글/사진 이병하 명지대학교 산업대학원 도자기기술학과 교수 지난 호의 요약 지난 호에서는 도자기 원료를 산화물로 표기하는 이유와 각종 원료의 생성 과정 및 도자기 원료의 화학식에 대하여 기술하였습니다. 즉 점토와 고령토는 Al2O3·2SiO2·2H2O, 카리장석은 K2O·Al2O3·6SiO2, 소다장석은 Na2O·Al2O3·6SiO2, 회장석은 CaO·Al2O3·2SiO2, 석회석은 CaCO3, 규석은 SiO2로 표기합니다. 그러나 이들 원료는 많은 풍화과정을 거친 지각에서 채취되므로, 광물의 화학식과 똑같은 순수한 광물은 드뭅니다. 대부분의 광물은 몇가지 광물이 혼재되어 있는데 이들 혼재되어 있는 광물중에서 가장 많이 함유되어있는 광물이 그 광물이 명칭이 됩니다. 예로 점토가 60%, 장석이 30%, 규석이 10%로 구성되어 있는 광물이 있다면 이 광물은 점토라고 부르게 되는 것입니다. 따라서 우리는 문헌에 나와있는 소지 조성에 맞추어 새로운 소지를 만들고자 할 경우에는, 우선 사용할 원료의 광물 조성을 먼저 계산한 다음, 이것을 사용하여 문헌에 나와있는 소지 조성이 되도록 계산하여야 합니다. 화학 조성으로부터 광물 조성 계산 방법 사용할 원료의 광물 조성을 계산하기 위해서는, 먼저 원료의 XRD 분석이나 편광 현미경 분석을 하여 구성 광물의 종류를 알고 계산하여야 합니다. 그러나 도자기 소지의 경우 고온으로 소성하기 때문에, XRD 분석이나 편광 현미경 분석을 하지 않고 원료의 화학조성 값만으로 광물 조성을 계산하여도 무방합니다. 실예) <표1>과 같은 화학 조성값을 가지는 점토의 광물 조성을 계산하여 봅시다. <표1> 점토의 화학조성(%) SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO K2O Na2O 강열감량 64.8 25.6 0.19 0.22 0.32 0.23 8.64 풀이) 1) 백분율로 표시된 점토의 화학 조성 값을 각 성분 산화물의 몰비로 바꾸어야 합니다. 이를 위해서는 각 산화물의 조성값을 분자량으로 나누어주면 됩니다. 이 경우 강열감량은 물(H2O)로 생각하여 계산합니다. 즉 백분율로 표시된 <표1>의 점토의 화학 조성값을 몰비로 바꾸면 <표2>와 같습니다. 이 경우 Fe2O3는 단독으로 존재하는 것으로 가정하여 몰수로 바꾸지 않아도 됩니다. <표2> 점토의 화학조성 (몰) SiO2 Al2O3 CaO K2O Na2O H2O 1.08 0.251 0.0039 0.0034 0.0037 0.48 2) <표2>에서 K2O, Na2O, CaO는 각각 카리장석(K2O·Al2O3·6SiO2), 소다장석(Na2O·Al2O3·6SiO2), 회장석(CaO·Al2O3·2SiO2)로 계산하여 줍니다. 계산의 편리를 위하여 <표2>를 <표3>과 같이 염기성 산화물, 중성산화물, 산성산화물 순으로 재 배치한 다음 장석의 양을 계산합니다. <표3>광물 조성 계산방법 구성 산화물 K2O Na2O CaO Al2O3 SiO2 H2O 점토(몰) 0.0034 0.0037 0.0039 0.251 1.08 0.48 0.0034 카리장석 0.0034 0.0034 6×0.0034 (K2O·Al2O3·6SiO2) =0.0204 0.0037 소다장석 0.0037 0.0037 6×0.0037 (Na2O·Al2O3·6SiO2) =0.0222 0.0039 회장석 0.0039 0.0039 2×0.0039 (CaO·Al2O3·2SiO2) =0.0078 나머지 0.24 1.0296 0.48 0.24 점토 (Al2O3·2SiO2·2H2O) 0.24 0.48 0.48 나머지 0.5496 0.5496 규석 (SiO2) 0.5496 이 경우 점토의 K2O의 몰수에 해당하는 카리장석(K2O·Al2O3·6SiO2), Na2O의 몰수에 해당하는 소다장석(Na2O·Al2O3·6SiO2) 및 CaO의 몰에 해당하는 회장석(CaO·Al2O3·2SiO2)이 점토 내에 함유되어 있다고 보고 <표3>의 1단계와 같이 계산합니다. 즉 점토 내에 K2O가 0.0034몰 함유되어 있으므로 카리 장석이 0.0034몰 함유되어 있다고 보고서 계산합니다. 카리장석 1몰은 K2O가 1몰, Al2O3가 1몰, SiO2가 6몰로 구성되어 있으므로 카리장석 0.0034몰에는 K2O 0.0034몰, Al2O3 0.034몰, SiO2 0.0034×6=0.0204몰 들어있습니다. 소다장석과 회장석도 이와 같은 방법으로 계산한 다음 이들 값을 점토의 값에서 빼주면 됩니다. (1단계) 이제 남은 산화물은 Al2O3가 0.24몰, SiO2가 1.0296몰 H2O가 0.48몰입니다. 3) 남은 Al2O3 0.24몰은 점토(Al2O3·2SiO2·2H2O)가 함유되어 있기 때문으로 보면 이에 해당되는 SiO2는 0.24×2=0.48몰, H2O는 0.24×2=0.48몰입니다. 이들값은 <표3>의 2단계와 같이 기입한 다음 나머지 항에서 빼어줍니다. 이제 남은 산화물은 SiO2 0.5496몰입니다. 4) 남은 SiO2 0.5496몰은 전부 규석(SiO2)에 해당된다고 계산하면 됩니다. 이와 같이 계산하면 이 점토 안에는 카리장석이 0.0034몰, 소다장석이 0.0037몰, 회장석이 0.0039몰, 점토가 0.24몰, 규석이 0.5496몰 함유되어 있으며 그 외 Fe2O3가 0.19%함유 되어있습니다. 이들중 광물의 몰수를 ％로 바꾸기 위해서는 해당광물의 몰수에 분자량을 곱해주면 됩니다. 광물의 분자량 계산은 카리 장석의 화학식이 K2O·Al2O3·6SiO2이므로 분자량(94+102+6×60)은 556입니다. 소다 장석의 분자량은 524, 회장석은 279, 점토는 258, 규석은 60입니다. 이들 분자량 값을 각광물의 몰수에 곱하여 주면 해당 광물의 백분율(％)이 구하여 집니다. 즉 카리장석: 0.0034(몰)×556=1.89(％) 소다장석: 0.0037(몰)×524=1.94(％) 회 장 석: 0.0039(몰)×279=1.09(％) 점 토: 0.24(몰)×258=61.92(％) 규 석: 0.5496(몰)×60 =32.98(％)입니다. 따라서 이 점토를 광물 분석을 하면 카리장석이 1.89％, 소다장석이 1.94％, 회장석이 1.09％, 점토가 61.92％, 규석이 32.98％, 산화철이 0.19％로 구성되어 있다고 할 수 있습니다. 함께 풀어보기 점토의 화학 분석값이 <표4>와 같을 때 광물 분석값을 구하시오 <표4> 점토의 화학성분 (％) SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO K2O Na2O H2O 48.97 36.86 0.42 0.11 0.88 0.41 12.35 위에서 계산한 방법을 참조하여 직접 계산하여 보기 바랍니다. 필자약력 공학박사 명지대학교 세라믹공학과 교수 명지대학교 산업대학원 도자기 기술학과 주임교수 명지대학교 한국도자기 연구센터 소장