혜가득

원자번호 26번, 철

철(Iron) 1)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 2)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. 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 화확적 특성

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.4) 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 배위화합물 5)을 잘 만든다.)

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, 575oC이하에서는 불안정하여 Fe와 Fe3O4로 변환된다. Fe3O4은 FeO를 부분 산화시키거나 Fe2O3를 1400oC이상으로 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 200oC 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 철의산소산 음이온도 알려져 있는데, 대표적인 것이 Fe의 산화수가 +6인 [FeO4]2-이다. [FeO4]2-는 Fe2O3수화물을 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


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 1538oC이고 끓는점은 2862oC이며, 20oC에서 밀도는 7.874g/cm3이다. 철에 들어있는 탄소 함량이 늘어나면 녹는점이 낮아지는데, 탄소 양이 4.3%가 되면 녹는점은 1015oC로 최저가 된다. 철은 구조가 다른 4가지 동소체가 있다. 용융된 액체 철을 식히면 1538oC에서 체심입방(bcc) 결정 구조를 하는 델타(δ)-철로 결정화된다. δ-철을 계속 식히면 1394oC에서 면심입방(fcc) 결정 구조를 갖는 감마(γ)-철로 변환되며, 912oC에서는 다시 체심입방 구조를 갖는 알파(α)-철이 되고, 770oC에서는 강자성(ferromagnetic) 3)이 된다. 즉 순수한 철은 약 912oC이하에서는 α-철, 912~1394oC에서는 γ-철, 그리고 1394oC에서 녹는점인 1538oC까지는 δ-철이 안정하다. α-철은 연하고 단지 소량의 탄소(910oC에서 질량비로 0.021%미만)만을 녹일 수 있는데, 이 구조의 합금을 페라이트(ferrite)라 부른다. γ-철은 보다 많은 양의 탄소를 녹일 수 있는데(1146oC에서 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 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 약1700oC)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 900oC) 공기를 불어 넣으면 코크스가 타면서 많은 열을 내어 용광로 아래는 온도가 약 2000oC가 되며, 위는 약 200oC가 된다. 높은 온도에서는 탄소가 타서 생긴 이산화탄소(CO2)가 다시 탄소와 반응하여 일산화탄소(CO)가 된다.C + O2 → CO2 ; C + CO2 → 2CO

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 900oC) 공기를 불어 넣으면 코크스가 타면서 많은 열을 내어 용광로 아래는 온도가 약 2000oC가 되며, 위는 약 200oC가 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 250oC 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.

철의이용

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.

주석

1수치로 보는 철철의 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 1538oC이고 끓는점은 2862oC이며, 20oC에서 밀도는 7.874g/cm3이다. 20oC에서 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.

2전이금속원소원자의 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.

3강자성(Ferromagnetic)과 퀴리 온도강자성은 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 770oC이다.

4화합물에서 원소의 산화 수 나타내기화합물에서 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.

5배위화합물금속 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.