스크랩 원자번호 26번 철에 대하여

[이승구]

인류 역사를 보통 석기 시대, 청동기 시대, 철기 시대로 구분하는데, 철기 시대에 이르러서야 비로소 인류의 문명 생활이 시작되었다고 볼 수 있을 정도로 철이 인간 생활에 미친 영향은 실로 막대하다. 철은 우리가 사용하는 금속의 90% 이상을 차지하며, 우리 생활을 지탱하는 중심적 역할을 하는 금속 원소이다. 철이 없다면 철도, 선박, 자동차도 만들 수 없고, 도로, 고층 건물, 긴 다리도 만들기가 어렵다. 또 오늘날 사용하는 거의 대부분의 기계나 도구도 만들 수 없다. 따라서 사람들은 철을 ‘산업의 쌀’이라 부르기도 한다. 철은 또한 거의 모든 생물체에게 필수적인 원소로, 호흡과 산화-환원 반응에 관여한다. 철은 아주 안정한 원자핵을 갖고 있으며, 지구 핵의 거의 대부분을 이루고, 지각에서도 4번째로 많은 원소이다. 우리나라에 현대적 제철소를 건설하여 우리나라 주요 산업의 국제경쟁력을 확보하는데 밑 바탕을 마련한 ‘철강왕’ 박태준 포스코 명예회장이 지난 12월 13일에 타계한 시점에서, 철의 특성, 역사와 생산 등에 대해 알아 보기로 하자.

원자번호 26번, 철

철(Iron)은 원자번호 26번의 원소로, 원소기호는 Fe이다. 라틴어로는 철을 ‘ferrum’이라 하는데, 원소기호 Fe는 여기서 나왔다. 국제순수∙응용화학연합(IUPAC)의 철 명명에서는 ‘iron’과 ‘ferrum’을 모두 사용한다. 철 이온이나 화합물 이름, 그리고 철의 성질을 나타내는데 ‘ferrum’에서 파생된 단어들이 많이 사용되고 있다. 주기율표에서는 8족(8B족)에 속하며, 첫 번째 계열 전이금속원소 중 하나이다. 원소 상태의 철은 은회색 광택이 나는데, 습한 공기에 의해 쉽게 산화되어 적갈색의 녹이 슨다. 순수한 철은 알루미늄보다도 무르나, 우리가 공업적으로 얻는 철은 야금 과정에서 탄소가 들어가 합금을 만들기 때문에 매우 단단하다.

원자번호 26번, 철. <출처: (CC)Cezary p at wikipedia.org>

철의 원소 정보.

철은 가장 안정한 원자핵을 갖고 있으며, 별에서 일어나는 핵 합성에서 얻어지는 최종 원소로 우주에서는 6번째로 풍부하다. 지구 핵은 거의 대부분 용융된 철로 이루어져 있으며, 지각에서는 무게비로 약 5% 존재하는데, 이는 산소(47%), 규소(28%), 알루미늄(8.4%) 다음으로 많다. 지구 전체 무게의 약 35%를 철이 차지한다고 여겨진다. 자연 상태에서 철은 주로 산화물 형태로 철광석에 존재하며, 흙에는 0.5~5%, 바닷물에는 대략 2.5 ppb(1 ppb는 10억 분의 1) 농도로 들어있다.

철은 고대부터 사용되어 왔으나, 부식이 잘되기 때문에 유물로 발굴된 것은 많지 않다. 가장 오래된 철 유물은 이집트에서 발굴된 기원전 3500년 경의 구슬들인데, 이들은 운석 철로 만든 것이다. 기원전 1500년경에 현재 터키 아나톨리아 지역의 고대 국가인 히타이트(Hittite) 사람들이 처음으로 철 광석에서 철을 야금하는 기술을 터득하였으며, 기원전 1200년경에 히타이트 왕국이 멸망하면서 이 기술이 다른 나라에도 전파되어 철기 시대가 도래한 것으로 여겨진다. 그 후 철 생산은 급속히 증가하여 2010년 기준 전세계 조강(crude steel: 가공되기 전의 철강 원자재) 생산량은 14억1360만 톤이며, 주로 강철로 가공되어 각종 구조물, 선박, 자동차, 그리고 여러 가지 기계 제작의 재료로 사용되고 있다.

철은 거의 모든 생물의 생명 유지에 필수적인 원소이다. 예로, 헤모글로빈과 미오글로빈 단백질에 들어있는 철은 산소 운반과 저장에 핵심적 역할을 하며, 세포 호흡과 산화-환원에 관여하는 여러 효소들에 들어있는 철은 생체 내 전자 전달을 중개한다.

철의 역사

가장 오래된 철 유물은 이집트에서 발굴된 기원전 3500년경의 구슬들이다. 그런데 이 철 구슬들이 약 7.5%의 니켈을 포함하고 있어서 여기에 사용된 것이 철광석에서 야금된 철이 아니라 운석으로 지구에 떨어진 운석 철임을 알 수 있다. 지구로 떨어진 운석의 약 6%는 철-니켈 합금의 운석 철인데, 고대 사람들은 운석 철을 가공하여 무기, 장신구, 신전의 장식품 등을 만들었다. 운석 철은 아주 희귀하기 때문에 금이나 은보다 더 값진 것이었으며, 초기 히타이트(Hittite)인들은 아시리아(Assyria)에서 생산된 철을 40배 무게의 은과 물물교환한 것으로 알려져 당시에 철을 얼마나 귀하게 여겼는지 짐작할 수 있다.

철의 야금은 히타이트 왕국에서 본격적으로 시작된 것으로 추정되고 있다. 사진은 고대 이집트의 부조에 등장한 히타이트인 마차.

언제 어디에서 처음으로 철 광석에서 철을 야금하게 되었는지는 분명하지 않으나, 학자들은 청동기 시대 후기인 기원전 1500년경에 히타이트 왕국에서 철의 야금이 본격적으로 시작되었다는 것에 대해 대체적인 의견 일치를 보고 있다. 철의 야금술은 아주 중요한 사항으로 비밀에 부쳐 오랫동안 다른 지역으로 전파되지 않았으나, 히타이트 왕국이 기원전 1180년에 멸망하면서 다른 지역으로 전파되기 시작하여, 그리스에서는 기원전 1100년경에, 메소포타미아 지역에서는 기원전 900년경에, 중앙 유럽에서는 기원전 500년경에, 그리고 인도와 중국에서는 기원전 1200~500년경에 철기 시대가 시작되었다.

고대인들은 구리나 주석 광석을 숯과 함께 가열하면 금속 구리(녹는점 1083^oC)와 주석(녹는점 232^oC)이 얻어진다는 것을 터득하였다. 그러나 철광석에서 철(녹는점 1535^oC)을 야금하는 데는 이보다 훨씬 높은 온도가 필요하다. 초기의 철 야금은 내화성이 있는 흙이나 돌로 만든 연로(bloomery)에서 목탄을 태워 철광석을 철로 환원시키는 것이었는데, 이때 강력한 송풍 장치를 사용함에도 불구하고 노의 온도가 약 1000^oC를 넘지 않아 이 방법으로는 철 덩어리가 반 액체상 슬래그(slag)에 분포된 다공성의 스폰지 철(해면철)이 얻어진다. 이 스폰지 철 덩어리를 빨갛게 달구고 가열과 두드림을 반복하여 불순물을 제거하면 연철(wrought iron: 탄소 함량이 0~0.2%인 철로 전성이 좋다)이 얻어진다. 연철은 말 그대로 연한 철이나, 숯불 위에서 계속 가열하여 탄소를 흡수시키고, 이것을 물에 담금질하면 매우 단단한 강철이 얻어진다. 히타이트족이 터득한 이와 같은 기술은 그리스와 로마에서 더욱 가다듬어져 용광로가 만들어지기 전까지 거의 그대로 사용되었다.

노에 바람을 불어넣는 방법을 개선해 온도를 올리면 1130^oC 정도에서 철은 보다 많은 탄소와 결합하여 녹게 되는데, 이것이 주철(cast iron: 탄소 함량이 3.7~4.3%인 철, 단단하나 부서지기 쉽다)이다. 주철은 기원전 550년경에 중국에서 처음으로 생산되었으며, 유럽에서는 주철 생산이 중세에 시작되었다. 주철은 거푸집에 부어 여러 주물을 쉽게 만들 수 있다.

초기의 철 야금은 내화성이 있는 흙이나 돌로 만든 연로에서 목탄을 태워 철광석을 철로 환원시키는 것이었다. 사진은 중세 유럽의 연로 제련 모습.

현대 제철의 주된 방법이 되는 고로법은 용광로를 사용한 것으로, 초기에는 용광로의 연료로 목탄을 사용하다가, 석탄을 거쳐 코크스를 사용하게 된다. 사진은 중국의 명 왕조 때 제철에 용광로를 이용하는 모습.

현대적 제철의 주된 방법이 되는 고로법은 용광로(blast furnace)를 사용한다. 용광로에서는 노의 아래에서 공기를 불어넣으면서 노의 꼭대기에서 철광석, 연료, 용제(석회석)를 넣으면 이들이 아래로 내려가면서 철광석이 환원되고 용융된 철이 아래로 내려와 빼낼 수 있다. 이 때 얻어지는 철은 선철(Pig iron: 탄소 함량이 보통 3.5~4.5%로, 잘 부서진다)이다. 이 방법은 중국에서는 5세기에, 그리고 유럽에서는 중세 중반에 시작되었으며, 15세기경에는 벨기에와 영국으로 전파되었다. 연료로 처음에는 목탄을 사용하였으나, 목탄 자원이 부족해지면서 석탄을 사용하게 되었고, 다시 석탄의 유황 성분을 제거하기 위해 석탄을 가열하여 코크스를 만들어 사용하였다. 1700년대 초에는 코크스를 사용하는 것이 보편화되었으며, 1800년대 초반에는 용광로를 예열시키는 방법이 나와 효율이 크게 증대되었다. 선철은 연철로 만들거나 강철(탄소 함량이 0.2~2.1% 이하인 철)로 만들어 사용한다.

1855년에 영국인 베세머(Henry Bessemer, 1813~1898)가 불순물을 쉽게 제거할 수 있는 베세머 전로(Bessemer Converter)를 발명하여 철강 생산은 아주 값싸고 간단한 조작으로 가능하게 되었으며, 따라서 연철은 더 이상 직접 생산하지 않게 되었다. 19세기 후반에는 합금강들을 만들기 시작하였는데, 1913년에 스테인레스강(stainless steel)을 처음으로 만들어 1930년대 이후에 본격적으로 사용하게 되었다. 이로써 철의 최대 단점인 부식성도 해결할 수 있게 되었다. 1952년에는 염기성 산소법이 개발되어 짧은 시간에 많은 양의 강철을 만들 수 있게 되었다.

1855년, 영국인 베세머가 불순물을 쉽게 제거할 수 있는 베세머 전로를 발명하여 철강 생산은 아주 값싸고 간단한 조작으로 가능하게 되었다.

부식성을 해결한 스테인레스강(stainless steel)은 1913년에 처음으로 만들어져 1930년대 이후에 본격적으로 사용되게 되었다. <출처: sxc.hu>

철의 물리적 성질

철 원자는 26개의 전자를 갖고 있으며, 바닥 상태 전자 배치는 [Ar]3d⁶4s²이다. 철은 은회색의 금속 고체이나, 공기 중에서 산화되어 적갈색 녹이 슨다. 산화물 보호 피막을 만드는 다른 금속(예로, 알루미늄이나 마그네슘)과는 달리, 철이 녹슬면 녹이 철 자체 보다 부피가 커져 녹이 떨어져 나가고 새로운 철 표면이 노출되어 계속 부식 당하게 된다. 순수한 철은 알루미늄보다도 무르나, 탄소가 첨가되면 단단해 진다. 순수한 철의 녹는점은 1538^oC이고 끓는점은 2862^oC이며, 20^oC에서 밀도는 7.874g/cm³이다. 철에 들어있는 탄소 함량이 늘어나면 녹는점이 낮아지는데, 탄소 양이 4.3%가 되면 녹는점은 1015^oC로 최저가 된다.

철은 구조가 다른 4가지 동소체가 있다. 용융된 액체 철을 식히면 1538^oC에서 체심입방(bcc) 결정 구조를 하는 델타(δ)-철로 결정화된다. δ-철을 계속 식히면 1394^oC에서 면심입방(fcc) 결정 구조를 갖는 감마(γ)-철로 변환되며, 912^oC에서는 다시 체심입방 구조를 갖는 알파(α)-철이 되고, 770^oC에서는 강자성(ferromagnetic)이 된다. 즉 순수한 철은 약 912^oC이하에서는 α-철, 912~1394^oC에서는 γ-철, 그리고 1394^oC에서 녹는점인 1538^oC까지는 δ-철이 안정하다. α-철은 연하고 단지 소량의 탄소(910^oC에서 질량비로 0.021%미만)만을 녹일 수 있는데, 이 구조의 합금을 페라이트(ferrite)라 부른다. γ-철은 보다 많은 양의 탄소를 녹일 수 있는데(1146^oC에서 질량비로 2.04%까지), 스테인레스강을 만드는데 사용되는 구조이다. γ-철 구조를 갖는 철 합금을 오스테나이트(austenite)라 부른다.

철은 ⁵⁴Fe(5.8%), ⁵⁶Fe(91.72%), ⁵⁷Fe(2.2%), ⁵⁸Fe(0.28%)의 4 가지 천연 동위원소를 갖는데, 이들은 모두 안정한 동위원소이다. 가장 존재비가 많은 ⁵⁶Fe는 별에서 일어난 핵 합성의 대표적인 최종 생성물이다. 질량수가 55, 59, 60인 방사성 동위원소들이 합성되었는데, ⁶⁰Fe는 반감기가 260만년으로 태양계 생성 초기에는 존재하였으나 방사성 붕괴로 소멸된 핵으로, 안정한 핵 종인 ⁶⁰Ni의 일부가 이에서 유래되었다.

철의 화학적 특성

철의 전자 배치. <출처: (CC)Pumbaa at wikipedia.org>

철은 반응성이 큰 금속이다. 산소가 거의 없는 조건에서는 자연 상태에서 원소 형태로 있기는 하나, 대부분은 화합물로 존재한다. 화합물에서 철은 7가지(-2, 0, +1, +2, +3, +4, +6) 산화 상태를 가지나, +2와 +3인 화합물들이 가장 흔하다. 철의 산화수가 +2인 화합물 (철(II) 화합물)을 ‘제1철(ferrous) 화합물’, 그리고 산화수가 +3인 철(III) 화합물을 ‘제2철(ferric) 화합물’이라 부른다. 원소 철은 습한 공기에서는 산화되나, 수분이 없는 공기에서는 안정하다. 고운 가루로 만들면 자연 발화가 될 수 있고, 묽은 산에 녹아 철(II) 염이 되며, 뜨거운 가성소다(NaOH) 용액에도 녹는다. 그러나 진한 질산(HNO3)이나 크롬산(H2CrO4)과 같은 산화력이 있는 산에는 잘 녹지 않는데, 이는 산화물 부동피막을 형성하기 때문이다. 철은 할로겐, 황, 인, 붕소, 탄소, 규소와도 여러 화합물들을 만들며, 다른 전이금속들처럼 여러 가지 배위화합물을 잘 만든다.

철의 녹

철은 쉽게 녹이 스는데 (부식되는데), 이는 대략 세계 경제에서 1% 이상의 손실을 가져오는 요인으로 여겨진다. 철이 녹스는 것은 전기화학적 과정으로 물(H₂O), 산소(O₂), 전해질이 필요하며, 이들 중 어느 하나라도 없으면 거의 녹이 슬지 않는다. 녹스는 과정은 대략 다음의 전기화학 반응식으로 요약된다.

                                                환원전극 반응: 3O₂ + 6H₂O + 12e^- → 12(OH)^-
                                                산화전극 반응: 4Fe → 4Fe²⁺ + 8e^-
                                                                            4Fe²⁺ → 4Fe³⁺ + 4e^-
                                         __________________________________________________________
                                                전체 반응:       4Fe + 3O₂ + 6H₂O → 4Fe³⁺ + 12(OH)^-

위의 반응에서 오른쪽 생성물인 4Fe3+ + 12(OH)-는 4Fe(OH)3 또는 4FeO(OH) + 4H2O 가 된다. 따라서 철의 녹은 Fe(OH)3 또는 FeO(OH)로 되어 있다. 전해질은 두 전극 반응 사이에 전자가 이동하는 경로를 제공한다. 도시에서는 공기 중의 아황산 가스(SO2)가 철과 반응하여 생기는 철 화합물이, 해안에서는 공기 중에 포함된 염분이, 바닷물에서는 물에 녹아 있는 염분이 전해질로 작용한다. 따라서 해안이나 바닷물 속의 철이 보다 빨리 녹슨다. 녹스는 것을 방지하려면 철 표면에 페인트 칠을 하거나, 방청제를 사용하는데 방청제로는 크롬산염, 인산염, 규산염, 여러 설폰산염, 지방족 고급 아민, 시클로헥실아민의 아질산염 등이 사용된다. 또 다른 방법은 철 보다 쉽게 산화되는 마그네슘(Mg)이나 아연(Zn)을 철에 붙여주면, 이들이 철보다 먼저 산화되어 철은 보호된다. 철에 아연이나 주석(Sn)을 입혀 녹스는 것을 방지하는 것도 같은 원리를 이용한 것인데, 주석을 입힌 철판을 함석 또는 양철이라 하고, 아연을 입힌 철판을 아연도금 철 또는 아연도금 철판이라 한다.

철은 쉽게 녹이 스는데, 이것은 전기화학적 과정으로 물, 산소, 전해질이 필요하며, 이들 중 어느 하나라도 없으면 거의 녹이 슬지 않는다. <출처: (CC)Laitr Keiows at Wikipedia.org>

철 화합물

철은 3가지의 산화물을 만드는데, 이들은 철(II) 산화물인 FeO, 철(III) 산화물인 Fe₂O₃, 그리고 철(II)와 철(III)의 혼합산화물인 Fe₃O₄이다. FeO는 철을 낮은 산소 분압에서 가열하거나 옥살산철(II) (Fe(C₂O₄))를 가열해서 얻는데, 575^oC이하에서는 불안정하여 Fe와 Fe₃O₄로 변환된다. Fe₃O₄은 FeO를 부분 산화시키거나 Fe₂O₃를 1400^oC이상으로 가열해서 얻거나, 또는 자철광(magnetite) 또는 자철석(lodestone)에서 천연으로 얻기도 한다. Fe₂O₃는 검은색의 강자기성 물질이며, 물이나 산에 녹지 않는다. Fe₂O₃에는 α-Fe₂O₃와 γ- Fe₂O₃ 두 가지가 있다. α-Fe₂O₃는 적갈색으로 주요 철광석인 적철광에 천연으로 있기도 하며, 철(III) 용액에 알칼리를 가해 얻은 침전(Fe(OH)₃ 또는 FeO(OH))을 200^oC 이상으로 가열해서 얻기도 하는데 붉은색 안료, 자석 재료, 연마제 등으로 사용된다. γ-Fe₂O₃는 준안정한 물질로, Fe₃O₄를 조심스럽게 가열하여 얻으며, 자기 녹음테이프를 만드는데 많이 사용되었다. γ-Fe₂O₃를 공기 중에서 가열하면 α-Fe₂O₃로 변환된다.

철은 다른 여러 비금속 원소들과 이성분 화합물을 만든다. 철의 수소화물 자체는 알려져 있지 않으나, 높은 압력의 수소 기체 하에서 Mg와 Fe 가루를 오랫동안 가열하면 MgFeH₆가 얻어진다. 황철광의 주성분은 FeS₂인데, 이 광석은 금과 비슷한 노란 광택을 띠어 금으로 오인되었으며, ‘바보의 금(fool’s gold)’이라 부른다. 철을 할로겐산(HX, X = F, Cl, Br, I)과 함께 가열하면 할로겐화 제1철(FeX₂)이 얻어지며, 할로겐(X₂)과 반응하면 할로겐화 제2철(FeX₃)이 생성된다.

Fe + 2HX → FeX₂ + H₂
2Fe + 3X₂ → 2FeX₃

철의 산소산 음이온도 알려져 있는데, 대표적인 것이 Fe의 산화수가 +6인 [FeO₄]^2-이다. [FeO₄]^2-는 Fe₂O₃ 수화물을 강한 알칼리 용액에 부유시킨 후 염소(Cl₂)로 산화시키거나 전기적으로 산화시켜 얻는다. 이 음이온은 자주색을 띠며, 아주 강한 산화제로 작용해서 실온에서 NH₃를 N₂로 산화시키고, 산성이나 중성 용액에서 물을 산화시켜 산소를 발생시킨다.

4[FeO₄]^2- + 10H₂O → 4Fe³⁺ + 20(OH)^- + 3O₂

프러시안 블루(Prussian Blue)와 관련 철 배위 화합물

다른 전이 금속 이온들과 마찬가지로, Fe²⁺와 Fe³⁺은 비공유 전자쌍을 갖는 이온이나 분자들인 여러 배위자들과 배위화합물을 만든다. 가장 유명한 철 배위화합물은 6개의 사이안화 이온(CN^-)이 배위된 Fe^III[Fe^IIIFe^II(CN)₆]₃ 인데, 이 화합물을 보통 프러시안 블루(Prussian blue) 또는 턴불 블루(Turnbull blue)라 부른다. 이 화합물은 진한 청색 안료로 물에 녹지 않으나 콜로이드를 만드는 성질이 있어 검정색과 푸른색 잉크를 만드는데 사용되며, 페인트와 청사진에도 사용된다. 또한 탈륨(Tl)과 방사성 동위원소인 세슘(Cs)-137의 해독제로 사용되며, 생물 조직 염색 등에도 유용하게 사용된다.

프러시안 블루.

노란색의 육사이아노철(II) 포타슘(potassium hexacyanoferrate(II), K₄[Fe(CN)₆]; potassium ferrocyanide라고도 함)과 붉은색의 육사이아노철(III) 포타슘(potassium hexacyanoferrate(III), K₃[Fe(CN)₆]; potassium ferricyanide라고도 함)도 잘 알려져 있는데, 이들은 물에 잘 녹고 산화-환원 반응을 통해 상호 변환된다.

[Fe(CN)₆]^4-  [Fe(CN)₆]^3- + e^-

K₄[Fe(CN)₆])용액에 Fe³⁺ 염을, 또는 K₃[Fe(CN)₆] 용액에 Fe²⁺염을 넣으면 프러시안 블루가 생기는 성질을 이용해 이들을 철 이온들을 검출하는데 사용하며, 산화-환원 기준 물질로도 이용한다. 공작 도면이나 설계도에 널리 쓰이는 청사진(blueprint)은 종이를 시트르산철(III)암모늄 용액에 담갔다가 말린 후에 자외선을 쪼여 철을 +3상태에서 +2 상태로 광 환원시킨 다음, 생성된 +2상태의 철을 K₃[Fe(CN)₆]과 반응시키면 프러시안 블루가 생성되어 얻어지는 것이다.

철 배위화합물의 몇 가지 예.

그 밖의 철 배위 화합물

철의 카르보닐(CO) 배위화합물들도 알려져 있는데, 대표적인 것이 Fe(CO)₅이다. 이것은 철 가루와 일산화탄소를 반응시켜 얻으며, 여기서 철의 산화수는 0이다. 이것은 다른 철 카르보닐 화합물, 전자 제품의 고주파 코일에 사용되는 미세 철 분말, 그리고 철을 포함하는 여러 나노 입자들을 만드는데 사용된다. 또 다른 중요한 철 배위화합물은 페로센(ferrocene)인데, 두 개의 시클로펜타디엔 고리 사이에 철 원자가 끼어있는 샌드위치형 화합물로, 아주 안정하며 전기화학의 기준물질로 사용된다. 이것은 최초로 얻어진 샌드위치형 분자로, 유기금속화학의 새로운 분야를 연 화합물이다.

이들 외에도 아주 다양한 철 배위 화합물이 만들어져 여러 용도로 사용된다. 예로 Fe²⁺와 1,10-페난트롤린(1,10-phenanthroline)의 착화합물인 페로인(ferroin)은 진한 붉은색이나 산화되면 연한 푸른색을 띤다. 이것은 표준 산화-환원 전위가 1.06V로, 산화-환원 지시약으로, 그리고 세포생물학에서 금속-단백질 분해효소의 억제제로 사용된다. 헤모글로빈과 미오글로빈의 헴도 철과 질소를 포함하는 고리 사이의 배위 화합물이다.

강자성체와 액체 자석

유리판 아래 놓인 자석의 자성에 반응하는 액체자석. <출처: (CC)Gregory F. Maxwell at wikipedia.org>

영구자석이 되는 물질을 강자성체(ferromagnetic material)라 한다. 영어 명칭에서 짐작되듯이 철과 철의 합금이 대표적인 강자성체이다. 이외에도 코발트(Co)와 니켈(Ni)과 이들의 합금, 여러 희토류 금속 화합물들이 강자성체이다. 어떤 물질이 강자성을 보이는 가장 높은 온도를 퀴리 온도(TC)라 하는데 철의 TC는 1043K(770oC)이다. 대표적인 철 산화물인 Fe2O3(TC =948K)와 Fe3O4(FeOFe2O3, TC =858K), 그리고 Fe3O4에서 Fe하나를 다른 자성 관련 원자(Ni, Cu, Mg, Mn, Ba, Sr, Pb 등)로 바꾼 페라이트(ferrite) 등도 강자성을 보이며, 이들은 영구 자석 재료로 사용된다. 강자성 나노 입자가 액체에 안정하게 분산되어 있으면, 그 액체는 자석의 성질을 띠는 액체자석(ferrofluid)이 된다. 액체자석은 외부 자기장에 의해 변형시키거나 이동시킬 수 있으므로, 하드디스크의 액체 봉인, 우주선의 고도 조절, 확성기에서의 열 분산 등에 사용된다. 의학적으로는 MRI 조영제로 사용되며, 암 조직 발견이나 암 치료에도 활용이 기대된다. 쉽게 만들 수 있는 강자성 산화철 나노입자가 액체자석에 많이 이용되는데, 의학 용 액체자석에 쓰이는 산화철 나노입자를 ‘SPION(Superparamagnetic Iron Oxide Nanoparticles: 초상자기성 산화철 나노입자)라 부른다.

철의 생산

철 광석은 주로 적철광(Fe₂O₃)과 자철광(Fe₃O₄)이나, 능철광(FeCO₃)과 FeO(OH)를 포함하는 철 광석도 있다. 한편 철광석에는 상당 량의 실리카(녹는점 약1700^oC)와 점토 등의 불순물이 들어있다. 철 광석에서 철을 생산하는 첫 단계는 용광로에서 이들 광석을 환원시켜 선철을 얻는 것이고, 다음 단계는 선철에서 연철이나 강철을 만드는 것이다.

철광석, 코크스 형태의 탄소, 그리고 석회석(CaCO₃)이나 백운석(CaMg(CO₃)₂)과 같은 용제(철광석에 들어있는 실리카 불순물을 제거하기 위해 사용)를 용광로 꼭대기에서 넣고 아래에서 뜨거운(약 900^oC) 공기를 불어 넣으면 코크스가 타면서 많은 열을 내어 용광로 아래는 온도가 약 2000^oC가 되며, 위는 약 200^oC가 된다. 높은 온도에서는 탄소가 타서 생긴 이산화탄소(CO₂)가 다시 탄소와 반응하여 일산화탄소(CO)가 된다. 

C + O₂ → CO₂   ;   C + CO₂ → 2CO

적철광(Fe₂O₃)과 실리카 불순물을 예로 들어 용광로에서 일어나는 다른 화학 반응들을 살펴보자. Fe₂O₃ 는 CO에 의해 환원되어 용융 철이 된다.

Fe₂O₃(s) + 3CO(s) → 2Fe(l) + 3CO₂(g)

용광로의 아래에서는 Fe₂O₃가 탄소에 의해 직접 환원되기도 한다.

Fe₂O₃(s) + 3C(s) → 2Fe(l) + 3CO₂(g)

한편 용제로 들어간 석회석은 CaO와 CO₂로 분해되고, CaO는 실리카(SiO₂)와 반응하여 액체 슬래그가 되는데 이 액체 슬래그는 용광로 바닥에서 보다 밀도가 큰 용융 철 위에 뜨게 된다.

CaCO₃ → CaO + CO₂   ;   CaO + SiO₂ → CaSiO₃

용광로 바닥에서 용융된 쇳물을 받아 내어 식히면 선철이 얻어지고, 슬래그는 따로 빼내 도로건설 등에 사용한다. 용광로에서 생산된 선철은 4-5%의 탄소를 포함하고 있어 단단하나 잘 부서진다. 이 형태의 철을 주철이라고도 부르며 여러 주물을 만드는데 사용되기도 하나, 대부분은 다음 단계를 거쳐 보다 탄소 함량이 적은 연철이나 강철로 전환된다. 순수한 철은 공업적으로 거의 생산되지 않는다. 필요한 경우, 순수한 산화물이나 수산화물을 수소로 환원시키거나 Fe(CO)₅를 250^oC 이상에서 열 분해시켜 소량으로 제조된다. 

2009년 전세계 철광석 생산량은 22억4000만 톤으로, 전체 금속 광석 생산량의 약 95%를 차지한다. 2010년 전세계 조강(crude steel: 가공되기 전의 철강 원자재) 생산량은 14억1360만 톤인데, 이중 44.3%인 6억2670만 톤이 중국에서 생산되었고, 우리나라의 철강 생산량은 세계에서 6번 째로 많은 5,850만 톤이었다. 

현대적 제철소.

선철은 4~5%의 탄소를 포함하고 있어 단단하나 잘 부서진다. <출처: (CC)Mfields1 at Wikipedia.org>

철의 이용

철은 자원이 풍부하고 비교적 저렴하게 생산되며 원하는 모양으로 성형하기 쉽다. 또 다른 금속과 합금을 만들어 철에 원하는 특성을 부여 할 수도 있다. 이 때문에 철은 전세계 금속 생산량의 약 95%을 차지할 정도로 많이 생산되어 사용된다. 각종 건축의 구조재료, 자동차, 선박, 각종 기계 및 도구 등 산업 전반과 생활 용품에서 철이 널리 사용된다. 철을 재료로 직접 사용하지 않은 제품에서도 철로 만든 기계와 도구를 사용하지 않고 생산된 것은 찾아보기 어렵다. 이런 면에서 철을 ‘산업의 쌀’이라 부르는 것은 아주 적절한 표현이라고 볼 수 있다.

이밖에 철은 여러 화학반응에서 촉매, 또는 환원제로 사용된다. 예로, 하버-보쉬법에 의한 암모니아 합성, 피셔-트롭쉬법에 의한 합성 연료와 윤활유의 제조 등에서 촉매로 사용되며, 니트로벤젠을 아닐린으로 환원시키는 환원제로 사용된다.

여러 철 화합물들도 다양한 용도로 사용되는데, 예로 염화제1철(FeCl₂)은 유기합성에서 환원제로, 철 착화합물과 자성 철 산화물을 만드는데, 그리고 응집제를 환원시키는데 사용된다. 염화제2철(FeCl₃)은 수질 관리와 하수 처리에서 응집제로, 인쇄회로기판 제조에서 구리를 식각하는데, 색소나 잉크로 사용되는 프러시안 블루를 제조하는데, 그리고 청사진의 현상 등에 사용된다. 또한 동물 사료에 첨가되기도 하며, 임상적으로는 단백질을 응고시키는 지혈제로 사용된다. 황산제1철(FeSO₄)은 다른 여러 철 화합물을 제조하는데, 시멘트에서 크롬산염을 환원시키는데, 식품 첨가제로, 그리고 철 결핍에 따른 빈혈증을 치료하는데 사용된다. 그리고 황산제2철(Fe₂(SO₄)₃)은 염화제2철과 마찬가지로 수질관리, 생활하수 처리, 산업폐수처리 등에서 응집제로 널리 이용된다.

철은 전세계 금속 생산량의 약 95%을 차지할 정도로 많이 생산되어 사용된다. <출처: gettyimages>

철의 생물학적 기능

철은 거의 모든 생물체에서 필수적인 원소이다. 생명 현상에 필수적인 여러 단백질과 효소가 철을 포함하고 있으며, 이들은 생물학적 산화-환원 반응과 산소 전달 등에 관여한다. 철은 헴 보결분자단에 결합되어 있는 경우가 많은데, 대표적인 헴 단백질은 헤모글로빈, 미오글로빈, 시토크롬 P450이다. 이들은 산소 기체 전달과 전자 전달에 관여한다. 카탈라아제(catalase: 과산화수소 분해 효소), 리폭시게나아제(lipoxygenase: 불포화지방산에 산소를 첨가시키는데 관여하는 효소의 일종) 등도 철을 포함하고 있다. 철-황 뭉치화합물을 포함하는 효소도 여럿 있는데, 대표적인 것으로 대기 중의 질소(N₂)를 암모니아(NH₃)로 고정시키는데 관여하는 질소고정효소(nitrogenase)를 들 수 있다.

육류 등 여러 식품에는 철이 들어 있다. 체내로 들어온 철은 철 결합 단백질인 트랜스페린(transferrin)에 결합되어 운반되고 필요한 곳에 공급된다. 철을 과다하게 섭취하면 혈중에 결합되지 않은 철(II) 농도가 증가하고, 이는 과산화물과 반응하여 반응성이 큰 자유 라디칼을 생성한다. 이 자유 라디칼은 DNA, 단백질, 지질, 기타 세포 성분을 손상시킬 수 있다. 따라서 황산제1철과 같은 철 보조 영양제를 과다 섭취하면(예로 어른용을 어린이가 잘못 섭취하면) 위험할 수도 있다.

1. 수치로 보는 철

   철의 표준원자량은 55.845g/mol이다. 원자의 바닥 상태 전자배치는 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶4s² ([Ar]3d⁶4s²)이다. 우주에서는 6번째로 풍부하고, 지구 전체 무게의 약 35%를 차지하며, 지각에서의 무게비는 약 5%로 산소(47%), 규소(28%), 알루미늄(8.4%) 다음으로 풍부한 원소이다. 흙에는 0.5~5%, 바닷물에는 대략 2.5 ppb(1 ppb는 10억 분의 1) 농도로 들어있다. 녹는점은 1538^oC이고 끓는점은 2862^oC이며, 20^oC에서 밀도는 7.874g/cm³이다. 20^oC에서 전기 비저항은 96.1nΩ∙m이다. 첫 번째, 두 번째, 세 번째 이온화 에너지는 각각 762.5, 1561.9, 2957kJ/mol이고, 폴링의 전기음성도는 1.83이다. 천연 상태의 동위원소는 ⁵⁴Fe(5.8%), ⁵⁶Fe(91.72%), ⁵⁷Fe(2.2%), ⁵⁸Fe(0.28%)이다.

2. 전이금속원소

   원자의 d 부껍질에 전자가 부분적으로 채워져 있거나, d 부껍질이 부분적으로 채워진 양이온을 만드는 원소. 첫 번째 계열은 3d 부껍질에 전자가 부분적으로 채워진 것으로, 원자번호 21번의 스칸듐(Sc)에서 원자번호 30번의 아연(Zn)까지의 원소이다.

3. 강자성(Ferromagnetic)과 퀴리 온도

   강자성은 외부에서 자기장을 걸어주면 그 자기장의 방향으로 자기화된 뒤, 외부 자기장을 제거하여도 자기화가 남아 있는 성질이다. 강자성 물질은 영구자석이 될 수 있다. 어떤 물질이 강자성을 띨 수 있는 가장 높은 온도를 그 물질의 퀴리 온도라 한다. 철의 퀴리 온도는 770^oC이다.

4. 화합물에서 원소의 산화 수 나타내기

   화합물에서 어떤 원소의 산화 수를 나타내는 보편적 방법은 원소명 다음의 괄호 속에 로마 숫자로 산화 수를 적는 것이다. 다른 방법은, 철처럼 한 원소에서 2가지의 흔한 산화 상태가 있을 때, 낮은 산화 상태에 ‘제1’을, 높은 것에 ‘제2’를 원소 이름 앞에 붙이고, 영어식 이름에는 접미어로 ‘ous’와 ‘ic’을 각각 사용한다. 예로 FeCl₂은 염화철(II) 또는 염화제1철로, 그리고 FeCl₃는 염화철(III) 또는 염화제2철로 부른다. 영어식 이름은 각각 ferrous chloride와 ferric chloride이다.

5. 배위화합물

   금속 원자나 이온이 전자 쌍을 제공하는 몇 개의 음이온 또는 중성분자(이들을 배위자라 한다)와 배위공유결합(결합에서 공유하는 전자쌍을 모두 배위자에서 제공하여 만든 결합)을 하고 있는 화합물.

글 박준우 / 이화여대 명예교수(화학)

서울대학교 화학과를 졸업하고 템플대학교에서 박사학위를 받았다. 오랫동안 이화여대에서 화학을 연구하고 가르쳤다. 저서로 [인간과 사회와 함께한 과학기술 발전의 발자취]와 [아나스타스가 들려주는 녹색화학 이야기] 등이 있고, 역서로 [젊은 과학도에 드리는 조언] 등이 있다

[이한호]

열공하는 모습 좋아요.

[손병란]

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