IEG 환경지질연구정보센터

Proceedings of the Annual Joint Conference, Mineralogical Society of Korea and Petrological Society of Korea May 31, 2007, Andong, Korea

한국광물학회․한국암석학회 2007년 공동학술발표회 눈문집

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외핵 압력조건에서 수소의 안정성에 관한 연구

A study on the stability of hydrogen at Earth's outer core pressure conditions

김영호(Young Ho Kim)

․도재기(Jae Gi Doh)

․황길찬(Gil Chan Hwang)

1

경상대학교 지구환경과학과([email protected])

2

경상대학교 교육대학원 지구과학전공

외핵은 대부분 철로 구성되어 있으나 철 외에 외핵의 밀도를 10％ 정도 줄일 수 있는 가 벼운 원소가 존재해야 한다. 외핵의 조건에서 존재할 수 있는 가벼운 원소의 정체에 대한 문제는 현재까지도 논쟁의 대상이 되고 있다. 가벼운 원소로서 외핵내 존재 가능성이 가장 높을 것으로 생각하고 있는 것은 황(S)이다. 그러나 최근에는 열역학적·화학적 평형론 계산 과 우주화학적 고찰 방법을 통해 황 이외에 산소(O), 수소(H), 규소(Si) 등도 외핵에 존재할 수 있는 가벼운 물질의 구성체로서 존재할 가능성이 높다는 것이 보고되고 있다.

이 중 산소의 존재에 대한 지지 근거는 철과 산소가 1기압 하에서는 서로 융해가 되지 않 으나, 핵의 조건인 고압상태에서는 융해가 가능하다는 것이다. FeO는 저압에서 융해되지 않 으므로 원시핵이 생성될 당시에는 핵으로 들어갈 수 없었으나, 지구의 구조가 생성된 후 맨 틀과 핵의 반응에 의해 생성되었을 가능성은 있다. 그리고 수소의 존재 가능성은 핵 압력 조건에서는 철수화물(iron hydride)이 생성될 수 있으며, 수화물의 낮은 밀도를 고려할 때 수소와 철의 합금 상태라면 1 Wt %의 소량만 존재하여도 외핵의 희석물질로 충분할 것으 로 판단된다. 산소와 마찬가지로 수소의 약점은 모두 초고온 상태에서만 철과 화합물을 만 들 수 있다는 것이다. 또 하나의 약점은 수소는 휘발성이 매우 높기 때문에 지구에서 수화 물을 만들기 어렵다는 것이다. 그렇지만 지구 생성 초기 원시핵이 생성될 때 지구내부 환경 에 만약 얼마간의 H

O가 존재하고 있었다고 가정한다면, 철(Fe)과 H

O가 화학반응을 하여 철산화물(FeO)과 수소(H

)를 생성할 수 있다. 그리고 이 반응에서 발생한 수소(H

)가 나머 지 철(Fe)과 수화물을 만들 수 있다는 추론을 배제할 이유는 어디에도 없다. 최근 몇몇 탄 질 콘드라이트의 성분분석 결과는 지구생성 시 수분(H

O)의 존재 가능성이 있음을 보여주 고 있다. 따라서 수분이 분해될 만큼 높은 고압상태인 지구 핵 내에서 수소의 존재 가능성 은 대단히 높다. 만약 핵 내에 수소가 존재한다면 외핵 내의 또 다른 물질과 반응을 할 수 도 있다.

이에 본 연구에서는 외핵 내에 존재하는 가벼운 희석물질이 수소라는 가정 하에 외핵조건 에서 수소의 열역학적 안정성을 적철석(Fe

O

) + 수소(H

) = 괴타이트(FeOOH) + 철(Fe)의 관계를 이용하여 계산해 보았다: Fe

O

+ 0.75 H

→ 1.5 FeOOH + 0.5 Fe (1) 이러한 열역학적 계산을 하기 위해서 적철석과 수소 및 철의 상태방정식은 이미 연구 발 표된 자료를 이용하였으며, 괴타이트에 대한 상태방정식은 경남 옥종에서 채취한 천연시료 에 대해 미국 NSLS(National Synchrotron Light Source)에서 에너지분산 x-선회절방법 (EDXRD)을 이용하여 얻었다(Fig 1).

열역학적 해석 결과, 상온․상압에서 상기 반응의 깁(Gibb)의 자유에너지는 12.62 kJ로 계

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산되었고, 0 GPa(즉 상압)에서 2.0 GPa의 압력까지는 깁의 자유에너지 값이 급격히 감소하 였으며, 0.068(±0.005) GPa부근에서 ‘0 kJ’을 나타내었다(Fig 2). 10.0 GPa이상의 압력에서의 깁의 자유에너지 값은 일정한 비율로 점차적으로 감소하여 200 GPa에서는 -208.26 kJ을 나 타내었다. 이러한 열역학적 분석 결과로 볼 때 외핵 조건에서는 수소와 철산화물이 반응하 여 철원소와 철 수산화물을 생성하는 환원반응이 선호되며, 수소가 안정된 철수산화물의 형 태로 외핵 내에 존재할 가능성이 있음을 배제할 수 없다.

Fig. 14. Compressibility of the unit cell volume of goethite with pressure.

Fig. 15. The Gibbs free energy for reaction (1)

calculated on the basis of the present data as a

function of pressure.