귀금속 보석공예사, 보석디자인 전공 등 보석 감정사 요점 정리 9. 전이원소

9. 전이원소

 

보석의 색은 발색 원소라 불리는 전이원소(轉移元素, transition elements)의 전자가
전자기 복사에너지의 일부 또는 전체를 흡수하여 나타난다.

(1) 전이원소와 전하이동
보석의 대표적인 발색원인은 8종류의 전이원소가 보석의 주성분 또는 미량성분으로
포함되어 있기 때문이다. 보통 하나의 전자각에는 2개의 전자가 들어갈 수 있고, 안쪽의
전자각부터 순서대로 채워진다. 이렇게 2개의 전자가 들어간 전자각을 폐각이라 하며,
그 안에서는 전자가 쌍(electron pair)으로 존재한다. 전이원소에서는 전자가 1개 밖에
들어가 있지 않은 전자각이 존재하는데 이를 홀전자(unpaired electron)라고 하며 화학
결합에서 받는 영향이 적다. 보다 높은 준위로 이동하는데 필요한 에너지가 작아서 쉽
게 여기(勵起)상태가 될 수 있으며, 그때 흡수되는 에너지와 가시광선의 파장이 일치하
게 되면 해당 파장을 흡수하게 된다. 전이원소가 발색원인이 되는 것은 바로 이러한 이유 때문이다.

대부분의 보석은 빛을 선택흡수하는 특정 원소를 가지고 있는데, 이들은 화학원
소 중 전이원소라고 부르는 하나의 그룹을 형성하고 있다. 보석의 색을 결정하는 전이
원소에는 <표 2-1>에서와 같이 티타늄(titanium : Ti), 바나듐(vanadium : V), 크롬
(chromium : Cr), 망간(manganese : Mn), 철(iron : Fe), 코발트(cobalt : Co), 니켈
(nickel : Ni), 구전하이동리(copper : Cu)가 있으며, 이 전이원소들은 가시광선의 일부
파장들을 선택적으로 흡수함으로써 보석 고유의 색을 만든다. 그리고 전이원소는 같은
보석에서 색의 진한 정도와 색의 변화를 가져올 수 있는데, 이는 보석 내에 있는 전이원
소의 전하이동에 따른 결과이다. 전하이동(電荷移動, charge transfer)은 보석의 색에
도 영향을 주는데, 예를 들어 Fe2+ → Fe3+ 전하이동은 골든 베릴의 황색이 나타나게 하
며, 청색과 황색이 동시에 존재하는 아콰마린에서 Fe3+ → Fe2+로의 전하이동은 황색을
소멸시키고 청색만 남게한다. 그리고 청색의 블루 사파이어는 Fe2+ + Ti4+에서 Fe3+ +
Ti3+로의 전하이동에 의해 기인된 색이다.

[ 표 2-1 ] 보석에 주로 포함되어 있는 전이원소

원소명	티타늄	바나듐	크롬	망간	철	코발트	니켈	구리
원소 기호	Ti	V	Cr	Mn	Fe	Co	Ni	Cu
원자 번호	22	23	24	25	26	27	28	29

 

전이원소(轉移元素, transition elements) - 원자의 전자배치에서 가장 바깥부 분의 d껍질이 불완전하여 쉽게 양이온이 되는 원소들 전하이동(電荷移動, charge transfer) - 서로 인접해 있는 이온 간에 원자가(原 子價)전자를 상호 주고 받으며, 전하가 이동하는 경우

(2) 전이원소의 색 유발

1) 티타늄
티타늄은 철이 함께 작용하여 사파이어, 블루 스피넬, 카이아나이트, 그리고 몇몇 투
어멀린의 청색을 만든다.

2) 바나듐
바나듐 또한 보석의 선명한 녹색을 만든다. 대부분의 크롬 투어멀린은 그 명칭과는
달리 실제로는 바나듐에 의해서 보석의 색상이 발색된다. 그리고 탄자나이트의 특징적
인 청색을 유발한다.

3) 크롬
크롬은 루비와 에메랄드의 색 유발의 원인이 되는 원소이다. 두 보석에서 크롬 이온
의 원자가는 동일하고, 6개의 산소 원자들이 크롬을 같은 배열로 둘러싸고 있다. 그러나
각각의 크롬 원자와 근접해 있는 산소 원자 사이의 거리가 약간씩 다르다. 이런 미세한
차이로 인해 두 보석은 각각 적색이나 녹색으로 만들어 진다.

4) 망간
망간은 베릴의 적색과 핑크색을, 가닛의 황색 계열의 색을 유발한다.

5) 철
철은 다른 어떤 전이원소들보다도 다양한 색을 유발한다. 철은 보석을 녹색으로 만들
수도 있지만, 크롬이나 바나듐으로 발생된 색보다는 약한 경향이 있다. 철은 페리도트
의 녹색뿐만 아니라, 알만다이트 가닛의 적색, 아콰마린의 밝은 청색, 사파이어와 크리
소베릴의 황색등 다양한 색을 유발한다.

 

6) 코발트
코발트는 합성 스피넬, 몇몇 합성 사파이어와 인조 유리의 투명하고 밝은 청색을 유
발한다. 또한 철과 함께 작용하여 일부의 천연 스피넬에 진한 청색을 유발하기도 한다.

7) 니켈
니켈은 몇몇 투어멀린의 색과 유사한 녹색을 생성한다. 또한 일부 천연 크리소프레이
즈의 색에 중요한 역할을 한다.

8) 구리
구리는 터키석의 청색을 유발하는 원소이며, 파라이바(paraiba) 투어멀린의 청색과
녹색의 원인이 된다.

9) 복합적 색 유발
보석의 색은 한 가지 이상의 전이 원소로 인해 발생되는 경우가 있다. 예를 들면, 안
드라다이트 가닛의 데만토이드 변종은 크롬 외에 철을 함유할 수도 있다. 이 보석에서
크롬은 녹색을 만드는 반면, 철은 황색을 만든다. 두 가지 색 요소가 결합되어, 대부분
의 데만토이드 가닛의 특징적인 녹황색이 유발된다. 이와 같은 방법으로 사파이어에서
철과 크롬의 결합은 각각의 전이 원소들이 존재하는 양에 따라서 황색에서 핑크색을 띈
오렌지 보석까지의 색 범위를 만들 수 있다.