규산염(硅酸鹽, silicate)은 규소(Si)와 산소(O)를 기본 구성 원소로 하여 형성된 화합물의 총칭으로, 지구의 지각과 상부 맨틀에서 가장 풍부하게 존재하는 물질이다. 지각 전체 질량의 약 90% 이상이 규산염 광물로 구성되어 있으며, 지각을 구성하는 주요 조암광물(造巖鑛物)의 대부분을 차지한다.
기본 구조
규산염의 기본 구조 단위는 규소 이온(Si⁴⁺)이 네 개의 산소 이온(O²⁻)에 의해 둘러싸인 정사면체 형태의 SiO₄⁴⁻ 사면체이다. 이 사면체는 규소와 산소 간의 공유결합으로 형성되며, 사면체 꼭짓점의 산소 이온이 인접한 다른 규소 사면체와 공유되는 방식에 따라 다양한 결정 구조가 만들어진다. 규소 이온의 일부는 알루미늄(Al³⁺)이나 티타늄(Ti⁴⁺) 등의 다른 양이온으로 치환되기도 한다.
구조에 따른 분류
규산염 광물은 SiO₄ 사면체의 결합 방식에 따라 다음과 같이 분류된다.
- 독립사면체 규산염(Orthosilicates, Nesosilicates): SiO₄ 사면체가 서로 공유 결합하지 않고 독립적으로 존재하며, 사면체 사이는 다른 양이온에 의해 연결된다. Si:O 비율은 1:4이다. 대표 광물로 감람석(olivine), 석류석(garnet), 지르콘(zircon)이 있다.
- 복사면체 규산염(Sorosilicates, Disilicates): 두 개의 SiO₄ 사면체가 한 개의 산소를 공유하여 Si₂O₇⁶⁻ 단위를 형성한다. 녹염석(epidote)이 대표적이다.
- 환상 규산염(Cyclosilicates, Ring silicates): SiO₄ 사면체가 고리 모양으로 연결된 구조이다. 3각환형, 4각환형, 6각환형이 있으며, 6각환형이 가장 흔하다. 녹주석(beryl), 전기석(tourmaline), 근청석(cordierite)이 이에 속한다.
- 쇄상 규산염(Inosilicates, Chain silicates): SiO₄ 사면체가 사슬 모양으로 연결된 구조이다. 단쇄상(single chain)은 휘석(pyroxene) 계열, 복쇄상(double chain)은 각섬석(amphibole) 계열이 대표적이다.
- 판상 규산염(Phyllosilicates, Sheet silicates): SiO₄ 사면체가 평면상으로 무한히 연결된 판상 구조를 이룬다. 운모(mica), 활석(talc), 고령석(kaolinite), 점토광물(clay minerals)이 이에 해당한다.
- 망상 규산염(Tectosilicates, Framework silicates): SiO₄ 사면체의 네 꼭짓점이 모두 인접 사면체와 공유되어 3차원 그물망 구조를 형성한다. 석영(quartz), 장석(feldspar), 제올라이트(zeolite)가 대표적이다.
지구상 분포
지각을 구성하는 주요 광물의 부피 비율은 사장석 약 42%, 알칼리장석 약 22%, 석영 약 18%, 휘석과 각섬석 약 9%, 흑운모 약 4%, 감람석 약 2%, 기타 약 3%로 추정된다. 이들 대부분이 규산염 광물이다.
물리·화학적 성질
규산염은 일반적으로 녹는점이 높으며, 용융 상태에서 냉각될 때 유리 상태로 되기 쉽다. 다양한 금속 원소(마그네슘, 철, 칼슘, 나트륨, 칼륨, 알루미늄 등)와 결합하여 수많은 광물 종을 형성하며, 이들 금속 이온 간의 치환에 의해 동일한 구조 내에서도 다양한 화학 조성의 고용체가 존재한다.
용도
규산염 광물은 유리, 도자기, 시멘트, 내화물(耐火物) 등의 원료로 널리 사용된다. 석영은 유리 및 반도체 산업의 핵심 원료이며, 장석은 도자기와 유약의 원료, 운모는 전기 절연재, 활석은 화장품 및 충전재, 제올라이트는 촉매와 흡착제로 활용된다.
해양 환경에서의 분포
해수 중에서는 영양염류의 일종으로 존재하며, 인산염이나 질산염에 비해 상대적으로 많은 양이 분포하는 것으로 알려져 있다.
