철(鐵 Iron, Fe)의 성질과 이용

• 원자번호：26
• 족：8족(4주기)
• 원자량：55.845
• 밀도：7.74 g·cm-3
• 각 전자궤도의 전자 수：2, 8, 14, 2
• mp：1538℃ / bp：2862℃

이 세상에 매우 흔하면서 가장 유용(有用)한 금속인 철은 지각(地殼) 성분 중에 산소, 규소, 알루미늄 다음으로 4번째 풍부한 원소이다. 철은 지구의 외부와 내부 어디에나 풍부하며, 특히 지구의 중심부(core)는 녹은 철이 대부분이라고 한다.

외계에서 날아와 지구에 떨어지는 운석은 철과 니켈이 주성분인데, 그 중에서도 철이 대부분을 차지한다. 자석으로 흙이나 모래 속을 휘저으면 쇳조각들과 함께 많은 쇳가루가 붙어나온다. 이들은 지각의 침식작용으로 가루가 되어 토양 어디에나 산재하는 철이다.

순수한 철은 광택이 나는 은백색이며, 알루미늄보다 더 무른 성질을 가졌다. 순수한 철은 연하지만 탄소가 섞이면 점점 단단해지는데, 10만분의 1 정도이면 강도가 2배로 증가하고, 0.2~0.6% 포함되면 최대한 단단해진다. 자연계에 존재하는 철은 순수한 상태로 발견되지 않고 언제나 산소와 결합한 여러 가지 산화철 광물로 존재한다.

순수한 철은 공기 중에서 물(수증기)과 반응하여 쉽게 녹(부식)이 슨다. 녹이란 산화철과 물이 결합한 Fe2O3xH2O이다. 이 분자식의 H2O 앞에 x가 붙은 것은 결합하는 물 분자의 수가 달라질 수 있기 때문이다. 철의 녹은 붉은색이고 푸석하여 쉽게 부스러진다. 그러므로 철의 표면은 어떤 방법으로든 보호하지 않으면 쉽게 부식한다.

인류는 철을 수천 년 전에 발견했다. 붉은 철광석으로부터 철을 처음 재련하게 된 시기는 기원전 약 1,100년경이었다. 철을 사용하게 되면서부터 만들게 된 철기(鐵器)는 청동기(靑銅器) 시대(기원전 3,000년 전)의 도구보다 훨씬 오래 쓸 수 있었다. 철기시대의 시작과 함께 인류는 철 도구와 무기를 만들게 되었다. 오늘날에는 용광로에서 재련하는 금속의 90% 이상이 철이다.

철(iron)의 라틴어는 ferrum 이다. 그래서 철의 화합물 영어 이름에는 ferric(제2철) 또는 ferrous(제1철)가 붙는다. 예를 들어 자력을 갖는 철광(자철광)은 ferrimagnetic mineral이라 부른다. 철의 우리말에는 ‘쇠’, ‘쇠붙이’가 있으나 전문용어로 잘 쓰이지 않는다. 영어사전에서 iron(아이언)을 찾으면 철 외에 전기다리미와 머리 부분을 쇠로 만든 골프채를 말하기도 한다.

철을 포함한 대표적인 광석은 적철광(赤鐵鑛 Fe2O3)과 자철광(磁鐵鑛 Fe3O4)이다. 철은 여러 가지 산화철 상태로 자연계에 존재하는데, 대부분은 산화제1철(FeO)과 산화제2철(Fe2O3) 상태이다. 이 중에 자철광은 네오디뮴 자석(원자번호 60 Nd 참조) 다음으로 강한 자성을 가졌다. 자철광의 화학식을 FeO.Fe2O3로 나타내기도 하는데, 이것은 자철광이 산화제1철과 산화제2철이 결합해 있기 때문이다.

인류의 도구를 만드는 철의 성질

세계 어디서나 산출되는 자철광은 자체가 강력한 자력(자력)을 가졌으며 그대로 천연자석이다. 중국인은 기원전 247년에 천연자석으로 만든 나침반을 사용하기 시작했으며, 유럽에서 나침반을 항해에 이용하기 시작한 때는 11세기였다.

자철광이 자력을 갖는 이유는 명확하지 않다. 과학자들은 철의 핵 주위를 도는 전자가 미약한 자력을 가지며, 자철광은 철 원자가 질서 있게 배열된 때문에 자력이 생긴다고 설명한다. 자장이 움직이면 전류가 생기고, 그 반대로 전류가 흐르면 자장(자력)이 생겨난다. 전류가 흐르는 것은 전자가 이동한 결과이다. 만일 자철광이 없다면 인류는 나침반만 아니라 발전기라든가 모터 등을 만들 수 없어 오늘의 놀라운 전기전자시대를 열지 못했을 것이다.

자철광은 많은 신비를 가졌다. 지구가 거대한 자석이 된 것은 큰 의문이다. 지구가 지자기(地磁氣)를 갖는 이유는 지구 중심부를 차지한 철 원자들의 배열 방향이 일정한 때문이라고 설명한다. 지구의 자기(지자기)에 대해 연구하는 ‘지구자석학자’들은 세계 곳곳의 자장(磁場)이라든가 자철광의 분자 상태 등을 조사하여 지각의 변동 역사를 연구하기도 한다.

곤충인 벌이라든가 흰개미, 물고기, 비둘기, 철새 그리고 인간의 뇌에는 매우 작은 자철(磁鐵)이 있으며, 이들의 작용으로 지구의 자장을 감지하여 방향을 안다고 말한다. 이런 분야의 연구는 ‘자기생물학’에 속한다.

여러 가지 강철

우리나라는 세계적 철강생산국이다. 철을 정련(精鍊)할 때는 용광로 속에서 철광석을 코크스(탄소)와 함께 고열로 녹여 선철(銑鐵 pig iron)을 먼저 만든다. 선철은 탄소와 망간, 규소 등의 불순물을 다량 포함하고 있어, 이것으로 철제도구를 만들면 부서지기 쉽다. 그러나 재련(再鍊) 과정에 탄소 함량을 줄이면 훨씬 단단한 강철(탄소 함량 0.2-2.1%)이 된다. 강철은 선철보다 1,000배 이상 단단하다.

강철에는 종류가 많다. 니켈을 소량 혼합한 강철 합금은 잡아당기거나 압축하는 힘에 매우 강한 성질을 갖게 되므로, 이런 강철로는 교량이라든가, 철탑, 자전거 체인 등을 만든다. 텅스텐과 바나듐을 포함한 강철은 더 단단하여 공작기계의 날을 만든다. 이런 강철은 고온에도 잘 견딘다. 망간을 혼합한 강철은 충격에 강한 성질을 가지고 있어 총신, 대포, 불도저의 삽 등을 만드는데 쓴다. 또 녹슬지 않는 스테인리스 강철은 철, 니켈, 크롬의 합금이다.

철은 산업에서만 중요한 것이 아니라 인체에도 필수적이다. 적혈구의 헤모글로빈 분자 중심에는 철 원자가 있다. 헤모글로빈의 철 원자는 폐에서 산소와 결합하여, 그 산소를 온몸의 조직과 세포로 운반하는 역할을 한다. 헤모글로빈의 철 원자는 산소와 매우 잘 결합하고 또 분리된다. 그런데 일산화탄소는 산소보다 200배나 더 잘 헤모글로빈의 철과 결합하는 성질이 있다.