귀금속 보석공예사, 보석디자인 전공 등 보석 감정사 요점 정리 3. 보석의 화학 결합

3. 보석의 화학 결합

 

1. 원자와 이온
원소(元素, element)란 일반적인 화학적 방법으로 더 이상 간단한 물질로 쪼갤 수 없
는 물질로서 한 종류의 원자로만 되어있다. 원자(原子, atom)는 원소의 성질을 지니고
있는 최소 단위이다. 그렇다면 원소와 원자는 무엇이 다를까? 한마디로 말하면, 원자는
‘물질을 구성하는 구체적인 요소’이다. 즉, 원자는 물질을 구성하는 실체가 있는 입자이
다. 예를 들어 수소 가스라는 물질을 구성하는 입자는 수소 원자이다. 한편 원소는 ‘성질
을 나타내는 추상적인 개념’이다.

수소 원자는 수소 가스 이외에도 물, 메탄 등 다양한 상태로 존재한다. 그들 모든 상
태를 포함해 생각한 수소라는 개념이 원소이다. 또 원자에는 중성자의 수만 다른 동위
원소가 있으나, 화학적인 성질은 바뀌지 않으므로 그들을 같은 원소로 본다.
원자는 중심의 원자핵과 그 주위를 운동하는 몇 개의 전자로 되어 있다. 그리고 원자
핵 안에 있는 양전기를 띤 양성자의 수와 음전기를 띤 전자의 수는 서로 같기에 원자 전
체는 전기적으로 중성으로 되어 있다. 그러나 원자는 항상 중성이라고 할 수는 없다. 만
약 전자 1개가 빠져 나가면 원자 전체로는 양성자 쪽이 많아져서 양전기를 띠게 된다.
반대로 전자 1개가 들어오면 원자는 그만큼 음전기를 띠기 때문이다. 이처럼 원자가 전
기를 띤 상태를 이온(ion)이라 한다. 전자가 빠져 나가 양전기를 띤 이온은 양이온, 전자
가 들어와 음전기를 띤 이온을 음이온이라 한다. 원자핵에 가장 느슨하게 결합되어 있
는 전자는 원자가전자이다. 원자는 원자가전자가 빠져 나가거나 들어옴으로써 이온이
되며, 가장 바깥쪽 껍질이 전자로 채워진 상태가 되면 안정된다.

 

어떤 물질을 계속 잘게 나누어 가면 분자가 된다. 좀 더 분할하면 원자가 된다. 반대
로 말하면 모든 분자는 원자로 되어 있는 셈이다. 분자(分子, molecule)는 원자와 달리,
그 물질이 가지는 성질을 지닌 최소의 입자라고 할 수 있다. 예를 들어 물(H2O)을 분할
하면 물 분자(H2O)가 된다. 물 분자는 물의 성질을 가진 최소의 입자이다. 이 물 분자의
한 알도 물, 집합해도 물이다. 한편 물 분자를 더욱 분할하면 2개의 수소 원자와 1개의
산소 원자가 된다. 이렇게 되면 더 이상의 물의 성질은 남아 있지 않는다.
두 종류 이상의 원소가 일정한 비율로 화학적으로 결합된 물질을 화합물(化合
物, chemical compound)이라고 한다. 따라서 화합물은 화학식(化學式, chemical
formula)으로 표현되는 일정한 성분을 가진다. 수정(SiO2), 커런덤(Al2O3), 에메랄드
(Be3Al2Si6O18)와 같은 광물은 두 종류 이상의 원소가 화학적으로 결합되어 만들어진 화
합물이다. 화합물은 구성 원소와는 전혀 다른 물리적, 화학적 성질을 가진다.

 

2. 화학 결합
광물을 포함한 화합물을 형성하는 화학 결합에는 크게 나누어 공유결합, 이온결합,
금속결합의 세 종류가 있으며, 이 외에도 수소결합, 반데르발스 힘(결합이라고도 함) 등
이 있다.

(1) 공유결합
수소, 산소, 탄소 및 염소에서와 같이 비금속원소 사이의 결합에서 두 원자의 거리가
점점 가까워지면 서로 전자 1개씩을 내어 전자쌍(電子雙, electron pair)을 만들어 공유
하게 되는데 이와 같은 결합을 공유결합(共有結合, covalent bond)이라고 한다. 이렇듯
공유결합은 두 원자가 원자가전자를 서로 나누어 쓰면서 서로 단단하게 달라붙는 경우
이다. 수소 원자와 산소 원자가 결합하여 물 분자를 만드는 것도 바로 이 원자가전자를
사용한 것이다. [그림 1-19]의 염소 분자에서는 염소 원자의 원자가전자가 7개이므로
서로의 전자 1개를 공유함으로써, 각각의 원자를 채워진 상태(폐각 구조)로 만들어 안정
된다. 공유결합을 하고 있는 보석의 대표적인 예는 다이아몬드이다. 탄소는 최외각 전
자 껍질에 전자 4개를 가지고 있으므로 다른 탄소원자 4개와 입체적으로 배열한 채 4개
의 공유전자쌍을 가진다. 공유결합을 하고 있는 광물은 일반적으로 물에 용해되지 않고
안정성이 높으며, 녹는 점이 높다.

(2) 이온결합
이온결합(ionic bond)은 전자를 잃은 양이온과 전자를 얻은 음이온이 전기적으로 서
로 이끌려 결합한 것이다. 이와 같은 방식으로 금속원소와 비금속원소가 결합하여 이
루어진 결정을 이온결정(ionic crystal)이라고 한다. 이온결합의 대표적인 예는 소금
(NaCl)이다. 나트륨(Na) 원자는 전자를 하나 방출해 양이온(Na+)이 되고 염소(Cl) 원자
는 전자를 한 개 받아들여 음이온(Cl-)이 된다[그림 1-20]. 이때 나트륨 원자로부터 염
소 원자로 전자가 이동해 전기적으로 서로 끌려 소금이 된다. 이온 간의 전기적 인력이
비교적 강하기 때문에 이온결정은 매우 단단한 결합이다.

(3) 금속결합
금속결합(金屬結合, metallic bond)은 금속 원자를 결합시켜 금속결정으로 만드는 화
학결합이다. 금속원자가 단독적으로 존재할 때는 최외각 전자들이 원자핵 둘레를 운동
하고 있으나, 금속원자가 많이 밀집하게 되면 각 원자의 최외각 전자들은 원자핵의 지
배를 벗어나서 자유로이 운동하게 된다. 이를 자유전자(自由電子, free electron)라고
한다. 금속결정은 자유전자들이 바다를 이루고 금속 양이온들이 바다에 떠 있는 것과
같은 모형을 하고 있다. 이때 자유전자는 금속 양이온 사이를 돌아다니면서 이온들을
결속시킨다. 자유전자는 금속의 열전도성, 전기전도성을 좋게 할 뿐만 아니라, 금속 표
면의 광택까지 나게 한다.