스피넬(Spinel) 구조, 스피넬 구조 세라믹

스피넬은 MgAl2O4을 가리키며, 이와 비슷하게 AB2X4의 분자구조를 가지는 세라믹을 스피넬 구조를 가지고 있다고 한다(스피넬 그룹(spinel group)이라고 부른다.).

일반적인 구조는 4입방체(등각계) 결정체에서 X위치에 음이온(일반적으로 산소 혹은 황)이 입방체 밀폐 격자 안에 배열되어 있고, A와 B(주로 양이온을 가지는 금속원자)가 격자 내 팔면체 및 사면체 부위의 일부 또는 전체를 점유하고 있으며. 이 금속들이 2가지가 아니라 3~4가지 인 경우도 있다. 보통 X 위치는 산소이나 황이 이 위치에 들어오면 티오스피넬(thiospinel)이라고 한다.

그림. 스피넬(spinel) 구조

보통의 스피넬 구조는 단위당 8개의 사면체와 4개의 팔면체를 가지고 있으며, 사면체 공간은 팔면체 공간보다 작다. B이온은 팔면체 공간의 절반을 차지하고, A 이온은 사면체 공간의의 8분의 1을 차지한다.

역스피넬 구조는 모든 A 양이온과 B 양이온의 절반은 팔면체에 위치하고 나머지 절반은 사면체에 위치한다.

스피넬 구조의 양이온 분포는 구성하고 있는 금속원자(이온)들의 결정구조 내에서의 안정화 에너지(Crystal Field Stabilization Energy, CFSE)와 관련이 있다. 일부 이온들은 d 오비탈(orbital) 전자 수에 따라 팔면체에 위치하는 것에 대해 선호도를 가질 수 있다. A2+ 이온이 팔면체 위치(octaheadral)에 대한 선호도가 높으면 B3+ 이온의 절반은 팔면체 위치에서 사면체 위치(tetraheadral)로 대체한다. 마찬가지로, B3+ 이온이 팔면체에 위치할 경우 불안정하다면, A2+ 이온이 팔면체 위치에 우선적으로 위치하게 된다.

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주요한 스피넬 세라믹들은 다음과 같은 것들이 있다.

스피넬(spinel, MgAl2O4) : 보석 등으로 활용되었다.

가나이트(gahnite, ZnAl2O4)

헤르시나이트(hercynite, FeAl2O4)

큐프로스피넬(cuprospinel, CuFe2O4) : 촉매로 이용되기도 한다.

제이콥사이트(Jacobsite, MnFe2O4)

마그네시아페라이트(magnesioferrite, MgFe2O4)

마그네타이트(magnetite, FeFe2O4, 여기서 1 Fe는 +2이고 2 Fe는 +3) : 철광석의 주요물질

아연 페라이트(Znic ferrite, (Zn, Fe) Fe2O4)

크로마이트(chromite, FeCr2O4) : 자기도색염료, 스테인리스스틸 제조 등에 활용되기도 함.

Zincsilicate(Zn2SiO4, 역스피넬) : 녹색 형광체(삼파장 램프 등에 사용)