규산염 광물과 탄소 화합물 — 지각과 생명체의 규칙성

발밑의 돌과 내 몸은 전혀 다른 물질로 되어 있습니다. 그런데 둘을 원자 단위까지 쪼개 보면 만들어지는 방식이 닮았습니다. 작은 단위 하나를 정해 놓고 그것을 잇는 방법만 바꿔 수많은 물질을 만든다는 점에서 그렇습니다. 지각은 규산염 광물로, 생명체는 탄소 화합물로 그 일을 합니다.

지각의 4분의 3은 산소와 규소입니다

지각을 이루는 원소를 질량비로 세어 보면 산소가 46.6 %, 규소가 27.7 % 입니다. 둘을 합치면 4분의 3에 이르고, 나머지를 알루미늄·철·칼슘 같은 원소가 나누어 가집니다.

가장 흔한 두 원소가 결합해 만든 광물이 흔한 것은 당연합니다. 그래서 지각을 이루는 광물의 대부분이 산소와 규소로 된 규산염 광물입니다. 화강암에서 반짝이는 석영도, 검게 벗겨지는 흑운모도 모두 여기 듭니다.

규산염 사면체 하나로 다 만듭니다

규산염 광물의 기본 단위는 하나뿐입니다. 규소 하나를 산소 넷이 정사면체 모양으로 둘러싼 규산염 사면체입니다. 이 사면체는 전기적으로 음의 전하가 남아 있어서, 다른 원소의 양이온과 결합하거나 이웃한 사면체와 산소를 나누어 씁니다.

산소를 얼마나 나누어 쓰느냐가 광물의 모양을 정합니다. 하나도 공유하지 않으면 사면체가 따로따로 떨어진 독립형이 되고, 공유하는 수가 늘수록 사슬·판·그물로 이어집니다.

• 독립형 — 감람석. 사면체가 따로 떨어져 양이온이 사이를 메웁니다.
• 단사슬 — 휘석. 사면체가 한 줄로 이어집니다.
• 복사슬 — 각섬석. 두 줄이 나란히 붙습니다.
• 판상 — 흑운모. 사면체가 면으로 펼쳐집니다.
• 망상 — 석영과 장석. 산소를 모두 공유해 그물처럼 얽힙니다.

흑운모가 얇게 벗겨지는 것은 판이 층층이 쌓인 구조여서이고, 석영이 방향 없이 깨지는 것은 그물이 사방으로 똑같이 이어져 있어서입니다. 구조가 곧 성질입니다.

탄소는 골격을 만듭니다

생명체 쪽으로 건너가 봅니다. 생명체를 이루는 물질은 대부분 탄소 화합물입니다. 탄수화물·지질·단백질·핵산이 모두 탄소를 뼈대로 삼습니다.

탄소가 그 자리를 맡은 까닭은 원자가 전자가 4개이기 때문입니다. 네 방향으로 결합할 수 있으니 탄소끼리 길게 이어 사슬을 만들고, 중간에서 가지를 치고, 끝과 끝을 이어 고리를 만듭니다. 골격의 모양이 달라지면 성질이 다른 물질이 됩니다. 탄소 화합물의 종류가 그토록 많은 이유입니다.

규소도 원자가 전자가 4개입니다. 두 원소가 닮은 것은 그래서입니다. 다만 잇는 방법이 다릅니다. 규소는 사이에 산소를 끼워 이어지고, 탄소는 탄소끼리 곧바로 결합합니다. 규소끼리 길게 잇는 결합은 약해서, 규소는 단단한 광물을 만들고 탄소는 생명체의 거대한 분자를 만듭니다.

시험에서는 이렇게 나옵니다

• 지각을 이루는 원소를 많은 순으로 고르기. 산소, 규소 순입니다.
• 규산염 사면체 하나에 든 규소와 산소의 개수 묻기. 규소 1개에 산소 4개입니다.
• 결합 구조와 광물 짝짓기. 독립형은 감람석, 판상은 흑운모, 망상은 석영·장석입니다.
• 독립형에서 망상으로 갈수록 무엇이 늘어나는지 묻기. 이웃과 공유하는 산소의 수입니다.
• 탄소의 원자가 전자 수와 결합 가짓수 묻기. 4개이고, 그래서 사슬·가지·고리가 생깁니다.
• 규소와 탄소의 공통점 말하기. 원자가 전자가 4개라 여러 방향으로 결합합니다.

자주 헷갈리는 것

• "규산염 광물은 규소로 된 광물이다" — 이름 때문에 그렇게 읽히지만 개수로는 산소가 더 많습니다. 기본 단위부터 규소 1개에 산소 4개입니다.
• "구조가 단순한 독립형이 가장 흔하다" — 아닙니다. 지각에 가장 많은 광물은 망상 구조인 장석입니다.
• "규소도 원자가 전자가 4개니 생명체를 만들 수 있다" — 원자가 전자만 같을 뿐입니다. 규소끼리 잇는 결합은 탄소끼리의 결합보다 약해 긴 골격을 지탱하지 못합니다.
• "탄소 화합물은 다 생명체에서 왔다" — 골격이 탄소라는 뜻일 뿐입니다. 실험실에서 만들어 쓰는 탄소 화합물도 많습니다.

정리합니다. 지각은 산소와 규소가 만든 규산염 사면체를 기본 단위로 삼아, 산소를 얼마나 공유하느냐에 따라 독립형부터 망상까지 여러 광물을 만듭니다. 생명체는 원자가 전자가 4개인 탄소를 뼈대로 삼아 사슬·가지·고리를 만듭니다. 단위 하나와 잇는 방법, 규칙은 같습니다.