성자화와 탈양성자화를 통하여 전하를 가진다.
그러므로 이들 광물의 전하량은 토양의 pH에 따라 크게 달라진다.
일반적으로 금속산화물의 함량이 많은 토양은 산성이고, 산성의 pH 조건에서 금속의 산화물들은 음전하를 거의 가지지 못하며, 따라서 이러한 토양은 식물의 양분인 Ca, Mg, K 등의 양이온을 흡착하여 보유할 수 있는 능력을 갖지 못한다.
그러나 인산고정력이 높다 (부정적임)
점착성이 없어 규산염 점토광물과는 성질이 다름. 점토함량이 30~40%가 되는 경우에도 사토정도의 수분밖에는 흡수하지 못함.

1) 결정형

O 또는 OH가 Fe3+ 또는 Al3+을 중심 양이온으로 결합한 팔면체가 모서리를 공유하여 층상배열 함. 각 층들은 수소결합으로 겹쳐짐.

2) 비결정형

비교적 빠른 침전반응의 결과

5. 결정형광물(crystalline)

1) gibbsite (깁사이트)

대표적인 알루미늄 수산화물이며 ultiso이나 열대지방의 oxisol과 같이 심하게 풍화된 토양에 많이 존재
알루미늄을 중심 양이온으로 하는 팔면체의 층상 구조임
결정구조 내부 Al3+는 6개의 OH와 결합하고, 각각의 OH는 이웃하는 Al3+에 의하여 공유되므로 전기적으로 안정화 된다. 결정 외부 표면에는 공유되지 않은 OH와 H2를 가짐
동형치환이 전혀 없는 이러한 금속 수산화물은 음전하량이 매우 적으며 토양의 pH에 따라 순 양전하를 가질 수도 있다.

2) goethite (침철석)

goethite는 토양 중에서 가장 흔히 존재하며 매우 안정된 철의 산화물
Fe3+를 중심 양이온으로 O2-와 OH-이 팔면체로 결합. 꼭지점, 모서리를 공유하며 이중사슬모양 형성
이중사슬모양은 일부 수소결합을 통해 연결되며 침모양의 결정이 형성됨

goethite [출처:wikipedia]

3) hematite

goethite 다음으로 토양중에 많이 존재하는 철광물. 토양을 붉은색을 띄게 함.
철이 6개 산소와 결합하면 팔면체를 형성하고, 이들 팔면체들은 모서리와 면을 공유하면서 연결되어 hematite의 결정이 형성된다.

 

6. 비결정형(무결정형, 부정형)광물(amorphous)

X선 회절분석에서 특정한 결정구조를 확인할 수 없는 것들. 그러나 이들 광물도 전자현미경, 적외선 분광광도계, 핵자기 공명법으로 조사하면 전체적인 구조는 불규칙하나 매우 짧은 범위내에서 일정한 결정구조를 가짐
이와 같은 광물을 최근 short-range-order 광물이라 부름

1) imogolite

외부쪽은 gibbsite의 알루미늄팔면체층과 같고, 내부쪽은 OH이온을 가지는 규소사면체층으로 이루어짐
Al2O3/SiO2의 비율은 1로 거의 일정하며 kaolinite와 같이 gibbsite층과 규소사면체층이 1:1로 결합된 구조를 가지지만 두 층의 결합이 아래위로 뒤바뀐 것이 다르다.
즉 kaolinte에서는 Si가 gibbsite층의 O 하나와 결합하지만 imogolite에서는 Si가 gibbsite층의 O 3개와 결합됨
imoogolite에서 Al3+는 팔면체층에서만 나타나며, 따라서 동형치환에 의한 음전하의 생성은 거의 없다.
그러나 pH 의존전하가 생성되어 비교적 많은 양의 1가 양이온을 흡착할 수 있는 것으로 알려져 있다.

imogolite 구조 [출처 : Cation Doping Approach for Nanotubular Hydrosilicates Curvature Control and Related Applications]

 

2) Allophane

화산재의 풍화로 생성됨. allophane의 Al2O3/ SiO2의 비율은 0.84에서 2까지 다양함
Al3+는 일부 사면체의 중심양이온으로도 존재 그러므로 allopahane은 토양풍화과정의 중간산물로 봄
원인은 알려져 있지 않지만 많은 pH의존 음전하를 가지고 있어 중성이나 약알칼리 조건에서 큰 양이온교환용량을 가지며 비표적도 크다.
흑색이 많이 나타나며, 인산 고정력이 강하므로 인산결핍증이 나타날 수 있음
cf. 인산이 토양에 녹아서 이용될 수 있는 토양의 pH 범위는 매우 좁음

* zeolite (결정형광물)

규소사면체들이 꼭지점 산소를 공유하여 3차원 망상구조 형성, 저온 및 저압조건에서 안정
석영이나 장석에 비하여 많은 미세공극을 가짐. 규소사면체에서 Si4+ > Al3+ 동형치환이 이뤄져 큰 양이온교환용랑을 가짐
미세공극의 물리적 흡착력과 양이온교환용량이 큰 특성때문에 다양한 용도(토양개량, 수질정화, 오염토양정화, 향균용필터, 흡습제, 기능성콘크리트첨가제 등)로 활용

7. 규산염점토광물의 전하

1) 영구전하

동형치환에 의해 생성되는 전하로 오랜시간에 걸쳐 생성되어 변하지 않음.
일반적으로 음전하를 띄며 pH의 영향을 받지 않음

2) pH 의존전하

규산염 점토광물의 결정단위 가장자리에 있는, -Si -OH 또는 -Al -OH의 pH 변화에 따른 해리에 의하여 음전하가 발생하므로 '변두리전하'라고도 함
pH의존전하는 pH가 낮은 조건에서는 양전하가 생성되는반면 (H+) pH가 높은 조건에서는 과량의 음전하가 생성(OH-)

3) 동형치환

점토광물의 구조에 있어 중심이온의 결정모양은 크게 변하지 않으면서 크기가 비슷한 다른 양이온으로 치환되는 것을 말함. (Si4+ > Al3+로 치환)
주로 과잉음전하 발생. (chlorite의 경우 brucite층에서 양이온 발생) 1:1 점토광물에서는 일어나지 않음.

4) 점토광물의 양이온교환용량(CEC)

규산염점토광물의 전하는 일반적으로 음전하를 띄고 있으며, 영구전하와 pH의존전하로 나뉨
몽모리오나이트는 음전하의 80%가 영구전하, 약 20%가 의존전하
점토광물을 분쇄하면 광물의 변두리 절단면이 많아지기 때문에 양이온교환용량이 증가함
풍화가 심하게 진행된 토양에서는 철이나 알루미늄의 산화물, 그리고 무정형광물인 allophane이 점토광물로 많이 존재한다.

8. 점토의 풍화순서

풍화용액의 이온조성이 변화하는 주 원인은 Ca Mg Na K 등의 이온들이 비교적 쉽게 용탈되기 때문이며, 궁극적으로 용액중의 가용성 Si의 농도 또한 점차 낮아지기 때문이다.
용탈현상이 심한 환경조건하에서는 물에 잘 녹는 이온은 축적될 수 없으며, 따라서 수용성 Si의 점진적인 유실에 따라 처음에는 Si의 함량이 많은 광물이 형성되지만, 결국은 Si를 함유하지 않는 금속의 산화물 또는 수산화물들이 최종적으로 생성된다.
규산염광물의 풍화과정은 매우 긴 순환과정이며, 처음에 주로 생성되는 광물은 2:1의 층상광물이다.
Mg이 계속 충분히 공급되는 조건 하에서는 1차광물의 풍화과정에서 montmorillonite가 주된 광물로 생성된다.
vermiculite는 운모류나 illite에서 광물의 층 사이에 존재하는 K이 제거되면서 생성된다.
철의 산화물도 초기에 생성될 수 있는데, 주로 철고토(fenomagensian)광물로부터 직접 생성되며, 이들 광물은 대부분의 환경조건하에서 매우 안정하므로 일단 생성되면 무한히 존재할 수 있다.
풍화과정이 정상적으로 진행되면서 2:1형 광물은 점차적으로 kaolinte와 같은 보다 단순한 1:1형 광물로 변화된다.
물론 1:1형 광물도 점차 풍화되는데, Si가 빠져나와 용탈되고 나면 남은 Al은 대게 gibbsite와 같은 가수산화물로 된다. gibbsite는 철산화물과 비슷한 정도로 화학적 풍화에 매우 안정하다.

규산염광물이 풍화되어 궁극적으로 남는 광물은 결국 안정한 Al 또는 Fe의 산화물들이다.

 

 

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